Как солитоны изменяют время, пространство и правила

Топологические солитоны, которые являются неотъемлемой частью различных природных и технологических процессов, используются посредством невзаимных взаимодействий для инноваций в материаловедении и робототехнике, предлагая новые возможности для самостоятельного передвижения и расширенные функциональные возможности. Фото: SciTechDaily.com

Если оно ходит как частица и говорит как частица… вероятно, это не частица. Топологический солитон — это особый вид волны или дислокации, которая ведет себя как частица: она может двигаться, но не может распространяться и исчезать, как можно было бы ожидать, например, от ряби на поверхности пруда. В новом исследовании, опубликованном в природаИсследователи из Амстердамского университета продемонстрировали необычное поведение топологической изоляции в роботизированном метаматериале, что в будущем можно будет использовать для контроля над тем, как роботы движутся, ощущают свое окружение и общаются.

Топологические изоляты можно найти во многих местах и ​​на разных масштабах. Например, они принимают форму изломов в Телефонные провода скручены И большие молекулы, такие как белки. Совсем в другом масштабе А. Черная дыра Его можно понимать как топологический солитон в ткани пространства-времени. Солитоны играют важную роль в биологических системах, будучи родственными живым организмам. Складывание белка И Морфология — Развитие клеток или органов.

Уникальные свойства топологических солитонов — то, что они могут двигаться, но всегда сохраняют свою форму и не могут внезапно исчезнуть — особенно интересны в сочетании с так называемыми невзаимными взаимодействиями. «При таком взаимодействии фактор А взаимодействует с фактором B иначе, чем фактор B взаимодействует с фактором A», — объясняет Йонас Винстра, докторант Амстердамского университета и первый автор новой публикации.

«Невзаимные взаимодействия распространены в обществе и сложных живых системах, но долгое время игнорировались большинством физиков, поскольку они могут существовать только в системе вне равновесия», — продолжает Винстра. Вводя в материалы невзаимные взаимодействия, мы надеемся устранить границы между материалами и машинами и создать живые или реалистичные материалы.

Лаборатория автоматизированных материалов, где Винстра проводит свои исследования, специализируется на дизайне. метаматериалы: Искусственные материалы и роботизированные системы, которые программируемо взаимодействуют с окружающей средой. Исследовательская группа решила изучить взаимодействие между невзаимными взаимодействиями и топологической изоляцией почти два года назад, когда студенты Анахита Сарви и Крис Вентура Миннерсен решили продолжить свой исследовательский проект для магистерского курса «Академические навыки для исследований».

Солитонный и антисолитонный роботизированный метаматериал лежит на границе между левым и правым участками цепочки. Каждый синий стержень соединен с соседними розовыми резинками, а под каждым стержнем находится небольшой моторчик, который делает взаимодействие между соседними стержнями невзаимным. Фото: Йонас Винстра/UvA

Солитон движется как домино.

Метаматериал-основа солитона, разработанный исследователями, состоит из серии вращающихся стержней, соединенных между собой упругими лентами – см. рисунок ниже. Каждый стержень установлен на небольшом двигателе, который прилагает к стержню небольшую силу в зависимости от того, как он ориентирован относительно своих соседей. Самое главное, что приложенная сила зависит от того, на какой стороне находится сосед, что делает взаимодействие между соседними стержнями невзаимным. Наконец, магниты на стержнях притягиваются к магнитам, расположенным рядом с цепью, так что каждый стержень имеет два предпочтительных положения: повернут либо влево, либо вправо.

Изоляты, обнаруженные в этом метаматериале, представляют собой места, где встречаются лево- и правовращающиеся части цепи. Дополнительные границы между участками струны, повернутыми вправо и влево, называются антисолитонами. Это похоже на изломы старомодного спирального телефонного провода, где встречаются участки провода, вращающиеся по и против часовой стрелки.

Когда двигатели, включенные последовательно, выключены, солитоны и контрсолюдии можно перемещать вручную в любом направлении. Однако как только двигатели (и, следовательно, взаимное взаимодействие) запускаются, солитоны и антисолоны автоматически скользят по цепи. Оба они движутся в одном направлении со скоростью, определяемой свойством невзаимности, налагаемым двигателями.

Финстра: «Многие исследования были сосредоточены на перемещении топологических солитонов с помощью внешних сил. В изученных до сих пор системах было обнаружено, что солитоны и антисолитоны естественным образом движутся в противоположных направлениях. Однако, если вы хотите контролировать поведение (анти-солитонов), -солитоны)), вы можете захотеть подтолкнуть их в одном направлении. Мы обнаружили, что невзаимные взаимодействия достигают именно этого. Невзаимные силы пропорциональны спину, генерируемому солитоном, так что каждый солитон генерирует свой собственный движущая сила.

Движение солитонов похоже на падение костяшек домино, каждое из которых опрокидывает другое. Однако, в отличие от домино, невзаимные взаимодействия гарантируют, что «опрокидывание» может произойти только в одном направлении. В то время как домино может упасть только один раз, солитон, движущийся по метаматериалу, просто создает цепочку, по которой антисолитон может двигаться поперек нее в том же направлении. Другими словами, любое количество изолятов и антиизолятов может перемещаться по цепочке без необходимости «перезагрузки».

Управления движением

Понимание роли невзаимного движения не только поможет нам лучше понять поведение топологических солитонов в живых системах, но также может привести к технологическому прогрессу. Механизм, который генерирует однонаправленные самодвижущиеся солитоны, выявленный в этом исследовании, может быть использован для управления движением различных типов волн (известный как управление волнами) или для обеспечения метаматериала базовой способностью обработки информации, такой как фильтрация.

Будущие роботы также смогут использовать топологические бункеры для выполнения основных роботизированных функций, таких как движение, передача сигналов и зондирование окружающей среды. Эти функции больше не будут контролироваться из центральной точки, а будут возникать из суммы активных частей робота.

В целом, эффект домино солитонов в синтетических материалах, который сейчас является интересным наблюдением в лаборатории, вскоре может начать играть роль в различных областях техники и дизайна.

Ссылка: «Невзаимные топологические солитоны в активных метаматериалах» Йонаса Винстра, Александра Гамайона, Сяофея Го, Анахиты Сарви, Криса Вентуры Майнерсена и Корентена Колле, 20 марта 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-024-07097-6