Solitonlar zamanı, mekanı ve kuralları nasıl büküyor?

Parçacık gibi yürüyor ve parçacık gibi konuşuyorsa muhtemelen parçacık değildir. Topolojik soliton, parçacık gibi davranan özel bir dalga veya dislokasyon türüdür: hareket edebilir ancak örneğin bir göletin yüzeyindeki bir dalgalanmadan beklediğiniz gibi yayılıp kaybolamaz. Yayınlanan yeni bir çalışmada doğaAmsterdam Üniversitesi'nden araştırmacılar, gelecekte robotların nasıl hareket ettiğini, çevrelerini nasıl algıladığını ve iletişim kurduğunu kontrol etmek için kullanılabilecek bir robotik meta materyaldeki topolojik izolasyonların olağandışı davranışını gösterdi.

Topolojik izolatlar birçok yerde ve birçok farklı uzunluk ölçeğinde bulunabilir. Örneğin, bükülme şeklini alırlar Telefon kabloları kıvrılmış Ve proteinler gibi büyük moleküller. Tamamen farklı bir ölçekte, A Kara delik Uzay-zaman dokusundaki topolojik bir soliton olarak anlaşılabilir. Solitonlar canlı organizmalarla akraba olduklarından biyolojik sistemlerde önemli bir rol oynarlar. Protein katlanması Ve Morfoloji – Hücrelerin veya organların gelişimi.

Topolojik solitonların benzersiz özellikleri (hareket edebilmeleri ancak her zaman şekillerini korumaları ve aniden yok olamamaları), karşılıklı olmayan etkileşimler olarak adlandırılan etkileşimlerle birleştirildiğinde özellikle ilginçtir. Amsterdam Üniversitesi'nde doktora öğrencisi ve yeni yayının ilk yazarı Jonas Veenstra, “Böyle bir etkileşimde, faktör A, faktör B ile, faktör B'nin faktör A ile etkileşiminden farklı şekilde etkileşime giriyor” diye açıklıyor.

Veenstra şöyle devam ediyor: “Karşılıksız etkileşimler toplumda ve karmaşık yaşam sistemlerinde yaygındır, ancak çoğu fizikçi tarafından uzun süredir göz ardı edilmiştir çünkü bunlar yalnızca denge dışındaki bir sistemde var olabilir.” Karşılıklı olmayan etkileşimleri malzemelere dahil ederek, malzemeler ve makineler arasındaki sınırları kaldırmayı ve canlı veya gerçeğe yakın malzemeler yaratmayı umuyoruz.

Veenstra'nın araştırmalarını yürüttüğü Otomatik Malzeme Laboratuvarı tasarım konusunda uzmanlaşmıştır metamalzemeler: Çevresiyle programlanabilir şekilde etkileşime giren yapay malzemeler ve robotik sistemler. Araştırma ekibi, yaklaşık iki yıl önce, öğrenciler Anahita Sarvi ve Chris Ventura Minnersen'in yüksek lisans dersi olan “Araştırma için Akademik Beceriler” için araştırma projelerini sürdürmeye karar vermeleriyle, karşılıklı olmayan etkileşimler ve topolojik izolasyonlar arasındaki etkileşimi incelemeye karar verdi.

Soliton ve anti-soliton robotik meta malzemesi, zincirin sol ve sağa eğimli bölümleri arasındaki sınırda yer alır. Her bir mavi çubuk, komşularına pembe lastik bantlarla bağlanmıştır ve her çubuğun altında, bitişik çubuklar arasındaki etkileşimi karşılıklı olmayan şekilde sağlayan küçük bir motor bulunmaktadır. Kredi bilgileri: Jonas Veenstra/UvA

Soliton domino taşı gibi hareket ediyor

Araştırmacılar tarafından geliştirilen soliton konakçı meta malzemesi, elastik bantlarla birbirine bağlanan bir dizi dönen çubuktan oluşuyor; aşağıdaki şekle bakın. Her çubuk, komşularına göre nasıl yönlendirildiğine bağlı olarak çubuğa küçük bir kuvvet uygulayan küçük bir motor üzerine monte edilir. En önemlisi, uygulanan kuvvet komşunun hangi tarafta olduğuna bağlıdır, bu da bitişik çubuklar arasındaki etkileşimleri karşılıklı olmayan hale getirir. Son olarak, çubukların üzerindeki mıknatıslar, zincirin yanına yerleştirilen mıknatıslara çekilir, böylece her çubuk, sola veya sağa döndürülmüş iki tercihli konuma sahip olur.

