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Un robot « sans cervelle » capable de naviguer dans des labyrinthes complexes

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Un robot « sans cervelle » capable de naviguer dans des labyrinthes complexes

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont amélioré la conception d’un robot souple, lui permettant de naviguer dans des labyrinthes complexes sans guidage humain ou informatique. Le nouveau robot, fabriqué à partir de plastiques à cristaux liquides en forme de ruban, présente une conception asymétrique qui lui permet de tourner indépendamment et de se déplacer en arcs de cercle. Cette fonctionnalité lui évite de rester coincé entre les obstacles et lui permet de sortir des espaces restreints. Ces développements laissent entrevoir de futures applications pour les robots souples, en particulier lorsqu’ils peuvent exploiter la chaleur ambiante.

Les chercheurs ont amélioré la conception du robot logiciel, permettant une navigation autonome dans des labyrinthes complexes. Sa forme asymétrique lui permet de tourner indépendamment et empêche le coincement, ouvrant la voie à des applications innovantes de robots souples.

Les chercheurs qui ont créé un robot logiciel capable de naviguer dans des labyrinthes simples sans guidage humain ou informatique se sont maintenant appuyés sur ces travaux pour créer un robot logiciel « sans cervelle » capable de naviguer dans des environnements plus complexes et dynamiques.

« Dans nos travaux précédents, nous avons démontré que notre robot mou était capable de se déformer et de se retourner à travers une course d’obstacles très simple », explique Ji Yin, co-auteur d’un article sur ces travaux et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial. Ingénierie en Université d’État de Caroline du Nord. Cependant, il n’était capable de se transformer que s’il rencontrait un obstacle, ce qui signifiait concrètement que le robot pouvait parfois se coincer et sauter entre des obstacles parallèles.

Conception innovante et intelligence physique

« Nous avons développé un nouveau robot souple capable de tourner tout seul, lui permettant de se frayer un chemin à travers des labyrinthes sinueux et même de surmonter des obstacles en mouvement. Tout cela est réalisé en utilisant l’intelligence physique, plutôt que d’être guidé par un ordinateur.

L’intelligence corporelle fait référence à des objets dynamiques, tels que des robots mous, dont le comportement est régi par leur conception structurelle et leurs matériaux, plutôt que par un ordinateur ou une intervention humaine.

Robots souples asymétriques

Les chercheurs qui ont créé un robot logiciel capable de naviguer dans des labyrinthes simples sans guidage humain ou informatique se sont maintenant appuyés sur ces travaux pour créer un robot logiciel « sans cervelle » capable de naviguer dans des environnements plus complexes et dynamiques. La moitié du robot est une barre de torsion qui s’étend en ligne droite, tandis que l’autre moitié est une barre de torsion plus serrée qui s’enroule également sur elle-même comme un escalier en colimaçon. Cette conception asymétrique signifie qu’une extrémité du robot exerce plus de force sur le sol que l’autre. Crédit : Ji Yin, Université d’État de Caroline du Nord

Mécanisme des matériaux et du mouvement

Comme pour la version précédente, les nouveaux robots souples sont constitués d’élastomères à cristaux liquides en forme de ruban. Lorsque les robots sont placés sur une surface à au moins 55 degrés ° C (131 degrés F), qui est plus chaud que l’air ambiant, de sorte que la partie du ruban en contact avec la surface rétrécit, tandis que la partie du ruban exposée à l’air ne le fait pas. Il en résulte un mouvement de roulement. Plus la surface est chaude, plus le robot tourne vite.

Cependant, alors que la version précédente du robot logiciel avait une conception symétrique, le nouveau robot comporte deux moitiés distinctes. La moitié du robot est un ruban torsadé qui s’étend en ligne droite, tandis que l’autre moitié est un ruban plus étroitement torsadé qui s’enroule également sur lui-même comme un escalier en colimaçon.

Cette conception asymétrique signifie qu’une extrémité du robot exerce plus de force sur le sol que l’autre. Pensez à un gobelet en plastique dont l’ouverture est plus large que sa base. Si vous le faites rouler sur la table, il ne roule pas en ligne droite : il forme un arc en traversant la table. Cela est dû à sa forme asymétrique.

