29/08/2022
Door Ad Spijkers
De natuurkunde van collectieve beweging wordt al decennia lang grondig bestudeerd. Een Nederlands-Frans onderzoeksteam deed verrassende ontdekkingen toen het filevorming bestudeerde.
De natuurkunde van collectieve beweging wordt al dertig jaar grondig bestudeerd. Tot nog toe richtten wetenschappers zich op het onderzoek van 'vloeibare' bewegingen, zoals die van zwermen vogels of scholen vissen. Met behulp van een ingenieus experimenteel hulpmiddel hebben onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en het Gulliver-laboratorium (ESPCI Paris-PSL / CNRS) nu ook de mogelijkheid van collectieve bewegingen in elastische vaste structuren aangetoond. Hun werk werpt licht op het mechanisme en de parameters die deze zogeheten 'collectieve aandrijving' bepalen.
Het team bestudeert al enkele jaren collectief gedrag. Oorspronkelijk was de eenvoudige centrale vraag: hoe kun je in het laboratorium de collectieve bewegingen die in de natuur voorkomen reproduceren - bijvoorbeeld die van vogels of vissen? Om dit voor elkaar te krijgen ontwierp het team experimenten met 'actieve materie', materie waarvan de elementaire bouwstenen uit zichzelf bewegen. Voorbeelden zijn lopende korrels, zwemmende druppels, mini-robots, enzovoort. Met deze actieve (maar niet levende) systemen konden de onderzoekers collectief gedrag reproduceren en bestuderen.
Recent heeft het onderzoek zich gericht op het fenomeen van 'filevorming' als een systeem dichter wordt. Vanuit een vloeibare toestand wordt het systeem dan langzaam maar zeker vast. Is collectieve beweging ook mogelijk in een actieve vaste stof?
Eenvoudige ingrediënten
Voor de actieve deeltjes kozen de wetenschappers Hexbugs, kleine gemotoriseerde robotjes die in de winkel te koop zijn. Als vast, elastisch materiaal maakten ze een netwerk van cilinders, verbonden door veren. Door in elk van de cilinders een Hexbug te plaatsen, vormden ze een actieve vaste stof. Elke Hexbug vervormt het netwerk door te proberen te bewegen, waarbij de robot wordt beïnvloed door de verplaatsingen veroorzaakt door de activiteiten van zijn buren. Het blijkt mogelijk dat dit onder bepaalde condities leidt tot een gesynchroniseerde collectieve beweging.
Als de actieve vaste stof simpelweg op de grond wordt gezet, werken de Hexbugs spontaan samen en begint het hele materiaal door het laboratorium te bewegen! Maar wat zou er gebeuren als de vaste stof aan de hoekpunten worden vastgemaakt? In dat geval wordt een nieuw soort collectieve beweging zichtbaar in het materiaal. Alle elementen van het netwerk oscilleren op een periodieke, gesynchroniseerde manier rond hun evenwichtspositie.
Collectieve aandrijving
Om dit verschijnsel van 'collectieve aandrijving' te verklaren, varieerden de onderzoekers de parameters van het experiment, zoals de stijfheid van de veren en de vorm van het netwerk. Ze lieten zien dat de collectieve aandrijving een gevolg is van de combinatie van de activiteit van de Hexbugs en de elasticiteit van de netwerklinks. De combinatie zorgt er voor dat de structuur kan vervormen en dat elke Hexbug zich kan richten in reactie op deze vervorming.
Het team heeft het waargenomen gedrag gemodelleerd en numeriek gereproduceerd, zelfs in systemen met enkele duizenden actieve componenten. De spontane collectieve aandrijving doet denken aan de bewegingen die worden waargenomen in bepaalde cellulaire dynamica, in het bijzonder in bepaalde huidweefsels, die daarmee aan de hand van dit onderzoek beter begrepen zouden kunnen worden.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Universiteit van Amsterdam