Reconfigurable behaviors of vibrated particle collectives through morphological control

Abstract

한정된 자원을 사용해 여러 환경에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 로봇 기계에 대한 필요성이 최근 증대됨에 따라, 다양한 목적으로 활용 가능한 새로운 기계 시스템에 관한 연구가 주목받고 있다. 또한, 이러한 기능성은 작은 스케일의 여러 분야에도 적용될 수 있으며, 이를 위해서는 여러 스케일로 확장 가능한 시스템 설계가 필요하다. 이때, 형태를 변화시키며 다양한 임무를 수행하는 자연계의 군집들은 입자 및 로봇 군집을 활용한 새로운 시스템 개발의 토대가 된다. 본 연구에서는 최근의 인공 군집 시스템에서 더 나아가 정교한 외부 제어 없이 형태학적 제어를 통한 구성 요소 간 기계적 상호작용만을 조절하여 입자 구조체의 다양한 거동과 기능을 구현하였다. 먼저, 밀집된 2차원의 원형 공간을 수직 진동에 의해 자체 추진하는 소수의 능동 입자들과 임의로 움직이는 입자들로 가득 채워, 능동 입자의 운동성 및 모양이 밀집된 환경에서의 거동에 어떤 영향을 주는지를 실험적으로 규명하였다. 높은 이동성을 갖는 능동 입자는 밀집된 환경에서 초확산 거동을 보이며, 확산 지수는 종횡비에 따라 증가하는 특징을 보인다. 이후 능동 입자가 경계에 도달하면 클러스터를 형성하고, 능동 입자의 수에 따라 클러스터의 속도 및 경계에 대한 정렬이 달라짐을 보였다. 또한, 내부 및 경계에서의 능동 입자의 거동을 정량적 및 정성적으로 분석하였다. 본 연구 결과는 복잡한 외부 자극 없이 모양 및 개수 변화를 통한 입자 간 기계적 상호작용의 조절만으로 자기 조직화를 제어할 가능성을 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 다음으로, 입자들을 원형의 움직일 수 있는 테두리에 가둬, 구조적으로 견고하면서도 움직일 수 있는 입자 구조체를 제작하였다. 능동 입자의 모양과 수를 조절하여 임의로 움직이거나 회전 및 한 방향 운동 등 구조체의 다양한 거동을 구현하였다. 이후 구조체를 이루는 입자 개수와 입자를 감싸는 원형 틀의 기계적 물성을 조절하여 구조체의 직진성, 회전성 등의 동적 특성을 세밀하게 제어할 수 있음을 보였다. 본 연구 결과는 밀집된 시스템을 이루는 구성 요소의 작은 변경을 통해 전체 거동을 조절할 수 있음을 밝혀냈다는 점에서 의의가 있다. 마지막으로, 입자를 가두는 접근에서 벗어나 높은 변형성 및 다기능성을 갖는 입자 구조를 개발하는 연구를 수행하였다. 능동 입자들을 링크로 연결해 매우 유연한 체인 구조를 만들었으며, 각 구성 요소의 설계 변수를 조절하여 입자들의 상대적인 움직임을 제어하고 체인의 다양한 거동을 보였다. 이후 체인 구조가 물체 둘러싸거나 지나가고, 물체를 앞 또는 뒤로 운반하며, 좁은 공간을 통과하거나 막는 등 여러 상충하는 작업을 수행할 수 있음을 보였다. 마지막으로 기하학적 분석을 통해 다양한 체인 동작의 메커니즘과 이동 속도 및 방향에 대한 심층적 분석을 제시하였다. 본 연구 결과는 물체 운반, 환경 모니터링, 통행 제어 등의 기능이 가능한 견고하면서도 단순한 로봇 개발에 적용될 수 있다. 군집 시스템이 보여주는 다양한 거동 및 기능은 형상 제어를 통한 구성 요소 간 기계적 상호작용을 조절하는 방법이 단순한 입자만을 이용해 가변적으로 다양한 기능을 구현하는데 활용될 수 있음을 보여준다. 본 연구는 다양한 스케일에서 최소한의 구성 요소로 재구성이 가능한 소프트 로봇 시스템을 개발하는 데 큰 도움을 제공할 수 있을 것이다.

Due to the demand for robotic machines capable of performing multiple functions in various environments while using limited resources, there is a growing interest in novel mechanical systems with high adaptability, and functionality. In addition, the potential use of small-scale reconfigurable systems in various fields increases the need for scalable, material-independent design strategies. Inspired by collectives in nature that alter their morphology to accomplish diverse tasks, many researcher have developed unconventional, programmable systems employing particle or robot swarms. In this work, motivated by recently developed artificial cluster systems, we explore the dynamics of vibrated particles and collective structures composed of them. Without elaborate external control, we try to regulate the behaviors and functions of collective structures by modulating the direct or indirect mechanical interactions between their components through morphological control. First, we explore the redistribution of solid-like granular media to construct collective systems that meet both the structural rigidity and flexibility required for achieving multi-functionality and high reliability. We introduce a system consisting of a limited quantity of self-propelled particles (SPPs) that are dispersed among densely packed particles subjected to vertical vibration within a two-dimensional circular confinement. We show that an SPP exhibits superdiffusion in a dense granular medium, where the diffusion exponent increases with polarity and aspect ratio. The SPPs form a cluster upon reaching the boundary, and the increased number of SPPs facilitates the transition from a moving to a static state. We also present a qualitative and quantitative analysis of particle behavior in the bulk and at the boundary. These results suggest a simple and effective method for controlling self-organization by adjusting the shape and number of components. Second, based on the dynamics of SPPs in a dense environment, we create a particle structure composed of a mobile boundary containing densely packed particles with a few SPPs, as opposed to the previously proposed particle structures with a low number density. Densely packed systems exhibit structural robustness, rendering them advantageous for operation in high-stress environments. The manipulation of the shape and number of SPPs results in a wide range of structure behaviors including random, rotational, and directional motion. We show that the dynamic properties of these structures, such as the magnitudes of polarity and chirality, are also affected by the particle number density and the mechanical properties of the confining boundary. Our findings have the potential to facilitate substantial regulation of dense structure's behavior through small alteration of components. Thirdly, away from the concept of confining particles, we demonstrate that a particle cluster can organize more adaptable and multifunctional structures that are capable of modifying their shape and motion in order to accomplish a variety of desired functions. We create an open chain structure made up of SPPs and connecting links, the design parameters of which allow us to control the relative motion of adjacent particles. The modification of flexible structures improves the chain's functionality, evidenced by its ability to perform a variety of tasks that may be nutually exclusive, such as passing or enclosing objects, transporting objects forward or backward, traversing or remaining obstacles, and penetrating or blocking narrow spaces. Through geometric analysis, we present the mechanisms of different chain behavior and the analytical predictions of their dynamic properties. Our method can be used to create robust and low-cost robotic machines capable of object transport, environmental monitoring, and traffic management. The successful control of collective behavior in numerous ways demonstrates the reconfigurable and versatile nature of our scalable approach which simply regulates mechanical interactions between components through shape control. We believe that our study will aid in the development of reconfigurable soft robot systems with minimal ingredients at multiple scales.