Fraktionszwang für tanzende Roboter

Physik: Veröffentlichung in Nature Communications

12.03.2018 – Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) haben nachgewiesen, dass sich Systeme entgegengesetzt rotierender makroskopischer Teilchen entmischen und homogene Fraktionen aus entweder links- oder rechtsdrehenden Partikeln bilden. Für ihr Experiment verwendeten die Forscher Mini-Roboter, die im 3D-Druck hergestellt wurden. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Das Phänomen ist bekannt: Biologische Organismen, etwa Bakterien, und künstliche aktive Partikel tendieren dazu, sich zu Schwärmen und Mustern zu organisieren. Kaum erforscht hingegen ist, wie genau diese Selbstorganisation funktioniert und welche Kräfte dabei wirken. Experimente zur Dynamik mikroskopischer Partikel sind schwer durchzuführen; auch Simulationen stoßen an ihre Grenzen, wenn grundlegende Wechselwirkungsmechanismen noch unverstanden sind.

Physikern der FAU und der HHU ist es nun gelungen, die Selbstorganisation rotierender Partikel im Experiment zu beobachten. Dafür stellten sie etwa 1,5 Zentimeter kleine Roboter, die mit jeweils sieben geneigten Beinen ausgestattet sind, auf eine vibrierende Grundplatte. Die Beine wirken als elastische Federn und wandeln den Vibrationsimpuls in eine Rotationsbewegung um. Um Wechselwirkungen zu verstärken, wurden die im 3D-Drucker hergestellten Roboter mit vier kleinen Antennen versehen. Auf diese Weise verhalten sie sich wie Zahnräder, die ineinander greifen. „Der Aufbau ist eigentlich simpel“, erklärt Prof. Dr. Thorsten Pöschel vom Institut für Multiscale Simulation of Particulate Systems der FAU. „In einem Ring haben wir jeweils 210 im und gegen den Uhrzeigersinn drehende Rotoren vollständig gemischt wie ein Schachbrettmuster angeordnet. Dann haben wir den Vibrationstisch aktiviert und geschaut, was passiert.“

Das Ergebnis überraschte auch die Forscher: Bereits nach einer Minute waren einzelne Domänen klar zu erkennen, nach 15 Minuten hatten sich die Roboter beinahe vollständig entmischt. „Diese Segmentierung ist nicht intuitiv“, sagt Dr. Christian Scholz vom Institut für Theoretische Physik II der HHU, der für die Konzeption, Durchführung und Analyse der Experimente hauptsächlich verantwortlich war. „Man hätte erwarten können, dass gerade entgegengesetzt rotierende Teilchen zusammen bleiben, weil ihre Antennen sich nicht verhaken – ähnlich einer Kette rotierender Zahnräder, die sich abwechselnd links- und rechtsherum drehen.“ Doch das Gegenteil ist der Fall: Rotoren mit identischem Drehsinn blockieren sich und bilden gemeinsame Fraktionen. Durch das Tracking der einzelnen Roboter konnten die Forscher außerdem super-diffusive Kantenströme beobachten: Partikel in der Nähe der Grenzflächen sind deutlich beweglicher sind als im Zentrum der Domänen.

Zahlreiche Wiederholungen zeigen, dass die Ergebnisse des Experiments sehr robust sind – nach der Vibrationsdauer von 1000 Sekunden hatten die Rotoren meist drei bis vier voneinander getrennte Domänen gebildet. In entsprechenden Simulationsläufen auf der Basis von sogenannten Langevin-Gleichungen kommt es sogar stets zur vollständigen Entmischung in zwei Fraktionen. „Dass die Variationen in den Versuchsläufen größer sind als in der Simulation, könnte auf Formfehler unserer 3D-gedruckten Rotoren und auf den Einfluss der Gravitation zurückzuführen sein, weil wir den Vibrationstisch nicht hundertprozentig waagerecht ausrichten können“, erklärt Prof. Dr. Michael Engel vom Institut für Multiscale Simulation of Particulate Systems der FAU.

Beide Verfahren – die Experimentalläufe mit physischen Rotoren ebenso wie die Langevin-Simulationen – sind hervorragend geeignet, die kollektive Dynamik und die Phasentrennung rotierender Partikel zu beschreiben. Die Wissenschaftler hoffen, damit einen Beitrag zur weiteren Erforschung aktiver weicher Materie und mikroskopischer oder sogar molekularer Partikel leisten zu können.

Originalveröffentlichung

Christian Scholz, Michael Engel und Thorsten Pöschel, Rotating Robots Move Collectively and Self-Organize, Nature Communications, 2. März 2018

DOI: 10.1038/s41467-018-03154-7 

Online: https://www.nature.com/articles/s41467-018-03154-7  

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