Hogyan hajlítják meg a szolitonok az időt, a teret és a szabályokat

Ha úgy jár, mint egy részecske, és úgy beszél, mint egy részecske… valószínűleg nem részecske. A topológiai szoliton egy speciális hullám vagy diszlokáció, amely úgy viselkedik, mint egy részecske: mozoghat, de nem tud szétterülni és eltűnni, ahogyan azt például egy tó felszínén lévő hullámosságtól várnánk. Egy új tanulmányban, amelyet ben publikáltak természetAz Amszterdami Egyetem kutatói kimutatták a topológiai izolációk szokatlan viselkedését egy robot metaanyagban, ami a jövőben felhasználható a robotok mozgásának, környezetük érzékelésének és kommunikációjának szabályozására.

A topológiai izolátumok sok helyen és sokféle hosszúságú skálán találhatók. Például becsavarodás formájában jelentkeznek A telefonvezetékek feltekerednek És nagy molekulák, például fehérjék. Teljesen más léptékben A Fekete lyuk Felfogható topológiai szolitonként a téridő szövetében. A szolitonok fontos szerepet játszanak a biológiai rendszerekben, mivel rokonok az élő szervezetekkel Fehérje hajtogatás És Morfológia – Sejtek vagy szervek fejlődése.

A topológiai szolitonok egyedi jellemzői – hogy mozoghatnak, de mindig megtartják alakjukat, és nem tűnhetnek el hirtelen – különösen érdekesek, ha úgynevezett nem kölcsönös kölcsönhatásokkal kombinálják. „Egy ilyen kölcsönhatásban az A faktor a B faktorral másképp lép kölcsönhatásba, mint ahogy a B faktor kölcsönhatásba lép az A faktorral” – magyarázza Jonas Veenstra, az Amszterdami Egyetem doktorandusza és az új kiadvány első szerzője.

„A nem kölcsönös kölcsönhatások gyakoriak a társadalomban és az összetett élő rendszerekben, de a legtöbb fizikus régóta figyelmen kívül hagyta őket, mert csak egyensúlyon kívüli rendszerben létezhetnek” – folytatja Veenstra. Azáltal, hogy nem kölcsönös kölcsönhatásokat vezetünk be az anyagokba, azt reméljük, hogy megszüntetjük az anyagok és a gépek közötti határokat, és élő vagy élethű anyagokat hozunk létre.

Az Automatizált Anyaglaboratórium, ahol Veenstra kutatásait végzi, a tervezésre specializálódott metaanyagok: Mesterséges anyagok és robotrendszerek, amelyek programozható módon kölcsönhatásba lépnek a környezetükkel. A kutatócsoport csaknem két éve döntött úgy, hogy tanulmányozza a nem kölcsönös kölcsönhatások és a topológiai izolációk közötti kölcsönhatást, amikor Anahita Sarvi és Chris Ventura Minnersen hallgatók úgy döntöttek, hogy folytatják kutatási projektjüket az „Akadémiai készségek a kutatáshoz” mesterkurzusban.

A szoliton és az antiszoliton robot metaanyag a lánc balra és jobbra dőlő szakaszai közötti határon fekszik. Mindegyik kék rúd rózsaszín gumiszalaggal van összekötve a szomszédaival, és mindegyik rúd alatt van egy kis motor, amely a szomszédos rudak közötti kölcsönhatásokat nem kölcsönössé teszi. Köszönetnyilvánítás: Jonas Veenstra/UvA

Soliton dominóként mozog

A kutatók által kifejlesztett szoliton befogadó metaanyag egy sor forgó rúdból áll, amelyeket rugalmas szalagok kapcsolnak össze – lásd az alábbi ábrát. Mindegyik rúd egy kis motorra van felszerelve, amely kis erőt fejt ki a rúdra, attól függően, hogy a szomszédokhoz képest hogyan van elhelyezve. A legfontosabb, hogy az alkalmazott erő attól függ, hogy a szomszéd melyik oldalon van, így a szomszédos rudak közötti kölcsönhatások nem kölcsönösek. Végül a rudakon lévő mágneseket a lánc mellett elhelyezett mágnesek vonzzák, így minden rúdnak két előnyös pozíciója van, vagy balra vagy jobbra forgatva.

Az ebben a metaanyagban található izolátumok azok a helyek, ahol a lánc bal és jobb oldali forgó része találkozik. A jobbra és balra elforgatott húrszakaszok komplementer határait antiszolitonoknak nevezzük. Ez hasonló a régimódi tekercses telefonvezeték megtöréseihez, ahol az óramutató járásával megegyezően és ellentétes irányban forgó vezetékszakaszok találkoznak.

A soros motorok kikapcsolásakor a szolitonok és az ellenmagányok manuálisan tetszőleges irányba hajthatók. Ha azonban a motorok – és így a kölcsönös kölcsönhatások – beindulnak, a szolitonok és az antiszolonok automatikusan végigcsúsznak a láncon. Mindkettő ugyanabba az irányba mozog, olyan sebességgel, amelyet a motorok által támasztott nem kölcsönösségi tulajdonság határoz meg.

Feenstra: „Sok kutatás a topológiai szolitonok külső erők alkalmazásával történő mozgatására irányult. Az eddig vizsgált rendszerekben azt találták, hogy a szolitonok és az antiszolitonok természetesen ellentétes irányba mozognak. Ha azonban szabályozni akarja az (antiszolitonok) viselkedését -szolitonok) ), érdemes ugyanabba az irányba tolni őket. Felfedeztük, hogy a nem kölcsönös kölcsönhatások éppen ezt érik el. A nem-reciprok erők arányosak a szoliton által generált spinnel, így minden szoliton generálja a sajátját. hajtóerő.

A szolitonok mozgása olyan, mint egy sor dominó leesése, mindegyik felborítja a másikat. A dominókkal ellentétben azonban a nem kölcsönös kölcsönhatások biztosítják, hogy a „felborulás” csak egy irányba történhessen. Míg egy dominó csak egyszer eshet le, a metaanyag mentén mozgó szoliton egyszerűen felállítja a láncot, hogy az antiszoliton ugyanabba az irányba mozogjon. Más szavakkal, tetszőleges számú izolátum és antiizolátum mozoghat a láncon anélkül, hogy „reset” kellene.

Mozgásvezérlés

A nem kölcsönös hajtás szerepének megértése nemcsak abban segít, hogy jobban megértsük a topológiai szolitonok viselkedését az élő rendszerekben, hanem technológiai fejlődéshez is vezethet. Az ebben a tanulmányban feltárt egyirányú önvezető szolitonokat létrehozó mechanizmus felhasználható különböző típusú hullámok mozgásának szabályozására (hullámkormányzásként), vagy olyan alapvető információfeldolgozási képességgel rendelkező metaanyag biztosítására, mint a szűrés.

A jövőbeli robotok topológiai silókat is használhatnak olyan alapvető robotfunkciókhoz, mint a mozgás, a jelzések és a környezet érzékelése. Ezeket a funkciókat már nem egy központi pontról irányítják, hanem a robot aktív részeinek összegéből fognak kirajzolódni.

Összességében elmondható, hogy a szolitonok dominóeffektusa szintetikus anyagokban, amely most egy érdekes megfigyelés a laboratóriumban, hamarosan szerepet játszhat a mérnöki és tervezési ágak különböző ágaiban.

Hivatkozás: „Nem kölcsönös topológiai szolitonok aktív metaanyagokban”, Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen és Corentin Collet, 2024. március 20. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6