Как солитоните огъват времето, пространството и правилата

Ако ходи като частица и говори като частица… вероятно не е частица. Топологичният солитон е специален вид вълна или дислокация, която се държи като частица: може да се движи, но не може да се разпространи и изчезне, както бихте очаквали, например, от вълни на повърхността на езеро. В ново проучване, публикувано в природаИзследователи от университета в Амстердам демонстрираха необичайното поведение на топологичните изолации в роботизиран метаматериал, нещо, което може да се използва в бъдеще, за да контролира как се движат роботите, усещат заобикалящата ги среда и комуникират.

Топологичните изолати могат да бъдат намерени на много места и в много различни мащаби на дължина. Например, те са под формата на прегъвания Телефонните кабели са навити И големи молекули като протеини. В съвсем различен мащаб А Черна дупка Може да се разбира като топологичен солитон в тъканта на пространство-времето. Солитоните играят важна роля в биологичните системи, тъй като са свързани с живите организми Сгъване на протеини И Морфология – Развитие на клетки или органи.

Уникалните характеристики на топологичните солитони – че те могат да се движат, но винаги запазват формата си и не могат внезапно да изчезнат – са особено интересни, когато се комбинират с така наречените нереципрочни взаимодействия. „При такова взаимодействие фактор А взаимодейства с фактор Б по различен начин от начина, по който фактор Б взаимодейства с фактор А“, обяснява Йонас Веенстра, докторант в университета в Амстердам и първи автор на новата публикация.

„Нереципрочните взаимодействия са често срещани в обществото и сложните живи системи, но отдавна са пренебрегвани от повечето физици, защото могат да съществуват само в система извън равновесие“, продължава Веенстра. Чрез въвеждането на нереципрочни взаимодействия в материалите се надяваме да премахнем границите между материалите и машините и да създадем живи или подобни на реалността материали.

Лабораторията за автоматизирани материали, където Veenstra провежда своите изследвания, е специализирана в дизайна метаматериали: Изкуствени материали и роботизирани системи, които взаимодействат със своята среда по програмируем начин. Изследователският екип реши да проучи взаимодействието между нереципрочните взаимодействия и топологичните изолации преди почти две години, когато студентите Анахита Сарви и Крис Вентура Минерсен решиха да продължат изследователския си проект за магистърския курс „Академични умения за изследване“.

Солитонните и антисолитонните автомати лежат на границата между лявата и дясната част на веригата. Всяка синя пръчка е свързана със съседните си с розови гумени ленти, а под всяка пръчка има малък двигател, който прави взаимодействията между съседните пръчки нереципрочни. Кредит: Jonas Veenstra/UvA

Солитон се движи като домино

Солитонният метаматериал, разработен от изследователите, се състои от поредица от въртящи се пръти, свързани заедно с еластични ленти – вижте фигурата по-долу. Всеки прът е монтиран на малък двигател, който прилага малка сила върху пръта, в зависимост от това как е ориентиран спрямо съседните. Най-важното е, че приложената сила зависи от това от коя страна е съседът, което прави взаимодействията между съседни пръти нереципрочни. И накрая, магнитите на прътите се привличат от магнити, поставени до веригата, така че всеки прът да има две предпочитани позиции, завъртяни наляво или надясно.

Изолатите, намерени в този метаматериал, са местата, където се срещат лявата и дясната въртяща се част на веригата. Допълнителните граници между въртящите се надясно и наляво секции от струни се наричат ​​антисолитони. Това е подобно на прегъванията в старомодния навит телефонен проводник, където се срещат секции от проводник, които се въртят по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка.

Когато двигателите в серия са изключени, солитоните и контра-солитудите могат да се задвижват ръчно във всяка посока. Въпреки това, след като двигателите – и по този начин взаимните взаимодействия – се задействат – солитоните и антисолоните автоматично се плъзгат по веригата. И двамата се движат в една и съща посока със скорост, определена от свойството на нереципрочност, наложено от двигателите.

Feenstra: „Много изследвания са фокусирани върху преместване на топологични солитони чрез прилагане на външни сили. В системите, изследвани досега, е установено, че солитоните и антисолитоните естествено се движат в противоположни посоки. Въпреки това, ако искате да контролирате поведението на (анти -солитони) ), може да искате да ги тласнете в една и съща посока. Открихме, че нереципрочните взаимодействия постигат точно това. Нереципрочните сили са пропорционални на въртенето, генерирано от солитона, така че всеки солитон генерира свой собствен движеща сила.

Движението на солитоните е като падане на поредица от домино, всяко едно събаря следващото. Въпреки това, за разлика от доминото, нереципрочните взаимодействия гарантират, че „преобръщането“ може да се случи само в една посока. Докато доминото може да падне само веднъж, солитон, движещ се по протежение на метаматериала, просто настройва веригата, така че антисолитонът да се движи през него в същата посока. С други думи, произволен брой изолати и антиизолати могат да се движат през веригата, без да е необходимо да бъдат „нулирани“.

Контрол на движенията

Разбирането на ролята на нереципрочното задвижване не само ще ни помогне да разберем по-добре поведението на топологичните солитони в живите системи, но също така може да доведе до технологичен напредък. Механизмът, който генерира еднопосочните самоуправляващи се солитони, разкрити в това изследване, може да се използва за контролиране на движението на различни видове вълни (известни като управление на вълните) или за предоставяне на метаматериал с основна способност за обработка на информация, като филтриране.

Бъдещите роботи могат също да използват топологични силози за основни роботизирани функции като движение, сигнализиране и усещане на заобикалящата ги среда. Тези функции вече няма да се управляват от централна точка, а ще произтичат от сбора на активните части на робота.

Като цяло ефектът на доминото на солитоните в синтетичните материали, който сега е интересно наблюдение в лабораторията, може скоро да започне да играе роля в различни отрасли на инженерството и дизайна.

Справка: „Нереципрочни топологични солитони в активни метаматериали“ от Йонас Виенстра, Александър Гамайон, Сяофей Гуо, Анахита Сарви, Крис Вентура Майнерсен и Корентин Колет, 20 март 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6