Het samenwerkingsverband omvat het team van Olivier Dauchot, een CNRS-onderzoeker, en de Amsterdamse groep van Corentin Coulais. 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', dat wil zeggen: materie waarvan de elementaire bouwstenen uit zichzelf bewegen: lopende korrels, zwemmende druppels, mini-robots, enzovoort - een ware dierentuin van actieve (maar niet levende) sytemen, waarmee ze in staat waren collectief gedrag te reproduceren en te 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 collevtieve beweging ook mogelijk in een actieve vaste stof?

Eenvoudige ingrediënten om een ingewikkeld systeem te begrijpen

"Voor de actieve deeltjes kozen we  Hexbugs©. Dat zijn kleine, gemotoriseerde robotjes die gewoon in de winkel te koop zijn. Als vast, elastisch materiaal maakten we een netwerk van cilinders verbonden door veren. Door in elk van de cilinders een Hexbug te plaatsen, vormen we een actieve vaste stof," legt Paul Baconnier uit, die zijn promotieonderzoek aan dit onderwerp wijdt. Elke Hexbug vervormt het netwerk door te proberen te bewegen, waarbij de robot beïnvloed wordt door de verplaatsingen veroorzaakt door de activiteiten van zijn buren. Verbazenderwijs is het mogelijk, onder bepaalde condities, dat dit getouwtrek 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 als we de vaste stof aan de hoekpunten vastmaken? 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. 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 zo zien dat de collectieve aandrijving een gevolg is van de combinatie van de activiteit van de Hexbugs en de elasticiteit van de netwerklinks, die ervoor zorgt 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.

Publicatie

Selective and Collective Actuation in Active Solids, P. Baconnier, D. Shohat, C. Hernández López, C. Coulais, V. Démery, G Düring, O. Dauchot, Nature Physics (2022)

Zie ook de news and views in Nature Physics.