Surmonter les limites de la conception

« Le concept derrière le nouveau robot est assez simple : en raison de sa conception asymétrique, il tourne sans avoir à toucher quoi que ce soit », explique Yao Zhao, premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral à NC State. « Donc, même s’il change encore de direction quand il fait ça Faire Il entre en contact avec un objet – lui permettant de naviguer dans des labyrinthes – et ne peut pas rester coincé entre des objets parallèles. Au lieu de cela, sa capacité à se déplacer en arcs de cercle lui permet de se frayer un chemin librement.

Les chercheurs ont démontré la capacité de la conception souple et asymétrique du robot à naviguer dans des labyrinthes plus complexes – y compris des labyrinthes à parois mobiles – et à s’insérer dans des espaces plus étroits que la taille de son corps. Les chercheurs ont testé la nouvelle conception du robot sur une surface métallique et sur du sable. Une vidéo du robot asymétrique en action peut être trouvée ici :

« Ce travail constitue une nouvelle étape en nous aidant à développer des approches innovantes pour concevoir des robots logiciels, en particulier pour les applications dans lesquelles les robots logiciels seront capables de récupérer l’énergie thermique de leur environnement », explique Yin.

Référence : « Escape from the Physically Intelligent Soft Robot Maze » par Yao Zhao, Yawei Hong, Yanbin Li, Fangjie Qi, Haitao Qing, Hao Su et Ji Yin, 8 septembre 2023, Avancement de la science.
est ce que je: 10.1126/sciadv.adi3254

Le premier auteur de l’article est Yao Zhao, chercheur postdoctoral à NC State. Hao Su, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à NC State, est co-auteur. Les autres co-auteurs incluent Yaoye Hong, un récent doctorat. Diplômé de l’État de Caroline du Nord. Yanbin Li, chercheur postdoctoral à NC State ; et Fangjie Qi et Haitao Qing, tous deux titulaires d’un doctorat. étudiants dans l’État de NC.

Le travail a été réalisé avec le soutien de la National Science Foundation dans le cadre des subventions 2005374, 2126072, 1944655 et 2026622.

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Une image plus complète de la façon dont les molécules d’eau excitées lorsqu’elles interagissent avec l’air perdent leur énergie a été révélée par les scientifiques de RIKEN dans une étude. publié Dans le magazine Communications naturelles. Ce résultat sera précieux pour mieux comprendre les processus se produisant à la surface de l’eau.

L’eau est une anomalie à bien des égards. Par exemple, ses points de congélation et d’ébullition sont beaucoup plus élevés que prévu, et il est moins dense sous forme solide (glace) que sous forme liquide.

Presque toutes les propriétés inhabituelles de l’eau proviennent des liaisons faibles qui se forment et se brisent constamment entre les molécules d’eau voisines. Ces liaisons, appelées liaisons hydrogène, surviennent parce que l’oxygène attire davantage les électrons que l’hydrogène. Ainsi, l’oxygène légèrement négatif d’une molécule est attiré vers les atomes d’hydrogène légèrement positifs des autres molécules.

Mais un petit segment de molécules d’eau – celles à la surface – subit les liaisons hydrogène différemment des autres molécules d’eau. Dans leur cas, le bras qui dépasse dans l’air ne forme pas de liaisons hydrogène.

Jusqu’à présent, personne n’était capable de comprendre comment les bras de ces molécules de surface se détendaient après avoir été étirés. En effet, il est très difficile d’isoler le signal de ces molécules.

« Nous avons une bonne connaissance du comportement des molécules d’eau dans un corps liquide, mais notre compréhension des molécules d’eau à l’interface est loin derrière », explique Tahi Tahara du laboratoire de spectroscopie moléculaire RIKEN.

Au cours de la dernière décennie, une équipe dirigée par Tahara a tenté de remédier à cette situation en développant des techniques spectroscopiques très sophistiquées pour explorer les interactions des molécules d’eau sur les surfaces.

L’équipe a maintenant développé une technique basée sur la spectroscopie infrarouge, suffisamment sensible pour détecter la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène dans les molécules d’eau de surface se relâchent.

Grâce à cette technique, l’équipe a découvert que les liaisons oxygène et hydrogène coincées dans l’air tournent en premier sans perdre d’énergie. Ils se détendent ensuite d’une manière similaire aux molécules d’un corps liquide qui forment un réseau de liaisons hydrogène.

