Како солитони савијају време, простор и правила

Ако хода као честица и говори као честица… вероватно није честица. Тополошки солитон је посебна врста таласа или дислокације која се понаша као честица: може да се креће, али не може да се рашири и нестане као што бисте очекивали, на пример, од таласа на површини језера. У новој студији објављеној у природаИстраживачи са Универзитета у Амстердаму демонстрирали су необично понашање тополошких изолација у роботском метаматеријалу, нешто што би се могло користити у будућности да контролише како се роботи крећу, осећају околину и комуницирају.

Тополошки изолати се могу наћи на многим местима и на много различитих скала дужине. На пример, имају облик прегиба Телефонске жице су намотане И велике молекуле као што су протеини. У сасвим другачијим размерама, А Црна рупа Може се схватити као тополошки солитон у ткању простор-времена. Солитони играју важну улогу у биолошким системима, будући да су повезани са живим организмима Протеин фолдинг И Морфологија – Развој ћелија или органа.

Јединствене карактеристике тополошких солитона – да могу да се померају, али увек задржавају свој облик и да не могу изненада нестати – посебно су занимљиве када се комбинују са такозваним нереципрочним интеракцијама. „У таквој интеракцији, фактор А ступа у интеракцију са фактором Б другачије од начина на који фактор Б реагује са фактором А“, објашњава Јонас Веенстра, докторант на Универзитету у Амстердаму и први аутор нове публикације.

„Нереципрочне интеракције су уобичајене у друштву и сложеним живим системима, али их већина физичара дуго игнорише јер могу постојати само у систему ван равнотеже“, наставља Веенстра. Увођењем нереципрочних интеракција у материјале, надамо се да ћемо уклонити границе између материјала и машина и створити живе или реалистичне материјале.

Лабораторија за аутоматизоване материјале у којој Веенстра спроводи своја истраживања специјализована је за дизајн метаматеријали: Вештачки материјали и роботски системи који комуницирају са својим окружењем на програмибилан начин. Истраживачки тим је одлучио да проучава интеракцију између нереципрочних интеракција и тополошких изолација пре скоро две године, када су студенти Анахита Сарви и Крис Вентура Минерсен одлучили да наставе свој истраживачки пројекат за мастер курс „Академске вештине за истраживање”.

Солитон и антисолитон роботски метаматеријал лежи на граници између лево и десно нагнутих делова ланца. Сваки плави штап је повезан са својим суседима ружичастим гуменим тракама, а испод сваке шипке се налази мали мотор који чини интеракције између суседних шипки нереципрочним. Заслуге: Јонас Веенстра/УвА

Солитон се креће као домино

Метаматеријал домаћина солитона који су развили истраживачи састоји се од серије ротирајућих шипки повезаних еластичним тракама – погледајте слику испод. Сваки штап је монтиран на мали мотор који примењује малу силу на шипку, у зависности од тога како је оријентисан у односу на своје суседе. Што је најважније, примењена сила зависи од тога на којој страни је сусед, чинећи интеракције између суседних шипки нереципрочним. Коначно, магнети на шипкама се привлаче магнетима постављеним поред ланца, тако да свака шипка има две жељене позиције, ротиране или улево или удесно.

Изолати који се налазе у овом метаматеријалу су места на којима се сусрећу леви и десни део ланца који се окреће. Комплементарне границе између десно и лево ротираних делова жице називају се антисолитони. Ово је слично прегибима у старомодној намотаној телефонској жици, где се састају делови жице који се ротирају у смеру казаљке на сату и супротно.

Када су мотори у серији искључени, солитони и контра-солитуде се могу ручно покретати у било ком смеру. Међутим, када се мотори – а тиме и међусобне интеракције – активирају – солитони и антисолони аутоматски клизе дуж ланца. Обоје се крећу у истом правцу, брзином одређеном својством нереципроцитета које намећу мотори.

хттпс://ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=ик1иТ6а3ЕКК

Феенстра: „Много истраживања се фокусирало на померање тополошких солитона применом спољних сила. У системима који су до сада проучавани, откривено је да се солитони и антисолитони природно крећу у супротним смеровима. Међутим, ако желите да контролишете понашање (анти -солитони) ), можда ћете желети да их гурнете у истом смеру. Открили смо да нереципрочне интеракције постижу управо ово. Нереципрочне силе су пропорционалне спину који генерише солитон, тако да сваки солитон генерише своју покретачка снага.

Кретање солитона је попут пада низа домина, од којих свака руши следећу. Међутим, за разлику од домина, не-реципрочне интеракције осигуравају да се „оборење“ може догодити само у једном правцу. Док домино може пасти само једном, солитон који се креће дуж метаматеријала једноставно поставља ланац да се антисолитон креће преко њега у истом правцу. Другим речима, било који број изолата и антиизолата може да се креће кроз ланац без потребе за „ресетовањем“.

Контрола покрета

Разумевање улоге нереципрочног погона не само да ће нам помоћи да боље разумемо понашање тополошких солитона у живим системима, већ би могло да доведе и до технолошког напретка. Механизам који генерише једносмерне самовозеће солитоне откривен у овој студији могао би да се користи за контролу кретања различитих типова таласа (познато као управљање таласима) или да обезбеди метаматеријалу основну способност обраде информација као што је филтрирање.

Будући роботи би такође могли да користе тополошке силосе за основне роботске функције као што су кретање, сигнализација и откривање околине. Ове функције се више неће контролисати из централне тачке, већ ће произаћи из збира активних делова робота.

Све у свему, домино ефекат солитона у синтетичким материјалима, који је сада занимљиво посматрање у лабораторији, ускоро би могао почети да игра улогу у различитим гранама инжењерства и дизајна.

Референца: „Нереципрочни тополошки солитони у активним метаматеријалима“ Јонас Веенстра, Олександр Гамаион, Ксиаофеи Гуо, Анахита Сарви, Цхрис Вентура Меинерсен и Цорентин Цоллет, 20. март 2024. природа.
дои: 10.1038/с41586-024-07097-6