Ak chodí ako častica a rozpráva ako častica… pravdepodobne to nie je častica. Topologický solitón je špeciálny druh vlny alebo dislokácie, ktorá sa správa ako častica: môže sa pohybovať, ale nemôže sa rozprestierať a miznúť, ako by ste očakávali napríklad od vlnky na hladine jazierka. V novej štúdii publikovanej v prírodyVýskumníci z Amsterdamskej univerzity demonštrovali nezvyčajné správanie topologických izolácií v robotickom metamateriáli, niečo, čo by sa mohlo v budúcnosti použiť na riadenie pohybu robotov, vnímanie okolia a komunikáciu.

Topologické izoláty možno nájsť na mnohých miestach a v mnohých rôznych dĺžkach. Napríklad majú podobu zalomenia Telefónne vodiče sú zvinuté A veľké molekuly, ako sú bielkoviny. V úplne inom meradle A Čierna diera Možno ho chápať ako topologický solitón v štruktúre časopriestoru. Solitóny hrajú dôležitú úlohu v biologických systémoch, súvisia so živými organizmami Skladanie bielkovín A Morfológia – Vývoj buniek alebo orgánov.

Jedinečné vlastnosti topologických solitónov – to, že sa môžu pohybovať, ale vždy si zachovávajú svoj tvar a nemôžu náhle zmiznúť – sú obzvlášť zaujímavé v kombinácii s takzvanými nerecipročnými interakciami. „Pri takejto interakcii faktor A interaguje s faktorom B inak ako faktor B interaguje s faktorom A,“ vysvetľuje Jonas Veenstra, doktorand na Amsterdamskej univerzite a prvý autor novej publikácie.

„Nerecipročné interakcie sú bežné v spoločnosti a zložitých živých systémoch, ale väčšina fyzikov ich dlho ignoruje, pretože môžu existovať iba v systéme mimo rovnováhy,“ pokračuje Veenstra. Dúfame, že zavedením nerecipročných interakcií do materiálov odstránime hranice medzi materiálmi a strojmi a vytvoríme živé alebo živé materiály.

Laboratórium automatizovaných materiálov, kde Veenstra vykonáva svoj výskum, sa špecializuje na dizajn metamateriály: Umelé materiály a robotické systémy, ktoré interagujú so svojím prostredím programovateľným spôsobom. Výskumný tím sa rozhodol študovať súhru medzi nerecipročnými interakciami a topologickými izoláciami pred takmer dvoma rokmi, keď sa študenti Anahita Sarvi a Chris Ventura Minnersen rozhodli pokračovať vo svojom výskumnom projekte pre magisterský kurz „Akademické zručnosti pre výskum“.

Robotický metamateriál soliton a anti-soliton leží na hranici medzi ľavou a pravou časťou reťaze. Každá modrá tyč je spojená so svojimi susedmi ružovými gumičkami a pod každou tyčou je malý motor, vďaka ktorému sú interakcie medzi susednými tyčami nerecipročné. Poďakovanie: Jonas Veenstra/UvA

Soliton sa pohybuje ako domino

Hostiteľský metamateriál soliton vyvinutý výskumníkmi pozostáva zo série rotujúcich tyčí spojených elastickými pásikmi – pozri obrázok nižšie. Každá tyč je namontovaná na malom motore, ktorý na tyč pôsobí malou silou v závislosti od toho, ako je orientovaná voči svojim susedom. Najdôležitejšie je, že aplikovaná sila závisí od toho, na ktorej strane je sused, takže interakcie medzi susednými tyčami sú nerecipročné. Nakoniec sú magnety na tyčiach priťahované k magnetom umiestneným vedľa reťaze tak, že každá tyč má dve preferované polohy, otočené buď doľava alebo doprava.

Izoláty nachádzajúce sa v tomto metamateriáli sú miesta, kde sa stretávajú ľavo- a pravotočivá časť reťazca. Doplnkové hranice medzi pravo- a ľavo-otočenými sekciami strún sa nazývajú antisolitóny. Je to podobné ako zauzlenia v staromódnom stočenom telefónnom drôte, kde sa stretávajú časti drôtu, ktoré sa otáčajú v smere a proti smeru hodinových ručičiek.

Keď sú motory v sérii vypnuté, solitony a protisamoty môžu byť ručne poháňané v ľubovoľnom smere. Akonáhle sa však motory – a teda vzájomné interakcie – spustia – solitóny a antisolóny sa automaticky posúvajú po reťazi. Obidva sa pohybujú rovnakým smerom rýchlosťou určenou nereciprocitou uloženou motormi.

Feenstra: „Veľa výskumu sa zameralo na pohyb topologických solitónov pôsobením vonkajších síl. V doteraz skúmaných systémoch sa zistilo, že solitony a antisolitóny sa prirodzene pohybujú opačným smerom. Ak však chcete ovládať správanie (anti -solitons) ), možno ich budete chcieť posunúť rovnakým smerom. Zistili sme, že nerecipročné interakcie dosahujú práve toto. Nerecipročné sily sú úmerné rotácii generovanej solitonom, takže každý soliton generuje svoj vlastný hnacia sila.

Pohyb solitonov je ako pád série domino, z ktorých každá zvrhne druhú. Na rozdiel od domino však nerecipročné interakcie zaisťujú, že „prevrhnutie“ môže nastať iba jedným smerom. Zatiaľ čo domino môže padnúť len raz, solitón pohybujúci sa po metamateriáli jednoducho nastaví reťaz, aby sa antisolitón pohyboval po ňom rovnakým smerom. Inými slovami, v reťazci sa môže pohybovať ľubovoľný počet izolátov a antiizolátov bez toho, aby ich bolo potrebné „resetovať“.

Ovládanie pohybu

Pochopenie úlohy nerecipročného pohonu nám nielen pomôže lepšie pochopiť správanie topologických solitónov v živých systémoch, ale môže viesť aj k technologickému pokroku. Mechanizmus, ktorý generuje jednosmerné samojazdiace solitóny odhalené v tejto štúdii, by sa mohol použiť na riadenie pohybu rôznych typov vĺn (známych ako riadenie vĺn) alebo na poskytnutie metamateriálu so základnou schopnosťou spracovania informácií, ako je filtrovanie.

Budúce roboty by tiež mohli využívať topologické silá na základné robotické funkcie, ako je pohyb, signalizácia a snímanie okolia. Tieto funkcie už nebudú ovládané z centrálneho bodu, ale budú vychádzať zo súčtu aktívnych častí robota.

Celkovo možno povedať, že dominový efekt solitónov v syntetických materiáloch, ktorý je teraz zaujímavým pozorovaním v laboratóriu, môže čoskoro začať hrať úlohu v rôznych odvetviach inžinierstva a dizajnu.

Odkaz: „Nerecipročné topologické solitony v aktívnych metamateriáloch“ od Jonasa Veenstra, Oleksandra Gamayona, Xiaofei Guo, Anahity Sarvi, Chrisa Venturu Meinersena a Corentina Colleta, 20. marca 2024, prírody.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6