« En ce sens, il n’y a pas beaucoup de différence entre les molécules à l’interface et à l’intérieur du liquide après avoir interagi avec leurs voisines, car elles partagent toutes deux le même processus de relaxation », explique Tahara. « Ces résultats dressent un tableau complet de la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène se détendent à la surface de l’eau. »

Tahara et son équipe ont désormais l’intention d’utiliser leur technique spectroscopique pour observer les réactions chimiques qui se produisent à l’interface de l’eau.

Plus d’information:
Woongmo Sung et al., Profil de relaxation vibratoire unifié de l’étirement de l’OH à l’interface air/eau, Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Informations sur les magazines :
L’intelligence artificielle de la nature


Communications naturelles


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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

Nouvelle étude publié dans Lettres d’examen physique (PRL) explore le potentiel du couplage électron-phonon en quadrature pour améliorer la supraconductivité grâce à la formation de dipôles quantiques.

Le couplage électron-phonon est l’interaction entre les électrons et les vibrations dans un réseau appelé phonons. Cette interaction est cruciale pour la supraconductivité (conductivité électrique sans résistance) de certains matériaux car elle facilite la formation de paires de Cooper.

Les paires de Cooper sont des paires d’électrons liés entre eux via des interactions attractives. Lorsque ces paires de Cooper se condensent dans un état cohérent, nous obtenons des propriétés supraconductrices.

Le couplage électron-phonon peut être classé en fonction de sa dépendance au déplacement du phonon, c’est-à-dire la quantité de vibration du réseau. Le cas le plus courant est celui où la densité électronique est couplée linéairement aux déplacements du réseau, provoquant une distorsion du réseau pour entourer chaque électron.

Les chercheurs voulaient étudier si la supraconductivité des matériaux présentant un couplage quadratique pouvait être améliorée lorsque l’énergie d’interaction est proportionnelle au carré du décalage des phonons.

Phys.org s’est entretenu avec les co-auteurs de l’étude, Zhaoyu Han, Ph.D. Candidat à l’Université de Stanford et Dr Pavel Volkov, professeur adjoint au Département de physique de l’Université du Connecticut.

Parlant de sa motivation derrière la poursuite de ces recherches, Hahn a déclaré : « L’un de mes rêves a été d’identifier et de proposer de nouveaux mécanismes qui pourraient aider à atteindre la supraconductivité à haute température. »

« La supraconductivité du titanate de strontium dopé a été découverte il y a plus de 50 ans, mais son mécanisme reste une question ouverte, les mécanismes classiques étant improbables. C’est pourquoi j’ai commencé à rechercher des mécanismes alternatifs de couplage électron-phonon », a déclaré le Dr Volkov.

Le couplage linéaire et ses défis pour la supraconductivité

Comme mentionné précédemment, le couplage peut être classé comme linéaire ou quadratique.

Le couplage linéaire fait référence au scénario dans lequel le couplage est proportionnel au déplacement des phonons. En revanche, le couplage quadratique dépend du carré du décalage des phonons.

Ils peuvent être identifiés grâce à l’étude de la symétrie de la matière, aux observations expérimentales et aux cadres théoriques. Cependant, leurs effets sur la supraconductivité semblent très différents.

Le couplage linéaire, qui apparaît dans la plupart des matériaux supraconducteurs, est largement étudié en raison de sa prévalence dans de nombreux matériaux et de son cadre théorique.

Cependant, les supraconducteurs conventionnels dotés d’un couplage électron-phonon linéaire sont confrontés à des limites. Ces matériaux ont une faible température critique, qui est la température en dessous de laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité.

« Les températures critiques de ces supraconducteurs sont généralement inférieures à 30 Kelvin ou -243,15 degrés Celsius. Cela est dû en partie au fait que l’énergie de liaison et l’énergie cinétique de la paire Cooper sont considérablement supprimées dans les régimes de couplage faible et fort, respectivement », a expliqué Hahn.

Dans le cas d’un couplage faible, les interactions électron-phonon sont faibles en raison de la faible énergie de liaison. En couplage fort, les interactions sont plus fortes, conduisant à une augmentation de la masse effective des paires de Cooper, ce qui conduit à la suppression de la supraconductivité.

