Jeśli chodzi jak cząstka i mówi jak cząstka… to nadal może nie być cząstką. Topologiczny soliton to specjalny rodzaj fali lub dyslokacji, który zachowuje się jak cząstka: może się poruszać, ale nie może się rozprzestrzeniać i znikać, jak można by się spodziewać po, powiedzmy, zmarszczce na powierzchni stawu. W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature naukowcy z Uniwersytetu w Amsterdamie wykazują nietypowe zachowanie topologicznych solitonów w robotycznym metamateriale, co w przyszłości może zostać wykorzystane do kontrolowania sposobu poruszania się robotów, wyczuwania otoczenia i komunikowania się.
Solitony topologiczne można znaleźć w wielu miejscach i w wielu różnych skalach długości. Na przykład przyjmują postać zagiętych, zwiniętych przewodów telefonicznych i dużych cząsteczek, takich jak białka. W zupełnie innej skali czarną dziurę można rozumieć jako topologiczny soliton w strukturze czasoprzestrzeni. Solitony odgrywają ważną rolę w układach biologicznych, będąc istotnymi dla fałdowania białek i morfogenezy – rozwoju komórek lub narządów.
Unikalne cechy solitonów topologicznych – to, że mogą się poruszać, ale zawsze zachowują swój kształt i nie mogą nagle zniknąć – są szczególnie interesujące w połączeniu z tak zwanymi oddziaływaniami niewzajemnymi. „W takiej interakcji agent A reaguje na agenta B inaczej niż agent B na agenta A” – wyjaśnia Jonas Veenstra, doktorant na Uniwersytecie w Amsterdamie i pierwszy autor nowej publikacji.
Veenstra kontynuuje: „Oddziaływania niewzajemne są powszechne w społeczeństwie i złożonych układach żywych, ale od dawna są pomijane przez większość fizyków, ponieważ mogą istnieć tylko w układzie pozbawionym równowagi. Mamy nadzieję, że wprowadzając niewzajemne interakcje do materiałów, zacieramy granicę pomiędzy materiałami i maszynami oraz do tworzenia ożywionych lub realistycznych materiałów.”
Laboratorium Materiałów Maszynowych, w którym Veenstra prowadzi badania, specjalizuje się w projektowaniu metamateriałów: materiałów sztucznych i systemów robotycznych, które wchodzą w interakcję z otoczeniem w programowalny sposób. Zespół badawczy postanowił zbadać wzajemne oddziaływanie między interakcjami niewzajemnymi a solitonami topologicznymi prawie dwa lata temu, kiedy ówcześni studenci Anahita Sarvi i Chris Ventura Meinersen postanowili kontynuować swój projekt badawczy w ramach kursu magisterskiego „Umiejętności akademickie w badaniach”.
Solitony poruszają się jak domino
Opracowany przez naukowców metamateriał zawierający soliton składa się z łańcucha obracających się prętów połączonych ze sobą elastycznymi paskami. Każdy pręt jest zamontowany na małym silniku, który przykłada niewielką siłę do pręta, w zależności od tego, jak jest on zorientowany względem sąsiadów. Co ważne, przyłożona siła zależy od tego, po której stronie znajduje się sąsiad, dzięki czemu interakcje między sąsiednimi prętami są niewzajemne. Wreszcie magnesy na prętach przyciągają magnesy umieszczone obok łańcuszka w taki sposób, że każdy pręt ma dwie preferowane pozycje, obrócone w lewo lub w prawo.
Solitony w tym metamateriale to miejsca, w których spotykają się sekcje łańcucha obrócone w lewo i w prawo. Komplementarne granice pomiędzy sekcjami łańcucha obróconymi w prawo i w lewo są wówczas tak zwanymi „antysolitonami”. Jest to analogiczne do załamań w staromodnym zwiniętym kablu telefonicznym, gdzie spotykają się części przewodu obracające się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
Kiedy silniki w łańcuchu są wyłączone, solitony i antysolitony można ręcznie przesuwać w dowolnym kierunku. Jednakże, gdy silniki – a co za tym idzie wzajemne oddziaływanie – zostaną włączone, solitony i antysolitony automatycznie przesuwają się wzdłuż łańcucha. Obydwa poruszają się w tym samym kierunku, z prędkością ustaloną przez wzajemność narzuconą przez silniki.
Veenstra: „Wiele badań skupiało się na przemieszczaniu solitonów topologicznych poprzez zastosowanie sił zewnętrznych. W dotychczas badanych systemach stwierdzono, że solitony i antysolity w naturalny sposób przemieszczają się w przeciwnych kierunkach. Jeśli jednak chcesz kontrolować zachowanie (anty-solitony -)solitony, możesz chcieć skierować je w tym samym kierunku.Odkryliśmy, że interakcje niewzajemne osiągają dokładnie to.Siły niewzajemne są proporcjonalne do obrotu spowodowanego przez soliton, tak że każdy soliton generuje własną siłę napędową .”
Ruch solitonów jest podobny do spadającego łańcucha domina, z którego każde przewraca sąsiada. Jednak w przeciwieństwie do domina, interakcje niewzajemne sprawiają, że „przewrócenie” może nastąpić tylko w jednym kierunku. I chociaż domino może upaść tylko raz, soliton poruszający się wzdłuż metamateriału po prostu tworzy łańcuch, aby antysoliton mógł się przez niego poruszać w tym samym kierunku. Innymi słowy, dowolna liczba naprzemiennych solitonów i antysolitonów może poruszać się w łańcuchu bez konieczności „resetowania”.
Kontrola ruchu
Zrozumienie roli kierowania niewzajemnego nie tylko pomoże nam lepiej zrozumieć zachowanie solitonów topologicznych w układach żywych, ale może również prowadzić do postępu technologicznego. Odkryty w tym badaniu mechanizm generujący samonapędzające się, jednokierunkowe solitony można wykorzystać do kontrolowania ruchu różnych typów fal (tzw. falowodu) lub do wyposażenia metamateriału w podstawowe możliwości przetwarzania informacji, takie jak filtrowanie. .
Przyszłe roboty będą mogły również wykorzystywać solitony topologiczne do wykonywania podstawowych funkcji robotycznych, takich jak poruszanie się, wysyłanie sygnałów i wykrywanie otoczenia. Funkcjonalności te nie byłyby wówczas kontrolowane z centralnego punktu, ale raczej wyłaniały się z sumy aktywnych części robota.
Podsumowując, efekt domina solitonów w metamateriałach, będący obecnie interesującą obserwacją w laboratorium, może wkrótce zacząć odgrywać rolę w różnych gałęziach inżynierii i projektowania.