L’électrification de billes de plastique dans une configuration de laboratoire crée un comportement de flocage similaire à celui observé chez les oiseaux. Et si vous mélangez des perles de deux tailles, elles se sépareront automatiquement. Cette observation en apparence simple d’Alexandre Morin et Samadarshi Maity nous apprend le mouvement collectif à toutes les échelles. « C’est magnifique que quelque chose d’aussi complexe que les oiseaux puisse être compris dans son essence à travers des perles. »
Un seul oiseau peut voler dans n’importe quelle direction. Mais un groupe d’oiseaux se déplace dans la même direction comme s’ils ne faisaient qu’un, sans suivre de chef : ils se rassemblent. Cet afflux spontané est le phénomène que Morin étudie, mais pas en observant les animaux. Il utilise plutôt des microbilles de plastique.
Ce que les perles nous apprennent sur les phénomènes de flocage
«Nous étudions les mouvements collectifs», commence Morin. « Les gens s’attendent à ce qu’un objet se comporte toujours de la même manière, quel que soit son nombre. Mais ce n’est pas le cas au-delà d’une certaine densité. Ni pour les oiseaux ni pour les perles. Le principe est le même. »
À l’aide de microbilles dix fois plus petites que l’épaisseur des cheveux, le chercheur imite des troupeaux en laboratoire. De cette façon, ils peuvent contrôler une seule unité et manipuler d’énormes troupeaux. Quelque chose qui n’est pas possible avec les animaux. « Avec des troupeaux examinés au microscope, nous pouvons en apprendre bien plus. »
doctorat la candidate Maity décrit l’expérience. « Nous avons deux types de billes de tailles différentes. Nous les plaçons dans un puits circulaire avec une vitesse fixe dans une direction aléatoire. S’il y a suffisamment de billes, un mouvement de vortex collectif apparaît. » Morin ajoute : « En d’autres termes, les perles se comportent comme un troupeau même si elles n’ont ni cerveau ni cognition. C’est tout simplement incroyable pour moi. »
Crédit : Université de Leiden
Auto-tri inattendu
Le flocage d’une seule espèce est bien compris, mais les chercheurs de Leiden ont poussé cette compréhension en mélangeant deux espèces. Ils ont observé quelque chose d’inattendu. « En introduisant deux tailles de perles, nous avons ajouté une complexité qui représente mieux les systèmes naturels », explique Maity. « On a vu que les petites billes migrent rapidement vers le centre et les grosses vers le bord. Elles se trient spontanément. »
« Et bien sûr, nous voulons comprendre pourquoi », ajoute Morin.
Pour répondre à cette question, ils ont développé un modèle théorique. « Avec un modèle mathématique, nous pouvons découvrir des règles générales. Celles-ci décrivent toutes les interactions dans le système et permettent de suivre l’emplacement des billes individuelles à tout moment, explique Morin. »
« J’ai réalisé de nombreuses petites expériences et intégré ces données dans le modèle », explique Maity. « Et cela a remarquablement bien fonctionné. Notre modèle peut prédire comment un système va se déplacer. Nous avons appris que la principale influence sur le comportement de tri est la vitesse des billes, et non leur taille. »
Leur article, « Démixtion spontanée de troupeaux colloïdaux binaires » a maintenant été publié dans la revue Lettres d’examen physique.
Des essaims de robots
Généralement, il est facile de séparer des particules de différentes tailles par centrifugation. Cette technique est largement utilisée, de la pharmacie à l’industrie agroalimentaire. Les travaux de Morin et Maity proposent une alternative. « Nous pouvons même séparer des particules de même taille et densité avec notre méthode », explique Morin.
Comprendre le flocage présente également d’autres avantages, selon Maity. « Un autre exemple est celui des essaims autonomes de robots, comme dans un entrepôt ou les satellites Starlink. Notre travail peut aider à mieux programmer ces robots. L’essaim devient plus fiable que les robots individuels. En cas de panne, l’essaim continue de fonctionner. »
Maintenant que le groupe de Morin a compris le système des billes floquées, ils vont explorer d’autres phénomènes collectifs. « Nous continuerons à étudier l’auto-organisation, mais avec des unités déformables. Cela imite mieux les tissus humains, ce qui nous rapproche encore plus de la compréhension des systèmes naturels. »
Plus d’information:
Samadarshi Maity et al, Démixtion spontanée de troupeaux colloïdaux binaires, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.178304