Bu meta materyalde bulunan izolatlar, zincirin sol ve sağ dönen kısımlarının buluştuğu yerlerdir. Sağa ve sola dönen sicim bölümleri arasındaki tamamlayıcı sınırlara antisolitonlar denir. Bu, saat yönünde ve saat yönünün tersine dönen tel bölümlerinin buluştuğu eski moda sarmal telefon kablosundaki bükülmelere benzer.

Seri bağlı motorlar kapatıldığında, yalnızlıklar ve ters yalnızlıklar herhangi bir yönde manuel olarak çalıştırılabilir. Ancak motorlar ve dolayısıyla karşılıklı etkileşimler tetiklendiğinde solitonlar ve antisolonlar otomatik olarak zincir boyunca kayar. Her ikisi de, motorların dayattığı karşılıklı olmama özelliğinin belirlediği bir hızda, aynı yönde hareket eder.

Feenstra: “Birçok araştırma, topolojik solitonları dış kuvvetler uygulayarak hareket ettirmeye odaklandı. Şu ana kadar incelenen sistemlerde, solitonların ve anti-solitonların doğal olarak zıt yönlerde hareket ettiği bulundu. Bununla birlikte, (anti-solitonların) davranışını kontrol etmek istiyorsanız -solitons) ), onları aynı yöne itmek isteyebilirsiniz. Karşılıklı olmayan etkileşimlerin tam da bunu başardığını keşfettik. Karşılıklı olmayan kuvvetler soliton tarafından üretilen dönüşle orantılıdır, öyle ki her soliton kendi kendisini üretir itici güç.

Solitonların hareketi, her biri diğerini deviren bir dizi domino taşının düşmesine benzer. Ancak dominolardan farklı olarak karşılıklı olmayan etkileşimler, “devrilmenin” yalnızca tek yönde gerçekleşmesini sağlar. Bir domino taşı yalnızca bir kez düşebilirken, metamateryal boyunca hareket eden bir soliton, anti-solitonun aynı yönde hareket etmesi için zinciri oluşturur. Başka bir deyişle, herhangi bir sayıda izolat ve anti-izolat, “sıfırlanmaya” gerek kalmadan zincir boyunca hareket edebilir.

Hareket kontrolü

Karşılıksız dürtünün rolünü anlamak, yalnızca canlı sistemlerdeki topolojik solitonların davranışını daha iyi anlamamıza yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda teknolojik ilerlemelere de yol açabilecektir. Bu çalışmada ortaya çıkarılan tek yönlü, kendi kendine hareket eden solitonları üreten mekanizma, farklı türdeki dalgaların hareketini kontrol etmek (dalga yönlendirmesi olarak bilinir) veya meta malzemeye filtreleme gibi temel bir bilgi işleme yeteneği sağlamak için kullanılabilir.

Geleceğin robotları topolojik siloları hareket, sinyal verme ve çevrelerini algılama gibi temel robotik işlevler için de kullanabilir. Bu işlevler artık merkezi bir noktadan kontrol edilmeyecek, robotun aktif parçalarının toplamından ortaya çıkacak.

Genel olarak, solitonların sentetik malzemelerdeki domino etkisi, şu anda laboratuvarda ilginç bir gözlem, yakında mühendislik ve tasarımın çeşitli dallarında bir rol oynamaya başlayabilir.

Referans: Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen ve Corentin Collet tarafından yazılan “Aktif meta materyallerde olmayan karşılıklı topolojik solitonlar”, 20 Mart 2024, doğa.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6