Publicación en revista Nature Physics devela el comportamiento colectivo de las partículas en sólidos activos

• Este jueves 18 de agosto la revista Nature Physics publicó el trabajo “Selective and collective actuation in active solids”, en el que participaron el exalumno Claudio Hernández y el académico Gustavo Düring, del Instituto de Física UC.

• El paper describe un nuevo fenómeno, el accionamiento activo, y las condiciones necesarias para que este emerja.

• Este fenómeno es robusto y pareciera ser universal en sistemas activos densos donde la interacción elástica es relevante, sin importar el tipo de partículas, ya sean artificiales o biológicas.

El contexto: Materia Activa

Entender los comportamientos colectivos de bancos de peces, bandadas de pájaros o colonias de bacterias, en la que todos sus miembros se mueven libres pero organizados, ha sido uno de los objetivos de los investigadores dedicados al estudio de la Materia Activa desde hace unos 25 años.

Se sabe que existen mecanismos por los que, un conjunto de individuos autopropulsado tiene la capacidad de generar movimientos colectivos de forma sincronizada.

El hallazgo: comportamientos de accionamiento colectivo en sólidos

¿Qué sucederá en sistemas más densos, en los que sus componentes están confinados y se comportan como sólidos? Esta es la pregunta que dio origen a la investigación colaborativa entre físicos teóricos y experimentales de la Escuela Superior de Física y de Química Industriales de París (ESPCI Paris - Université PSL). y el investigador Gustavo Düring junto a su ex alumno Claudio Hernández, del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica.  

¿Cuál será el efecto de la elasticidad del sistema? Esta fue la pregunta que condujo al grupo de científicos al hallazgo más relevante.

“Nosotros partimos de la base que, en sistemas activos densos, el comportamiento colectivo debía emerger de la combinación entre la capacidad de auto propulsarse de cada partícula, y de la interacción mecánica por el contacto entre ellas, es decir, de la elasticidad.  A partir de esto nosotros diseñamos un sólido elástico activo muy simple y pudimos observar y definir ciertos patrones de movimiento o accionamiento colectivo novedosos” explica el investigador Gustavo Düring.

Para llevar la teoría al experimento, se utilizaron pequeñas cucarachas robots auto propulsadas llamadas hexbugs. Naturalmente ellas presentan un movimiento errático.

Lo primero que hizo este grupo de científicos fue experimentar confinándolas en estructuras rígidas que les permitiera rotar libremente. Luego, las conectaron entre ellas con resortes que permitían el traspaso de esfuerzos entre las unidades activas.

Los resortes introducen la elasticidad en el sistema y conllevan un circuito de retroalimentación colectivo. En este escenario, bajo ciertos parámetros, surgieron comportamientos colectivos, en los que, por ejemplo, los hexbugs comenzaron a rotar o a oscilar alrededor de su posición de equilibrio, poniendo en funcionamiento un mecanismo como un actuador mecánico: un accionamiento colectivo.

“El hallazgo de este trabajo es que pudimos identificar los parámetros y condiciones necesarias para que surja este comportamiento colectivo, ya que a veces, el sólido estaba totalmente estático. También, determinamos la forma y propiedades de este fenómeno los que nos permitió modular el accionamiento colectivo cambiando la topología de la estructura del solido, así como el número de unidades activas o la ubicación de las restricciones. Lo notable es que este es un tipo de comportamiento robusto que se debería encontrar tanto en sistemas artificiales y biológicos. Esto fue novedoso porque es muy distinto a lo que se conoce en comportamientos colectivos en sistemas de materia activa tradicional que corresponden a movimientos globales del sistema como traslación o rotación” explica el investigador. 

Futuras aplicaciones

Las potenciales aplicaciones tecnológicas para este descubrimiento son múltiples, desde  el diseño de nuevos materiales funcionales autónomos para máquinas biométricas a dispositivos de robótica blanda, como el desarrollo de nuevo metamateriales o actuadores mecánicos. Además, este hallazgo permite entender mejor cómo funcionan ciertos tejidos biológicos.

“Más allá de las potenciales aplicaciones yo valoro mucho el proceso. Uno pasa meses de trabajo interesantes, de mucha colaboración y aprendizaje. Sin embargo, también son frustrantes porque no siempre las cosas funcionan como uno espera. Pero llega el momento en que las piezas empiezan a encajar: las teóricas, las simulaciones numéricas y los experimentos. Logramos entender parte de estos procesos, identificarlo y medirlo, y ese momento es maravilloso, esa sensación es la que nos mueve a hacer ciencia”, concluye el investigador. 

Revisa la publicacción “Selective and collective actuation in active solids”. 

Revisa el video de la publicación aquí.