Топологические солитоны, неотъемлемая часть различных природных и технологических процессов, используются посредством невзаимных взаимодействий для инноваций в материаловедении и робототехнике, предлагая новые возможности для самодвижения и расширенные функциональные возможности. Фото: SciTechDaily.com
Если оно ходит как частица и говорит как частица… возможно, оно всё равно не является частицей. Топологический солитон — это особый тип волны или дислокации, который ведет себя как частица: он может двигаться, но не может распространяться и исчезать, как можно было бы ожидать, скажем, от ряби на поверхности пруда. В новом исследовании, опубликованном в ПриродаИсследователи из Амстердамского университета демонстрируют нетипичное поведение топологических солитонов в роботизированном метаматериале, что в будущем может быть использовано для управления движением роботов, восприятием окружающей среды и общением.
Топологические солитоны можно найти во многих местах и на разных масштабах длины. Например, они принимают форму изломов в спиральные телефонные шнуры и большие молекулы, такие как белки. В совсем другом масштабе, черная дыра можно понимать как топологический солитон в ткани пространства-времени. Солитоны играют важную роль в биологических системах, имея отношение к сворачивание белка и морфогенез – развитие клеток или органов.
Уникальные особенности топологических солитонов – то, что они могут перемещаться, но всегда сохраняют свою форму и не могут внезапно исчезнуть – особенно интересны в сочетании с так называемыми невзаимными взаимодействиями. «При таком взаимодействии агент А реагирует на агента Б иначе, чем агент Б реагирует на агента А», — объясняет Йонас Винстра, аспирант Амстердамского университета и первый автор новой публикации.
Винстра продолжает: «Невзаимные взаимодействия являются обычным явлением в обществе и сложных живых системах, но долгое время упускались из виду большинством физиков, поскольку они могут существовать только в системе, находящейся в состоянии равновесия. Вводя невзаимные взаимодействия в материалах, мы надеемся стереть границу между материалами и машинами и создать одушевленные или реалистичные материалы».
Лаборатория машинных материалов, где Винстра проводит свои исследования, специализируется на проектировании. метаматериалы: искусственные материалы и роботизированные системы, которые программируемо взаимодействуют с окружающей средой. Исследовательская группа решила изучить взаимодействие между невзаимными взаимодействиями и топологическими солитонами почти два года назад, когда тогдашние студенты Анахита Сарви и Крис Вентура Майнерсен решили продолжить свой исследовательский проект для магистерского курса «Академические навыки для исследований».
Роботизированный метаматериал с солитоном и антисолитоном, лежащими на границах между левым и правым участками цепи. Каждый синий стержень соединен с соседними розовыми резинками, а небольшой моторчик под каждым стержнем делает взаимодействие между соседними стержнями невзаимным. Фото: Йонас Винстра / UVA
Солитоны движутся как домино
Метаматериал, содержащий солитоны, разработанный исследователями, состоит из цепочки вращающихся стержней, которые связаны друг с другом 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. Важно отметить, что приложенная сила зависит от того, на какой стороне находится сосед, что делает взаимодействие между соседними стержнями невзаимным. Наконец, магниты на стержнях притягиваются магнитами, расположенными рядом с цепью таким образом, что каждый стержень имеет два предпочтительных положения: повернут либо влево, либо вправо.
Солитоны в этом метаматериале — это места, где встречаются части цепи, повернутые влево и вправо. Дополнительные границы между участками цепи, повернутыми вправо и влево, представляют собой так называемые «антисолитоны». Это аналогично перегибам старомодного спирального телефонного шнура, где встречаются участки шнура, вращающиеся по часовой стрелке и против часовой стрелки.
Когда двигатели в цепи выключены, солитоны и антисолитоны можно вручную перемещать в любом направлении. Однако как только двигатели – и, следовательно, взаимное взаимодействие – включаются, солитоны и антисолитоны автоматически скользят по цепи. Они оба движутся в одном направлении, со скоростью, заданной противодействием взаимности, налагаемым двигателями.
Винстра: «Многие исследования были сосредоточены на перемещении топологических солитонов с помощью внешних сил. Было обнаружено, что в изученных до сих пор системах солитоны и антисолитоны естественным образом движутся в противоположных направлениях. Однако, если вы хотите управлять поведением (анти)солитонов, возможно, вам захочется направить их в одном направлении. Мы обнаружили, что невзаимные взаимодействия достигают именно этого. Невзаимные силы пропорциональны вращению, вызванному солитоном, так что каждый солитон генерирует свою собственную движущую силу».
Движение солитонов похоже на падение цепочки домино, каждое из которых опрокидывает соседа. Однако, в отличие от домино, невзаимные взаимодействия гарантируют, что «опрокидывание» может произойти только в одном направлении. И хотя домино может упасть только один раз, движущийся по метаматериалу солитон просто создает цепочку, по которой антисолитон может двигаться по ней в том же направлении. Другими словами, любое количество чередующихся солитонов и антисолитонов 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 самодвижущиеся однонаправленные солитоны, обнаруженный в этом исследовании, может использоваться для управления движением различных типов волн (известный как волноводство) или для наделения метаматериала базовыми возможностями обработки информации, такими как фильтрация. .
Будущие роботы также смогут использовать топологические солитоны для основных роботизированных функций, таких как движение, отправка сигналов и зондирование своего окружения. Тогда эти функции не будут контролироваться из центральной точки, а скорее возникнут из суммы активных частей робота.
В общем, эффект домино солитонов в метаматериалах, 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 Венстра, Александра Гамаюна, Сяофея Го, Анахиты Сарви, Криса Вентуры Майнерсена и Корентена Куле, 20 марта 2024 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-024-07097-6