Kā solitoni saliek laiku, telpu un noteikumus

Ja tas staigā kā daļiņa un runā kā daļiņa… tā droši vien nav daļiņa. Topoloģiskais solitons ir īpašs viļņa vai dislokācijas veids, kas uzvedas kā daļiņa: tas var pārvietoties, bet nevar izplatīties un pazust, kā jūs varētu sagaidīt, piemēram, no viļņošanās uz dīķa virsmas. Jaunā pētījumā, kas publicēts dabaPētnieki no Amsterdamas Universitātes ir pierādījuši neparastu topoloģiskās izolācijas uzvedību robotizētā metamateriālā, ko nākotnē varētu izmantot, lai kontrolētu, kā roboti pārvietojas, uztver apkārtējo vidi un sazinās.

Topoloģiskos izolātus var atrast daudzās vietās un dažādos garuma mērogos. Piemēram, tie izpaužas kā saliekšanās Telefona vadi ir saritināti Un lielas molekulas, piemēram, olbaltumvielas. Pilnīgi citā mērogā A Melnais caurums To var saprast kā topoloģisku solitonu telpas-laika audumā. Solitoniem ir svarīga loma bioloģiskajās sistēmās, jo tie ir saistīti ar dzīviem organismiem Olbaltumvielu locīšana Un Morfoloģija – Šūnu vai orgānu attīstība.

Topoloģisko solitonu unikālās iezīmes — tās var kustēties, bet vienmēr saglabāt savu formu un nevar pēkšņi pazust — ir īpaši interesantas, ja tās apvieno ar tā sauktajām nesavstarpējām mijiedarbībām. “Šādā mijiedarbībā faktors A mijiedarbojas ar faktoru B atšķirīgi no tā, kā faktors B mijiedarbojas ar faktoru A,” skaidro Amsterdamas Universitātes doktorants Jonass Vēnstra un jaunās publikācijas pirmais autors.

“Nesavstarpēja mijiedarbība ir izplatīta sabiedrībā un sarežģītās dzīvās sistēmās, taču vairums fiziķu jau sen ir ignorējuši, jo tās var pastāvēt tikai sistēmā ārpus līdzsvara,” turpina Veenstra. Ieviešot materiālos nesavstarpēju mijiedarbību, mēs ceram novērst robežas starp materiāliem un mašīnām un radīt dzīvus vai reālistiskus materiālus.

Automatizēto materiālu laboratorija, kurā Veenstra veic pētījumus, specializējas dizainā metamateriāli: mākslīgie materiāli un robotu sistēmas, kas programmējamā veidā mijiedarbojas ar savu vidi. Pētnieku grupa nolēma izpētīt mijiedarbību starp ne-savstarpēju mijiedarbību un topoloģisko izolāciju gandrīz pirms diviem gadiem, kad studenti Anahita Sarvi un Kriss Ventura Minnersens nolēma turpināt savu pētniecisko projektu maģistra kursam “Academic Skills for Research”.

Soliton un anti-solitona robotu metamateriāls atrodas uz robežas starp ķēdes kreiso un labo pusi. Katrs zilais stienis ir savienots ar saviem kaimiņiem ar rozā gumijas joslām, un zem katra stieņa ir neliels motors, kas padara blakus esošo stieņu mijiedarbību abpusēju. Kredīts: Jonas Veenstra/UvA

Solitons kustas kā domino

Pētnieku izstrādātais solitona saimnieka metamateriāls sastāv no virknes rotējošu stieņu, kas savienoti kopā ar elastīgām joslām – skatīt attēlu zemāk. Katrs stienis ir uzstādīts uz maza motora, kas pieliek stienim nelielu spēku atkarībā no tā, kā tas ir orientēts attiecībā pret kaimiņiem. Vissvarīgākais ir tas, ka pielietotais spēks ir atkarīgs no tā, kurā pusē atrodas kaimiņš, tāpēc mijiedarbība starp blakus esošajiem stieņiem nav abpusēja. Visbeidzot, magnēti uz stieņiem tiek piesaistīti magnētiem, kas novietoti blakus ķēdei, lai katram stienim būtu divas vēlamās pozīcijas, kas pagrieztas vai nu pa kreisi, vai pa labi.

Šajā metamateriālā atrodamie izolāti ir vietas, kur satiekas ķēdes kreisā un labā griežamā daļa. Papildu robežas starp pa labi un pa kreisi pagrieztām stīgu sekcijām sauc par antisolitoniem. Tas ir līdzīgs vecmodīgi satīta telefona vadu izliekumiem, kur saskaras vadu daļas, kas griežas pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam.

Kad virknē esošie motori ir izslēgti, solitonus un pretvientulības var manuāli vadīt jebkurā virzienā. Tomēr, tiklīdz tiek iedarbināti motori un līdz ar to savstarpējā mijiedarbība, solitoni un antisoloni automātiski slīd gar ķēdi. Tie abi pārvietojas vienā virzienā ar ātrumu, ko nosaka motoru uzliktā savstarpējā īpašība.

Fenstra: “Daudzi pētījumi ir vērsti uz topoloģisko solitonu pārvietošanu, pieliekot ārējos spēkus. Līdz šim pētītajās sistēmās ir konstatēts, ka solitoni un antisolitoni dabiski pārvietojas pretējos virzienos. Tomēr, ja vēlaties kontrolēt (anti) -solitons) ), iespējams, vēlēsities tos virzīt vienā virzienā. Mēs esam atklājuši, ka ar savstarpēju mijiedarbību tiek panākts tieši tas. Ne-savstarpēji spēki ir proporcionāli solitona radītajam spinam tā, ka katrs solitons rada savu dzinējspēks.

Solitonu kustība ir kā domino kauliņu sērijas krišana, katrs gāž otru. Tomēr atšķirībā no domino kauliņiem neabpusēja mijiedarbība nodrošina, ka “gāze” var notikt tikai vienā virzienā. Lai gan domino var nokrist tikai vienu reizi, solitons, kas pārvietojas gar metamateriālu, vienkārši izveido ķēdi, lai anti-solitons varētu pārvietoties pa to tajā pašā virzienā. Citiem vārdiem sakot, jebkurš izolātu un antiizolātu skaits var pārvietoties pa ķēdi bez nepieciešamības tos “atiestatīt”.

Kustību vadība

Izpratne par abpusējās piedziņas lomu ne tikai palīdzēs mums labāk izprast topoloģisko solitonu uzvedību dzīvās sistēmās, bet arī var novest pie tehnoloģiskā progresa. Mehānismu, kas ģenerē šajā pētījumā atklātos vienvirziena pašpiedziņas solitonus, varētu izmantot, lai kontrolētu dažāda veida viļņu kustību (pazīstams kā viļņu vadīšana), vai lai nodrošinātu metamateriālu ar pamata informācijas apstrādes spēju, piemēram, filtrēšanu.

Nākotnes roboti varētu izmantot arī topoloģiskos silosus, lai veiktu tādas pamata funkcijas kā kustība, signalizācija un apkārtnes uztveršana. Šīs funkcijas vairs netiks vadītas no centrālā punkta, bet tās parādīsies no robota aktīvo daļu summas.

Kopumā solitonu domino efekts sintētiskos materiālos, kas tagad ir interesants novērojums laboratorijā, drīzumā var sākt spēlēt lomu dažādās inženierzinātņu un dizaina nozarēs.

Atsauce: Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen un Corentin Collet, “Nesavstarpēji topoloģiskie solitoni aktīvos metamateriālos”, 2024. gada 20. marts, daba.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6