Jak solitoni ohýbají čas, prostor a pravidla

Pokud chodí jako částice a mluví jako částice… pravděpodobně to částice není. Topologický soliton je zvláštní druh vlny nebo dislokace, která se chová jako částice: může se pohybovat, ale nemůže se šířit a mizet, jak byste očekávali například od vlnění na hladině rybníka. V nové studii publikované v PřírodaVědci z Amsterodamské univerzity prokázali neobvyklé chování topologických izolací v robotickém metamateriálu, něco, co by mohlo být v budoucnu použito k řízení pohybu robotů, snímání okolí a komunikace.

Topologické izoláty lze nalézt na mnoha místech a v mnoha různých délkách. Mají například podobu zalomení Telefonní dráty jsou stočené A velké molekuly, jako jsou proteiny. V úplně jiném měřítku A Černá díra Lze jej chápat jako topologický soliton ve struktuře časoprostoru. Solitony hrají důležitou roli v biologických systémech, jsou příbuzné živým organismům Skládání bílkovin A Morfologie – Vývoj buněk nebo orgánů.

Jedinečné vlastnosti topologických solitonů – to, že se mohou pohybovat, ale vždy si zachovávají svůj tvar a nemohou náhle zmizet – jsou zvláště zajímavé v kombinaci s takzvanými nerecipročními interakcemi. „Při takové interakci faktor A interaguje s faktorem B jinak než faktor B interaguje s faktorem A,“ vysvětluje Jonas Veenstra, doktorand na univerzitě v Amsterdamu a první autor nové publikace.

„Nereciproční interakce jsou běžné ve společnosti a komplexních živých systémech, ale většina fyziků je dlouho ignorovala, protože mohou existovat pouze v systému mimo rovnováhu,“ pokračuje Veenstra. Doufáme, že zavedením nerecipročních interakcí do materiálů odstraníme hranice mezi materiály a stroji a vytvoříme živé nebo živé materiály.

Laboratoř automatizovaných materiálů, kde Veenstra provádí svůj výzkum, se specializuje na design metamateriály: Umělé materiály a robotické systémy, které interagují se svým prostředím programovatelným způsobem. Výzkumný tým se rozhodl studovat souhru mezi nerecipročními interakcemi a topologickými izolacemi před téměř dvěma lety, kdy se studenti Anahita Sarvi a Chris Ventura Minnersen rozhodli pokračovat ve svém výzkumném projektu pro magisterský kurz „Academic Skills for Research“.

Soliton se pohybuje jako domino

Solitonový hostitelský metamateriál vyvinutý výzkumníky sestává ze série rotujících tyčí spojených dohromady elastickými pásy – viz obrázek níže. Každá tyč je namontována na malém motoru, který na tyč působí malou silou v závislosti na tom, jak je orientována vůči svým sousedům. A co je nejdůležitější, použitá síla závisí na tom, na které straně je soused, takže interakce mezi sousedními tyčemi jsou nereciproční. Nakonec jsou magnety na tyčích přitahovány k magnetům umístěným vedle řetězu, takže každá tyč má dvě preferované polohy, otočené buď doleva nebo doprava.

Izoláty nalezené v tomto metamateriálu jsou místa, kde se setkávají levá a pravotočivá část řetězce. Doplňkové hranice mezi vpravo a vlevo otočenými sekcemi strun se nazývají antisolitóny. Je to podobné jako zauzlení ve staromódním stočeném telefonním drátu, kde se setkávají části drátu, které se otáčejí ve směru a proti směru hodinových ručiček.

Když jsou motory v sérii vypnuty, solitony a protisamoty mohou být ručně poháněny v libovolném směru. Jakmile se však motory – a tím i vzájemné interakce – spustí – solitony a antisolony automaticky klouzají po řetězu. Oba se pohybují stejným směrem rychlostí určenou nereciprocitou, kterou motory ukládají.

Feenstra: „Mnoho výzkumů se soustředilo na pohyb topologických solitonů aplikací vnějších sil. V dosud studovaných systémech bylo zjištěno, že se solitony a anti-solitoni přirozeně pohybují opačnými směry. Pokud však chcete ovládat chování (anti -solitons) ), možná je budete chtít tlačit stejným směrem. Zjistili jsme, že nereciproční interakce dosahují právě tohoto. Nereciproké síly jsou úměrné rotaci generované solitonem, takže každý soliton generuje svůj vlastní hnací silou.

Pohyb solitonů je jako pád řady dominových kostek, z nichž každé svrhne další. Na rozdíl od domino však nereciproční interakce zajišťují, že „svržení“ může nastat pouze jedním směrem. Zatímco domino může spadnout pouze jednou, soliton pohybující se po metamateriálu jednoduše nastaví řetěz, aby se anti-soliton pohyboval po něm stejným směrem. Jinými slovy, libovolný počet izolátů a antiizolátů se může pohybovat v řetězci, aniž by bylo nutné je „resetovat“.

Kontrola pohybu

Pochopení role nerecipročního pohonu nám nejen pomůže lépe porozumět chování topologických solitonů v živých systémech, ale mohlo by také vést k technologickému pokroku. Mechanismus, který generuje jednosměrné samořídící solitony odhalené v této studii, by mohl být použit k řízení pohybu různých typů vln (známé jako vlnové řízení) nebo k poskytnutí metamateriálu se základní schopností zpracovávat informace, jako je filtrování.

Budoucí roboti by také mohli využívat topologická sila pro základní robotické funkce, jako je pohyb, signalizace a snímání okolí. Tyto funkce již nebudou ovládány z centrálního bodu, ale budou vycházet ze součtu aktivních částí robota.

Celkově lze říci, že dominový efekt solitonů v syntetických materiálech, nyní zajímavé pozorování v laboratoři, může brzy začít hrát roli v různých odvětvích inženýrství a designu.

Odkaz: „Nereciproční topologické solitony v aktivních metamateriálech“ od Jonase Veenstra, Oleksandra Gamayona, Xiaofei Guo, Anahity Sarvi, Chrise Ventury Meinersena a Corentina Colleta, 20. března 2024, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6