Die Bewegung von Robotern im gekrümmten Raum widerspricht den Standardgesetzen der Physik

Wenn sich Menschen, Tiere und Maschinen auf der ganzen Welt bewegen, stoßen sie immer gegen etwas, egal ob Boden, Luft oder Wasser. Bis vor kurzem glaubten Physiker, dass dies eine Konstante sei, die dem Gesetz der Impulserhaltung folgte. Jetzt haben Forscher des Georgia Institute of Technology das Gegenteil bewiesen – wenn Körper in gekrümmten Räumen existieren, stellt sich heraus, dass sie sich tatsächlich bewegen können, ohne gegen etwas zu drücken.

Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences am 28. Juli 2022. In der Veröffentlichung schuf ein Forscherteam unter der Leitung von Zeb Rocklin, Assistenzprofessor an der School of Physics der Georgia Tech, einen Roboter, der auf eine kugelförmige Oberfläche mit beispielloser Isolation von seiner Umgebung beschränkt ist, so dass diese krümmungsinduzierte Effekte würden überwiegen.

„Wir haben unser formveränderndes Objekt auf dem einfachsten gekrümmten Raum, einer Kugel, bewegen lassen, um die Bewegung im gekrümmten Raum systematisch zu untersuchen“, sagte Rocklin. „Wir haben herausgefunden, dass der vorhergesagte Effekt, der so kontraintuitiv war, dass er von einigen Physikern abgelehnt wurde, tatsächlich eingetreten ist: Als der Roboter seine Form änderte, bewegte er sich um die Kugel herum auf eine Weise vorwärts, die nicht auf Umweltinteraktionen zurückgeführt werden konnte.“

Erstellen eines gekrümmten Pfads

Die Forscher wollten untersuchen, wie sich ein Objekt in einem gekrümmten Raum bewegt. Um das Objekt auf der Kugel mit minimaler Interaktion oder Impulsaustausch mit der Umgebung im gekrümmten Raum einzuschließen, ließen sie eine Reihe von Motoren als bewegte Massen auf gekrümmten Bahnen fahren. Dieses System verbanden sie dann ganzheitlich mit einer rotierenden Welle, sodass sich die Motoren immer auf einer Kugel bewegen. Die Welle wurde von Luftlagern und Buchsen getragen, um die Reibung zu minimieren, und die Ausrichtung der Welle wurde an die Schwerkraft der Erde angepasst, um die Restkraft der Schwerkraft zu minimieren.

Als sich der Roboter von dort aus weiter bewegte, übten Schwerkraft und Reibung leichte Kräfte auf ihn aus. Diese Kräfte hybridisierten mit den Krümmungseffekten, um eine seltsame Dynamik mit Eigenschaften zu erzeugen, die keiner von ihnen allein hervorrufen konnte. Die Forschung liefert eine wichtige Demonstration, wie gekrümmte Räume erreicht werden können und wie sie die physikalischen Gesetze und die Intuition, die für flache Räume konzipiert sind, grundlegend in Frage stellt. Rocklin hofft, dass die entwickelten experimentellen Techniken es anderen Forschern ermöglichen werden, diese gekrümmten Räume zu erforschen.

Anwendungen im Weltraum und darüber hinaus

Während die Effekte gering sind, da die Robotik immer präziser wird, kann das Verständnis dieses krümmungsinduzierten Effekts von praktischer Bedeutung sein, ebenso wie die durch die Schwerkraft induzierte leichte Frequenzverschiebung entscheidend wurde, damit GPS-Systeme ihre Positionen genau an Satelliten im Orbit übermitteln können. Letztendlich können die Prinzipien, wie die Krümmung eines Raums für die Fortbewegung genutzt werden kann, es Raumfahrzeugen ermöglichen, den stark gekrümmten Raum um ein Schwarzes Loch herum zu navigieren.

„Diese Forschung bezieht sich auch auf die ‚Impossible Engine‘-Studie“, sagte Rocklin. „Sein Schöpfer behauptete, dass es sich ohne Treibmittel fortbewegen könnte. Dieser Motor war in der Tat unmöglich, aber da die Raumzeit sehr leicht gekrümmt ist, könnte sich ein Gerät tatsächlich ohne äußere Kräfte oder das Ausstoßen eines Treibmittels vorwärts bewegen – eine neuartige Entdeckung.“