Cependant, la suppression entrave tout effort visant à améliorer les températures critiques dans de tels matériaux en augmentant simplement la force de couplage, encourageant les chercheurs à explorer des matériaux dotés d’un couplage électron-phonon quadratique, qui n’est pas bien compris.

Modèle Holstein et pôles quantiques

Le modèle Holstein est un cadre théorique utilisé pour décrire l’interaction entre les électrons et les phonons. Il a déjà été utilisé pour étudier la physique générale du couplage linéaire électron-phonon.

Les chercheurs ont étendu le modèle Holstein pour inclure le couplage électron-phonon en quadrature dans leur étude.

Le modèle Holstein aide à calculer des quantités telles que l’énergie de liaison des paires de Cooper et la température critique des supraconducteurs.

Dans les matériaux conventionnels, la liaison des électrons médiée par les phonons conduit à la formation de paires de Cooper.

L’interaction est linéaire, ce qui signifie que la force de couplage augmente avec l’amplitude des vibrations du réseau. Cette interaction peut être comprise à l’aide des principes de la physique classique et est bien étayée par des observations expérimentales telles que les effets isotopiques.

Dans le cas d’une conjonction quadratique, la situation est complètement différente. En étendant le modèle Holstein pour inclure la dépendance du second ordre du couplage au déplacement des phonons, les chercheurs ont pris en compte les fluctuations quantiques (mouvement aléatoire) des phonons et leur énergie du point zéro (l’énergie des phonons à 0 K ).

Les électrons interagissent avec les fluctuations quantiques des phonons, formant un « dipôle quantique ». Contrairement au couplage linéaire, l’origine des interactions attractives est la mécanique quantique pure.

La supraconductivité est dans la limite du couplage faible et fort

Les chercheurs ont découvert que lorsque l’interaction électron-phonon est faible, le mécanisme par lequel les électrons s’apparient pour former des paires de Cooper n’est pas efficace, comme dans le cas linéaire. Il en résulte une température critique plus basse qui peut être affectée par la masse des ions (effet isotopique), mais d’une manière différente que dans le cas linéaire.

En d’autres termes, la (basse) température critique d’une substance peut changer considérablement selon les différentes masses atomiques.

En revanche, lorsque les interactions électron-phonon sont fortes, nous obtenons la formation de dipôles quantiques, qui peuvent devenir supraconducteurs à une température déterminée par leur masse effective et leur densité.

En dessous de la température critique, les condensateurs bipolaires quantiques peuvent se déplacer librement sans perturber le cristal. Plus de mouvement conduit à un état supraconducteur, plus stable et ayant une température critique plus élevée. Contrairement au mécanisme linéaire, la masse dipolaire quantique n’est que légèrement améliorée par le couplage, ce qui permet des températures critiques plus élevées.

« Notre travail montre que ce mécanisme permet des températures de transition plus élevées, au moins pour un couplage fort. Ce qui est également positif, c’est que ce mécanisme ne nécessite aucune condition préalable particulière pour être efficace, et il existe des conditions tout à fait réalistes dans lesquelles il sera dominant », a-t-il déclaré. expliqué. Dr Volkov.

« Sur la base des constantes physiques fondamentales liées aux solides, une estimation optimiste de la température critique pouvant être atteinte par ce mécanisme pourrait être de l’ordre de 100 K », a prédit Hahn.

Travail futur

« Une implication possible, tout d’abord, serait une augmentation de la température de transition de la supraconductivité. La supraconductivité dépend également de manière sensible des propriétés des électrons ; par conséquent, pour obtenir un couplage fort, nous proposons l’utilisation de super-réseaux spécialement conçus pour les électrons. » Le Dr Volkov a expliqué.

Les chercheurs affirment que la prochaine étape, en théorie, consisterait à trouver le régime optimal de force de couplage pour la supraconductivité. Les chercheurs espèrent également que les expérimentateurs exploreront les matériaux de super-réseau présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques.

« Expérimentalement, la création de super-réseaux via la structuration ou l’utilisation d’interfaces entre des matériaux torsadés pourrait être une voie prometteuse pour atteindre le type de supraconductivité auquel nous nous attendons », a déclaré le Dr Volkov.

