La física del movimiento colectivo ha sido bien estudiada durante los últimos treinta años. Hasta ahora, los científicos se han centrado en el estudio de los movimientos de «fluidos», como bandadas de pájaros o bancos de peces.
Usando un ingenioso dispositivo experimental, investigadores de la Universidad de Amsterdam y el laboratorio Gulliver (ESPCI Paris-PSL / CNRS) han revelado la posibilidad de movimientos colectivos en estructuras elásticas sólidas. Su trabajo arroja luz sobre el mecanismo y los parámetros que controlan esta llamada «actuación colectiva». Este trabajo se publica en la revista Nature Physics.
Crédito de la imagen: Universidad de Amsterdam
La colaboración incluye el equipo de Olivier Dauchot, investigador del CNRS, y el grupo de Amsterdam de Corentin Coulais. El equipo ha estado estudiando los movimientos colectivos durante varios años. Inicialmente se centró en una pregunta simple: ¿cómo reproducir los movimientos colectivos observados en la naturaleza en el laboratorio, como los de las aves o los peces?
Para ello, el equipo realizó experimentos con ‘materia activa’, es decir, materia cuyas entidades elementales se mueven de forma autónoma: granos que caminan, gotas que nadan, mini-robots, etc., un verdadero zoológico de sistemas activos (pero no vivos), con los que fueron capaces de reproducir y estudiar movimientos colectivos. Recientemente, su investigación se ha centrado en el fenómeno de los atascos cuando el sistema se vuelve más denso. De fluido, el sistema se vuelve gradualmente sólido. ¿Es posible el movimiento colectivo dentro de un sólido activo?
Ingredientes simples para entender un sistema complicado
“Como partículas activas, optamos por Hexbugs©. Estos son pequeños robots motorizados, que se pueden encontrar en las tiendas. Como material elástico sólido, hicimos una red de cilindros unidos entre sí por resortes. Al colocar un Hexbug en cada uno de los cilindros que componen la red, formamos un sólido activo”, explica Paul Baconnier, quien realiza su investigación de tesis sobre este tema. Cada Hexbug deforma la red al intentar moverse, mientras está sujeto a los desplazamientos inducidos por los esfuerzos de sus vecinos.
Sorprendentemente, es posible, bajo ciertas condiciones, que un movimiento colectivo sincronizado emerja de este tira y afloja.
Cuando el sólido activo simplemente se coloca en el suelo, los Hexbugs se alinean espontáneamente y todo el sólido comienza a moverse por el laboratorio. ¿Y si enganchamos el sólido por sus aristas?
En este caso se observa un nuevo tipo de movimiento colectivo en el interior del sólido: todos los elementos de la red oscilan de forma periódica y sincronizada alrededor de su posición de equilibrio. Para explicar este fenómeno de «actuación colectiva», los investigadores variaron los parámetros del experimento, como la rigidez de los resortes o la forma de la red.
Demostraron que la actuación colectiva resulta de la combinación de la actividad de los Hexbugs y la elasticidad de los enlaces de la red, lo que permite que la estructura se deforme y que cada Hexbug se oriente en respuesta a esta deformación.
El equipo ha modelado y reproducido numéricamente los comportamientos observados, incluso en sistemas con varios miles de agentes activos. Esta actuación colectiva espontánea recuerda los movimientos observados en ciertas dinámicas celulares, particularmente en ciertos tejidos de la piel, que podrían entenderse mejor a la luz de este trabajo.
Fuente: Universidad de Ámsterdam
