Cum solitonii îndoaie timpul, spațiul și regulile

Solonii topologici, care sunt parte integrantă a diferitelor procese naturale și tehnologice, sunt valorificați prin interacțiuni non-reciproce pentru inovare în știința materialelor și robotică, oferind noi posibilități de locomoție autopropulsată și funcționalitate avansată. Credit: SciTechDaily.com

Dacă merge ca o particulă și vorbește ca o particulă… probabil că nu este o particulă. Un soliton topologic este un tip special de undă sau dislocare care se comportă ca o particulă: se poate mișca, dar nu se poate răspândi și dispărea așa cum te-ai aștepta, de exemplu, de la o ondulație de pe suprafața unui iaz. Într-un nou studiu publicat în naturăCercetătorii de la Universitatea din Amsterdam au demonstrat comportamentul neobișnuit al izolațiilor topologice într-un metamaterial robotic, ceva care ar putea fi folosit în viitor pentru a controla modul în care roboții se mișcă, simt mediul înconjurător și comunică.

Izolatele topologice pot fi găsite în multe locuri și pe multe scale de lungime diferite. De exemplu, ele iau forma unor îndoituri Firele telefonice sunt înfăşurate Și molecule mari, cum ar fi proteinele. La o scară complet diferită, A Gaură neagră Poate fi înțeles ca un soliton topologic în țesătura spațiu-timp. Solitonii joacă un rol important în sistemele biologice, fiind înrudiți cu organismele vii Plierea proteinelor Și Morfologie – Dezvoltarea celulelor sau a organelor.

Caracteristicile unice ale solitonilor topologici – că se pot mișca, dar își păstrează întotdeauna forma și nu pot dispărea brusc – sunt deosebit de interesante atunci când sunt combinate cu așa-numitele interacțiuni non-reciproce. „Într-o astfel de interacțiune, factorul A interacționează cu factorul B diferit de modul în care factorul B interacționează cu factorul A”, explică Jonas Veenstra, doctorand la Universitatea din Amsterdam și primul autor al noii publicații.

„Interacțiunile non-reciproce sunt comune în societate și în sistemele vii complexe, dar au fost de mult ignorate de majoritatea fizicienilor, deoarece pot exista doar într-un sistem în afara echilibrului”, continuă Veenstra. Prin introducerea de interacțiuni non-reciproce în materiale, sperăm să înlăturăm granițele dintre materiale și mașini și să creăm materiale vii sau realiste.

Laboratorul de materiale automatizate unde Veenstra își desfășoară cercetările este specializat în design metamateriale: Materiale artificiale și sisteme robotizate care interacționează cu mediul lor într-o manieră programabilă. Echipa de cercetare a decis să studieze interacțiunea dintre interacțiunile non-reciproce și izolațiile topologice în urmă cu aproape doi ani, când studenții Anahita Sarvi și Chris Ventura Minnersen au decis să-și continue proiectul de cercetare pentru cursul de master „Abilitati academice pentru cercetare”.

Metamaterialul robotic soliton și anti-soliton se află la limita dintre secțiunile înclinate la stânga și la dreapta ale lanțului. Fiecare tijă albastră este conectată la vecinii săi cu benzi de cauciuc roz, iar sub fiecare tijă există un mic motor care face interacțiunile dintre tijele adiacente nereciproce. Credit: Jonas Veenstra/UvA

Soliton se mișcă ca un domino

Metamaterialul gazdă soliton dezvoltat de cercetători constă dintr-o serie de tije rotative legate între ele prin benzi elastice – vezi figura de mai jos. Fiecare tijă este montată pe un mic motor care aplică o forță mică tijei, în funcție de modul în care este orientată față de vecinii săi. Cel mai important, forța aplicată depinde de ce parte se află vecinul, făcând interacțiunile dintre barele adiacente nereciproce. În cele din urmă, magneții de pe bare sunt atrași de magneții plasați lângă lanț astfel încât fiecare bară să aibă două poziții preferate, rotite fie la stânga, fie la dreapta.

Izolatele găsite în acest metamaterial sunt locurile în care părțile din stânga și dreapta ale lanțului se întâlnesc. Granițele complementare dintre secțiunile șirurilor rotite la dreapta și la stânga se numesc antisolitonuri. Acest lucru este similar cu îndoirea firului de telefon în spirală de modă veche, unde secțiunile de fir care se rotesc în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic se întâlnesc.

Când motoarele în serie sunt oprite, solitonii și contrasolitățile pot fi conduse manual în orice direcție. Cu toate acestea, odată ce motoarele – și astfel interacțiunile reciproce – sunt declanșate – solitonii și antisolonii alunecă automat de-a lungul lanțului. Ambele se deplasează în aceeași direcție, cu o viteză determinată de proprietatea de nereciprocitate impusă de motoare.

Feenstra: „Multe cercetări s-au concentrat asupra mișcării solitonilor topologici prin aplicarea forțelor externe. În sistemele studiate până acum, s-a descoperit că solitonii și anti-solitonii se mișcă în mod natural în direcții opuse. Cu toate acestea, dacă doriți să controlați comportamentul (anti -solitons) ), poate doriți să le împingeți în aceeași direcție. Am descoperit că interacțiunile non-reciproce realizează tocmai acest lucru. Forțele non-reciproce sunt proporționale cu spinul generat de soliton, astfel încât fiecare soliton își generează propriul forta motrice.

Mișcarea solitonilor este ca și căderea unei serii de piese de domino, fiecare răsturnând pe următorul. Cu toate acestea, spre deosebire de domino, interacțiunile non-reciproce asigură că „răsturnarea” poate avea loc doar într-o singură direcție. În timp ce un domino poate cădea o singură dată, un soliton care se mișcă de-a lungul metamaterialului pur și simplu stabilește lanțul pentru ca anti-solitonul să se miște peste el în aceeași direcție. Cu alte cuvinte, orice număr de izolate și anti-izolate se pot deplasa prin lanț fără a fi nevoie să fie „resetate”.

Controlul miscarii

Înțelegerea rolului conducerii nereciproce nu numai că ne va ajuta să înțelegem mai bine comportamentul solitonilor topologici în sistemele vii, dar ar putea duce și la progrese tehnologice. Mecanismul care generează solinii unidirecționali cu auto-conducere dezvăluiți în acest studiu ar putea fi utilizat pentru a controla mișcarea diferitelor tipuri de valuri (cunoscut sub numele de direcție a valurilor) sau pentru a oferi metamaterialului o capacitate de procesare a informațiilor de bază, cum ar fi filtrarea.

Viitorii roboți ar putea folosi, de asemenea, silozuri topologice pentru funcții robotice de bază, cum ar fi mișcarea, semnalizarea și detectarea mediului înconjurător. Aceste funcții nu vor mai fi controlate dintr-un punct central, ci vor apărea din suma părților active ale robotului.

În general, efectul domino al solitonilor din materialele sintetice, acum o observație interesantă în laborator, ar putea începe în curând să joace un rol în diferite ramuri ale ingineriei și proiectării.

Referință: „Solitonii topologici nonreciproci în metamateriale active” de Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen și Corentin Collet, 20 martie 2024, natură.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6