Hahn a également noté qu ‘ »il est important d’identifier les matériaux présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques grâce à des calculs préliminaires, car cela n’a pas été systématiquement exploré ».

Plus d’information:
Zhaoyu Han et al., Supraconductivité dipolaire quantique à partir du couplage électron-phonon en quadrature, Lettres d’examen physique (2024). est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.132.226001. sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2312.03844

Informations sur les magazines :
Lettres d’examen physique


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L’ESA fait le premier pas pour modifier ses politiques de géo-retour

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L’ESA fait le premier pas pour modifier ses politiques de géo-retour

WASHINGTON – Les États membres de l’Agence spatiale européenne ont pris des mesures pour ajuster leurs politiques de longue date qui attribuent des contrats pour les programmes de l’agence en fonction de l’importance de la contribution financière de chaque pays.

Lors d’une conférence de presse le 19 juin à l’issue d’une réunion du conseil d’administration de l’ESA, les responsables de l’agence ont déclaré que les membres avaient approuvé la « première étape » des changements apportés aux politiques de géoretour, ou géoretours, pour ses programmes. Dans le cadre du retour géographique, les fonds fournis par les États membres pour les programmes de l’ESA sont restitués sous forme de contrats aux entreprises de ces pays.

« Cela montre que l’ESA évolue vers de nouvelles conditions », a déclaré Josef Aschbacher, directeur général de l’ESA, lors de la conférence de presse.

Certains pays européens et membres de l’ESA ont critiqué le géoretour, arguant qu’il crée des inefficacités en attribuant des contrats sur la base des pays qui ont contribué aux programmes et pour quels montants, plutôt que sur la base du meilleur fournisseur. Ils affirment que cela entraîne des retards et une augmentation des coûts.

Cependant, d’autres ont averti que l’élimination du retour géographique pourrait nuire aux programmes de l’ESA en réduisant les incitations dont disposent les pays pour contribuer à ces programmes. Sans garantir que leurs entreprises reçoivent des contrats proportionnés au montant de leur contribution, les pays peuvent être réticents à fournir un financement.

La décision constitue un petit pas vers une modification des règles de retour géographique. « Nous avons présenté une décision visant à accroître la flexibilité dans la mise en œuvre des géoretours à l’ESA, mais également à simplifier le processus », a déclaré Geraldine Nga, directrice marketing de l’ESA.

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« Cela est vu comme une première étape dans une évolution plus générale de la politique industrielle, prenant en compte un contexte spatial totalement nouveau, qui nécessite une plus grande agilité et rapidité de prise de décision de la part de l’ESA tout en maintenant le principe de retour géographique, indispensable pour l’ESA », a-t-elle déclaré, « et nous a permis de construire une chaîne d’approvisionnement très solide en Europe ».

Les responsables de l’ESA n’ont pas expliqué les changements spécifiques au géoretour approuvés par le conseil dans la résolution, mais Aschbacher a suggéré qu’ils s’appuieraient sur une proposition faite il y a plusieurs années selon laquelle l’ESA organiserait un concours pour un programme, choisirait le soumissionnaire gagnant et chercherait ensuite un financement auprès de États membres. .

« C’est quelque chose que nous aimerions maintenant mettre en pratique sur quelques exemples », a-t-il déclaré. La nouvelle politique démarrera dans des programmes pilotes que l’ESA n’a pas encore choisis. « Nous n’avons pas encore identifié les bonnes personnes, mais je suis sûr que nous avons de bons candidats en tête. »

Les membres de l’ESA ont approuvé la décision après une discussion « intensive », a déclaré Aschbacher. Les ajustements au retour géographique ne sont qu’un élément des changements proposés par le Comité de la politique industrielle, mais il n’a fait aucune mention d’autres propositions de ce comité.

« Il existe une ouverture parmi nos États membres pour procéder à de réels ajustements et voir ce qui est le mieux pour une industrie compétitive en Europe », a-t-il déclaré. « Cependant, certains États membres ont déclaré que c’était une bonne chose. Nous avons fait des progrès très importants sur cette étape, mais nous devrions peut-être l’utiliser comme point de départ pour de nouveaux développements et de nouvelles discussions. »

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