Hoe solitonen tijd, ruimte en regels ombuigen

Als het loopt als een deeltje en praat als een deeltje… is het waarschijnlijk geen deeltje. Een topologische soliton is een speciaal soort golf of dislocatie die zich gedraagt ​​als een deeltje: hij kan bewegen, maar kan zich niet verspreiden en verdwijnen zoals je bijvoorbeeld zou verwachten van een rimpeling op het oppervlak van een vijver. Uit een nieuwe studie gepubliceerd in natuurOnderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben het ongebruikelijke gedrag van topologische isolaties in een robotachtig metamateriaal aangetoond, iets dat in de toekomst zou kunnen worden gebruikt om te bepalen hoe robots bewegen, hun omgeving waarnemen en communiceren.

Topologische isolaten zijn op veel plaatsen en op veel verschillende lengteschalen te vinden. Ze nemen bijvoorbeeld de vorm aan van knikken Telefoondraden zijn opgerold En grote moleculen zoals eiwitten. Op een heel andere schaal, A Zwart gat Het kan worden opgevat als een topologische soliton in het weefsel van ruimte-tijd. Solitonen spelen een belangrijke rol in biologische systemen, omdat ze verwant zijn aan levende organismen Eiwit vouwen En Morfologie – Ontwikkeling van cellen of organen.

De unieke kenmerken van topologische solitonen – dat ze kunnen bewegen maar altijd hun vorm behouden en niet plotseling kunnen verdwijnen – zijn vooral interessant in combinatie met zogenaamde niet-wederkerige interacties. “Bij zo’n interactie interageert factor A anders met factor B dan de manier waarop factor B interageert met factor A”, legt Jonas Veenstra uit, promovendus aan de Universiteit van Amsterdam en eerste auteur van de nieuwe publicatie.

“Niet-wederkerige interacties zijn gebruikelijk in de samenleving en in complexe levende systemen, maar worden door de meeste natuurkundigen lange tijd genegeerd omdat ze alleen kunnen bestaan ​​in een systeem dat buiten evenwicht is”, vervolgt Veenstra. Door niet-wederkerige interacties in materialen te introduceren, hopen we de grenzen tussen materialen en machines weg te nemen en levende of levensechte materialen te creëren.

Het Automated Materials Laboratory waar Veenstra zijn onderzoek doet, is gespecialiseerd in ontwerp metamaterialen: Kunstmatige materialen en robotsystemen die op programmeerbare wijze interacteren met hun omgeving. Het onderzoeksteam besloot bijna twee jaar geleden de wisselwerking tussen niet-wederkerige interacties en topologische isolaties te bestuderen, toen studenten Anahita Sarvi en Chris Ventura Minnersen besloten hun onderzoeksproject voort te zetten voor het mastervak ​​“Academic Skills for Research”.

Het soliton- en anti-soliton-robotachtige metamateriaal ligt op de grens tussen de links- en rechts leunende delen van de keten. Elke blauwe staaf is met roze elastiekjes verbonden met zijn buren, en onder elke staaf bevindt zich een kleine motor die ervoor zorgt dat interacties tussen aangrenzende staven niet wederkerig zijn. Credit: Jonas Veenstra/UvA

Soliton beweegt als een dominosteen

Het door de onderzoekers ontwikkelde soliton-gastheer-metamateriaal bestaat uit een reeks roterende staven die met elkaar zijn verbonden door elastische banden – zie onderstaande figuur. Elke stang is gemonteerd op een kleine motor die een kleine kracht op de stang uitoefent, afhankelijk van hoe deze is georiënteerd ten opzichte van zijn buren. Het belangrijkste is dat de uitgeoefende kracht afhangt van aan welke kant de buurman zich bevindt, waardoor de interacties tussen aangrenzende staven niet wederkerig zijn. Ten slotte worden de magneten op de stangen aangetrokken door magneten die naast de ketting zijn geplaatst, zodat elke stang twee voorkeursposities heeft, naar links of naar rechts gedraaid.

De isolaten die in dit metamateriaal worden aangetroffen, zijn de plaatsen waar de links- en rechtsdraaiende delen van de ketting samenkomen. Complementaire grenzen tussen rechts- en linksgeroteerde snaarsecties worden antisolitonen genoemd. Dit is vergelijkbaar met de knikken in ouderwetse opgerolde telefoonkabels, waar gedeelten van de draad die met de klok mee en tegen de klok in draaien, samenkomen.

Wanneer de motoren in serie zijn uitgeschakeld, kunnen de solitonen en tegensolitudes handmatig in elke richting worden aangedreven. Maar zodra de motoren – en dus de onderlinge interacties – in werking worden gesteld, glijden de solitonen en antisolons automatisch langs de keten. Ze bewegen allebei in dezelfde richting, met een snelheid die wordt bepaald door de niet-wederkerigheidseigenschap die door de motoren wordt opgelegd.

Feenstra: “Veel onderzoek heeft zich gericht op het verplaatsen van topologische solitonen door het toepassen van externe krachten. In de tot nu toe onderzochte systemen blijken solitonen en anti-solitonen van nature in tegengestelde richtingen te bewegen. Als je echter het gedrag van (anti-solitonen) wilt controleren, -solitons) ), wil je ze misschien in dezelfde richting duwen. We hebben ontdekt dat niet-wederkerige interacties precies dit bereiken. De niet-wederkerige krachten zijn evenredig met de spin die door de soliton wordt gegenereerd, zodat elke soliton zijn eigen kracht genereert. drijvende kracht.

De beweging van solitonen is als de val van een reeks dominostenen, waarbij de ene de andere omverwerpt. In tegenstelling tot dominostenen zorgen niet-wederkerige interacties er echter voor dat het ‘omvallen’ slechts in één richting kan gebeuren. Hoewel een dominosteen maar één keer kan vallen, zet een soliton die langs het metamateriaal beweegt eenvoudigweg de ketting op zodat de anti-soliton er in dezelfde richting overheen kan bewegen. Met andere woorden: een willekeurig aantal isolaten en anti-isolaten kan zich door de keten verplaatsen zonder dat ze ‘gereset’ hoeven te worden.

Beweging controle

Het begrijpen van de rol van niet-wederzijdse aandrijving zal ons niet alleen helpen het gedrag van topologische solitonen in levende systemen beter te begrijpen, maar kan ook leiden tot technologische vooruitgang. Het mechanisme dat de in deze studie onthulde unidirectionele zelfrijdende solitonen genereert, zou kunnen worden gebruikt om de beweging van verschillende soorten golven te controleren (bekend als golfsturing), of om metamateriaal te voorzien van een basisinformatieverwerkingsvermogen zoals filtering.

Toekomstige robots zouden ook topologische silo's kunnen gebruiken voor basisrobotfuncties zoals beweging, signalering en het waarnemen van hun omgeving. Deze functies worden niet langer vanuit een centraal punt aangestuurd, maar komen voort uit de som van de actieve delen van de robot.

Over het geheel genomen zou het domino-effect van solitonen in synthetische materialen, nu een interessante observatie in het laboratorium, binnenkort een rol kunnen gaan spelen in verschillende takken van techniek en ontwerp.

Referentie: “Niet-reciproke topologische solitonen in actieve metamaterialen” door Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen en Corentin Collet, 20 maart 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6