Jak solitony naginają czas, przestrzeń i zasady

Jeśli chodzi jak cząstka i mówi jak cząstka… to prawdopodobnie nie jest cząstką. Topologiczny soliton to szczególny rodzaj fali lub dyslokacji, który zachowuje się jak cząstka: może się poruszać, ale nie może się rozprzestrzeniać i znikać, jak można by się spodziewać, na przykład po zmarszczce na powierzchni stawu. W nowym badaniu opublikowanym w NaturaNaukowcy z Uniwersytetu w Amsterdamie wykazali niezwykłe zachowanie izolacji topologicznych w metamateriale robotycznym, co można w przyszłości wykorzystać do kontrolowania sposobu poruszania się robotów, wyczuwania otoczenia i komunikowania się.

Izolaty topologiczne można znaleźć w wielu miejscach i w wielu różnych skalach długości. Na przykład przyjmują formę załamań Przewody telefoniczne są zwinięte Oraz duże cząsteczki, takie jak białka. W zupełnie innej skali A Czarna dziura Można to rozumieć jako topologiczny soliton w strukturze czasoprzestrzeni. Solitony odgrywają ważną rolę w układach biologicznych, będąc spokrewnionymi z organizmami żywymi Fałdowanie białek I Morfologia – Rozwój komórek lub narządów.

Unikalne cechy solitonów topologicznych – to, że mogą się poruszać, ale zawsze zachowują swój kształt i nie mogą nagle zniknąć – są szczególnie interesujące w połączeniu z tak zwanymi oddziaływaniami niewzajemnymi. „W takiej interakcji czynnik A oddziałuje z czynnikiem B inaczej niż czynnik B z czynnikiem A” – wyjaśnia Jonas Veenstra, doktorant na Uniwersytecie w Amsterdamie i pierwszy autor nowej publikacji.

„Interakcje niewzajemne są powszechne w społeczeństwach i złożonych układach żywych, ale większość fizyków od dawna je ignorowało, ponieważ mogą istnieć tylko w układzie poza równowagą” – kontynuuje Veenstra. Mamy nadzieję, że wprowadzając do materiałów niewzajemne interakcje, usuniemy granice między materiałami i maszynami i stworzymy żywe lub przypominające realistyczne materiały.

Laboratorium Materiałów Zautomatyzowanych, w którym Veenstra prowadzi badania, specjalizuje się w projektowaniu metamateriały: Sztuczne materiały i systemy robotyczne, które wchodzą w interakcję z otoczeniem w programowalny sposób. Zespół badawczy zdecydował się zbadać wzajemne oddziaływanie między interakcjami niewzajemnymi a izolacją topologiczną prawie dwa lata temu, kiedy studenci Anahita Sarvi i Chris Ventura Minnersen postanowili kontynuować swój projekt badawczy w ramach kursu magisterskiego „Umiejętności akademickie w badaniach”.

Automaty solitonowe i antysolitonowe leżą na granicy lewo- i prawostronnej części łańcucha. Każdy niebieski pręt jest połączony z sąsiadami różowymi gumkami, a pod każdym prętem znajduje się mały silnik, który sprawia, że ​​interakcje między sąsiednimi prętami są niewzajemne. Źródło: Jonas Veenstra/UvA

Soliton porusza się jak domino

Opracowany przez naukowców metamateriał żywicy solitonowej składa się z szeregu obracających się prętów połączonych ze sobą elastycznymi paskami – patrz rysunek poniżej. Każdy pręt jest zamontowany na małym silniku, który przykłada niewielką siłę do pręta, w zależności od jego orientacji względem sąsiadów. Co najważniejsze, przyłożona siła zależy od tego, po której stronie znajduje się sąsiad, dzięki czemu interakcje pomiędzy sąsiednimi prętami są niewzajemne. Na koniec magnesy na prętach przyciągają się do magnesów umieszczonych obok łańcucha, tak że każdy pręt ma dwie preferowane pozycje, obrócone w lewo lub w prawo.

Izolaty znalezione w tym metamateriale to miejsca, w których spotykają się obracające się w lewo i w prawo części łańcucha. Dopełniające się granice pomiędzy sekcjami strun obróconymi w prawo i w lewo nazywane są antysolitonami. Przypomina to załamania w staromodnym zwiniętym przewodzie telefonicznym, gdzie spotykają się odcinki drutu obracające się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Kiedy silniki połączone szeregowo są wyłączone, solitony i przeciwsamotności można ręcznie napędzać w dowolnym kierunku. Jednakże po uruchomieniu silników – a tym samym wzajemnych interakcji – solitony i antysolony automatycznie przesuwają się wzdłuż łańcucha. Obydwa poruszają się w tym samym kierunku, z prędkością określoną przez właściwość braku wzajemności narzuconą przez silniki.

Feenstra: „Wiele badań skupiało się na przemieszczaniu solitonów topologicznych poprzez zastosowanie sił zewnętrznych. W dotychczas badanych systemach stwierdzono, że solitony i antysolity w naturalny sposób poruszają się w przeciwnych kierunkach. Jeśli jednak chcesz kontrolować zachowanie (anty-solitony -solitons) ), możesz popchnąć je w tym samym kierunku. Odkryliśmy, że interakcje niewzajemne właśnie to osiągają. Siły niewzajemne są proporcjonalne do spinu generowanego przez soliton, tak że każdy soliton generuje swój własny siła napędowa.

Ruch solitonów przypomina upadek serii kostek domino, z których każda przewraca następną. Jednak w przeciwieństwie do domina, interakcje niewzajemne sprawiają, że „przewrócenie” może nastąpić tylko w jednym kierunku. Podczas gdy domino może upaść tylko raz, soliton poruszający się wzdłuż metamateriału po prostu tworzy łańcuch, dzięki któremu antysoliton może poruszać się po nim w tym samym kierunku. Innymi słowy, dowolna liczba izolatów i antyizolatów może przejść przez łańcuch bez konieczności „resetowania”.

Kontrola ruchu

Zrozumienie roli napędu niewzajemnego nie tylko pomoże nam lepiej zrozumieć zachowanie solitonów topologicznych w układach żywych, ale może również prowadzić do postępu technologicznego. Mechanizm generujący jednokierunkowe, samonapędzające się solitony ujawniony w tym badaniu można wykorzystać do kontrolowania ruchu różnych typów fal (tzw. sterowanie falami) lub do zapewnienia metamateriałowi podstawowych możliwości przetwarzania informacji, takich jak filtrowanie.

Przyszłe roboty będą mogły również wykorzystywać silosy topologiczne do wykonywania podstawowych funkcji robotycznych, takich jak poruszanie się, sygnalizowanie i wykrywanie otoczenia. Funkcje te nie będą już sterowane z centralnego punktu, ale wyłonią się z sumy aktywnych części robota.

Ogólnie rzecz biorąc, efekt domina solitonów w materiałach syntetycznych, będący obecnie interesującą obserwacją w laboratorium, może wkrótce zacząć odgrywać rolę w różnych gałęziach inżynierii i projektowania.

Odniesienie: „Niewzajemne izolacje topologiczne w aktywnych metamateriałach” Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Minnersen i Corentin Collet, 20 marca 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6