Jei jis vaikšto kaip dalelė ir kalba kaip dalelė… tikriausiai tai nėra dalelė. Topologinis solitonas yra ypatinga banga arba dislokacija, kuri elgiasi kaip dalelė: ji gali judėti, bet negali išsiskleisti ir išnykti, kaip galima tikėtis, pavyzdžiui, nuo tvenkinio paviršiaus bangavimo. Naujame tyrime, paskelbtame m gamtaAmsterdamo universiteto mokslininkai įrodė neįprastą topologinės izoliacijos elgseną robotinėje metamedžiagoje, kuri ateityje galėtų būti panaudota kontroliuojant, kaip robotai juda, jaučia aplinką ir bendrauja.

Topologinių izoliatų galima rasti daugelyje vietų ir įvairiose ilgio skalėse. Pavyzdžiui, jie yra susisukę Telefono laidai suvynioti Ir didelės molekulės, tokios kaip baltymai. Visiškai kitu mastu A Juodoji skylė Jis gali būti suprantamas kaip topologinis solitonas erdvės-laiko audinyje. Solitonai atlieka svarbų vaidmenį biologinėse sistemose, nes yra susiję su gyvais organizmais Baltymų lankstymas Ir Morfologija – Ląstelių arba organų vystymasis.

Unikalios topologinių solitonų savybės – kad jie gali judėti, bet visada išlaikyti savo formą ir negali staiga išnykti – yra ypač įdomūs, kai derinami su vadinamosiomis neabipusėmis sąveikomis. „Tokioje sąveikoje faktorius A sąveikauja su faktoriumi B kitaip nei B faktorius sąveikauja su faktoriumi A“, – aiškina Jonas Veenstra, Amsterdamo universiteto doktorantas ir pirmasis naujojo leidinio autorius.

„Neabipusė sąveika yra įprasta visuomenėje ir sudėtingose ​​gyvosiose sistemose, tačiau dauguma fizikų ilgą laiką jos nepaisė, nes jos gali egzistuoti tik sistemoje, esančioje už pusiausvyros ribų“, – tęsia Veenstra. Įvesdami neabipusę medžiagų sąveiką, tikimės panaikinti ribas tarp medžiagų ir mašinų ir sukurti gyvas ar gyvas medžiagas.

Automatizuotų medžiagų laboratorija, kurioje Veenstra atlieka savo tyrimus, specializuojasi dizaino srityje metamedžiagos: dirbtinės medžiagos ir robotų sistemos, kurios programuojamu būdu sąveikauja su aplinka. Neabipusės sąveikos ir topologinės izoliacijos sąveiką tyrėjų komanda nusprendė ištirti beveik prieš dvejus metus, kai studentai Anahita Sarvi ir Chris Ventura Minnersen nusprendė tęsti magistrantūros kurso „Academic Skills for Research“ tyrimo projektą.

Soliton ir anti-soliton robotų metamedžiaga yra ant ribos tarp kairiosios ir dešiniosios grandinės dalių. Kiekvienas mėlynas strypas yra sujungtas su savo kaimynais rožinėmis guminėmis juostomis, o po kiekvienu strypu yra mažas variklis, dėl kurio gretimų strypų sąveika nėra abipusė. Kreditas: Jonas Veenstra/UvA

Solitonas juda kaip domino

Tyrėjų sukurta solitoninė metamedžiaga susideda iš besisukančių strypų, sujungtų elastinėmis juostomis, serijos (žr. paveikslėlį žemiau). Kiekvienas strypas yra sumontuotas ant mažo variklio, kuris veikia nedidelę jėgą strypui, priklausomai nuo to, kaip jis yra orientuotas, palyginti su kaimynais. Svarbiausia, kad taikoma jėga priklauso nuo to, kurioje pusėje yra kaimynas, todėl gretimų strypų sąveika nėra abipusė. Galiausiai ant strypų esantys magnetai pritraukiami prie magnetų, esančių šalia grandinės, todėl kiekviena juosta turi dvi pageidaujamas padėtis, pasuktas į kairę arba į dešinę.

Šioje metamedžiagoje rasti izoliatai yra vietos, kur susitinka kairėje ir dešinėje besisukančios grandinės dalys. Papildomos ribos tarp į dešinę ir į kairę pasuktų stygų sekcijų vadinamos antisolitonais. Tai panašu į senamadiško suvynioto telefono laido vingius, kur susijungia laido dalys, besisukančios pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę.

Kai varikliai nuosekliai išjungiami, solitonus ir priešpriešinius vienišius galima rankiniu būdu valdyti bet kuria kryptimi. Tačiau suaktyvėjus varikliui – taigi ir abipusei sąveikai – solitonai ir antisolonai automatiškai slysta išilgai grandinės. Abu jie juda ta pačia kryptimi, greičiu, kurį lemia variklių neatitikimo savybė.

Feenstra: „Daugelis tyrimų buvo nukreipti į topologinių solitonų judėjimą taikant išorines jėgas. Iki šiol tirtose sistemose buvo nustatyta, kad solitonai ir antisolitonai natūraliai juda priešingomis kryptimis. Tačiau jei norite kontroliuoti (anti) elgesį -solitonai) ), galbūt norėsite jas stumti ta pačia kryptimi. Mes išsiaiškinome, kad neabipusė sąveika pasiekia būtent tai. Neabipusės jėgos yra proporcingos solitono generuojamam sukimuisi, todėl kiekvienas solitonas sukuria savo varomoji jėga.

Solitonų judėjimas yra tarsi domino kaulelių serijos kritimas, kiekvienas apverčiant kitą. Tačiau, skirtingai nei domino, ne abipusė sąveika užtikrina, kad „nuvertimas“ gali įvykti tik viena kryptimi. Nors domino gali nukristi tik vieną kartą, metamedžiaga judantis solitonas tiesiog sukuria grandinę, kad antisolitonas galėtų judėti per ją ta pačia kryptimi. Kitaip tariant, bet koks izoliatų ir antiizoliatų skaičius gali judėti grandinėje, nereikia jų „nustatyti iš naujo“.

Judesio kontrolė

Neabipusės pavaros vaidmens supratimas ne tik padės mums geriau suprasti topologinių solitonų elgesį gyvose sistemose, bet ir gali paskatinti technologinę pažangą. Šiame tyrime atskleistas mechanizmas, generuojantis vienakrypčius savarankiškai važiuojančius solitonus, gali būti naudojamas skirtingų tipų bangų judėjimui valdyti (vadinamas bangų valdymu) arba metamedžiagai suteikti pagrindinį informacijos apdorojimo gebėjimą, pvz., filtravimą.

Ateities robotai taip pat galėtų naudoti topologinius silosus pagrindinėms robotų funkcijoms, tokioms kaip judėjimas, signalizavimas ir aplinkos jutimas. Šios funkcijos nebebus valdomos iš centrinio taško, o atsiras iš roboto aktyvių dalių sumos.

Apskritai solitonų domino efektas sintetinėse medžiagose, kuris dabar yra įdomus stebėjimas laboratorijoje, netrukus gali pradėti vaidinti svarbų vaidmenį įvairiose inžinerijos ir dizaino srityse.

Nuoroda: „Neabipusiai topologiniai solitonai aktyviose metamedžiagose“, autorius Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen ir Corentin Collet, 2024 m. kovo 20 d. gamta.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6