Robotik Haftreibung clever nutzen

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Wie kann eine Horde aktiver Roboter automatisch zum Stillstand gebracht werden? Indem sie sich durch Stöße aneinander sozusagen abkühlen. Dieser grundlegende Effekt kann Forschenden zufolge auch genutzt werden, um steuerbare bewegliche Robotersysteme zu konstruieren.

Reibung erzeugt Wärme, dies weiß jeder instinktiv, der sich im Winter die Hände reibt. Reibung kostet auch Energie: Fahrzeugreifen reiben an der Straße, die Autos werden so kontinuierlich langsamer, wenn nicht wieder Gas gegeben wird. Liegen zwei Festkörper aufeinander, so bewegen sie sich nicht, auch wenn sie leicht geneigt werden: Die Haftreibung hält sie aneinander. Sie rutschen erst, wenn ein kritischer Neigungswinkel erreicht ist, so dass die resultierende Antriebskraft die Reibung überwindet. Physiker sprechen hierbei von „trockener“ (es gibt kein Schmiermittel) Haftreibung oder auch von Coulombreibung.

Haftreibung kühlt aktive Teilchen

Das Gegenspiel von Coulombreibung und Bewegung ist in vielen Anwendungsszenarien wichtig. Beispielsweise bei geschüttelten Getreidekörnern, die aus einem Silo fließen sollen – hier ist die Antriebskraft oder „Aktivität“ nicht konstant, sondern fluktuiert. Dies führt zu einer komplizierten Stop-and-Go-Bewegung: Ein Teilchen gerät in Bewegung, bis es durch eine ungünstige Fluktuation gebremst und durch die Haftreibung zum Stillstand gebracht wird, um bei der nächsten günstigen Fluktuation wieder in Gang zu kommen. Die Physik sieht ein ruhendes Teilchen als „kalt“ an, ein sich bewegendes Teilchen als „heiß“. Die Haftreibung kühlt also letztendlich die aktiven Teilchen.

Physiker um Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II der HHU untersuchten zusammen mit Prof. Dr. Lorenzo Caprini aus Rom das Verhalten von vielen solcher aktiver Objekte. Dazu wuseln in einem Demonstrationsexperiment in der Düsseldorfer Physik viele Hundert 3D-gedruckte Miniroboter herum, angetrieben durch eine vertikal vibrierende Platte.

Haftreibung stoppt Kollisionen

Bei ihrer Bewegung stoßen die Roboter ständig aneinander. Bei hoher Belegdichte und geringer Antriebskraft nahe der Schwelle schlägt die Haftreibung während der Stöße zu und kann immer wieder die kollidierenden Teilchen stoppen. Im Laufe der Zeit entstehen so Cluster, in denen sich die Roboter nicht mehr bewegen, also „kalt“ sind.

„Interessanterweise ergibt sich eine gemischte Situation mit großen Clustern, die sich dynamisch ändern“, betont Prof. Löwen: „Kalte Bereich koexistieren mit heißen Bereichen. Dies ist im Gleichgewicht unmöglich, denn dort würden sich solche Temperaturunterschiede durch Stöße sofort ausgleichen“.

Umfangreiche Modellsimulationen

Dieses Verhalten wird durch einen Wettstreit zwischen Aktivität und Coulombreibung induziert. In umfangreichen Modellsimulationen an der HHU, die das Experiment getreu abbilden, fand Studienerstautor Dr. Alexander Antonov ein ähnliches Verhalten, solange ein Schwellenverhalten zugrunde liegt: „Uns ist gelungen, wovon viele theoretische Physiker träumen – den physikalischen Mechanismus hinter einem experimentellen Phänomen zu verstehen und diesen anschließend mit numerischen Simulationen am Computer nachzubilden.“

Ähnlich sieht es auch Prof. Löwen beim Blick auf Anwendungsszenarien: „In Zukunft ist dieser unerwartete Abkühleffekt möglicherweise nutzbar, um ganze Heerscharen von Robotern und das kollektive Verhalten von Schüttgütern automatisch ohne externe Einwirkung zu steuern.“

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