Топологічні солітони, які є невід’ємною частиною різноманітних природних і технологічних процесів, використовуються через невзаємну взаємодію для інновацій у матеріалознавстві та робототехніці, пропонуючи нові можливості для самохідного пересування та розширеної функціональності. Авторство: SciTechDaily.com
Якщо він ходить, як частинка, і розмовляє, як частинка… можливо, це не частинка. Топологічний солітон — це особливий вид хвилі або дислокації, який поводиться як частинка: він може рухатися, але не може поширюватися та зникати, як можна було б очікувати, наприклад, від брижів на поверхні ставка. У новому дослідженні, опублікованому в природиДослідники з Університету Амстердама продемонстрували незвичайну поведінку топологічної ізоляції в робототехнічному метаматеріалі, який можна буде використовувати в майбутньому для контролю того, як роботи рухаються, відчувають оточення та спілкуються.
Топологічні ізоляти можна знайти в багатьох місцях і на багатьох різних масштабах довжини. Наприклад, вони приймають форму перегинів Телефонні дроти згорнуті І великі молекули, такі як білки. Зовсім в іншому масштабі А Чорна діра Його можна розуміти як топологічний солітон у тканині простору-часу. Солітони відіграють важливу роль у біологічних системах, будучи пов'язаними з живими організмами Згортання білка І Морфологія – Розвиток клітин або органів.
Унікальні особливості топологічних солітонів — те, що вони можуть рухатися, але завжди зберігають свою форму і не можуть раптово зникнути — особливо цікаві в поєднанні з так званими невзаємними взаємодіями. «У такій взаємодії фактор A взаємодіє з фактором B інакше, ніж фактор B взаємодіє з фактором A», — пояснює Джонас Венстра, докторант Амстердамського університету та перший автор нової публікації.
«Невзаємні взаємодії поширені в суспільстві та складних живих системах, але більшість фізиків довгий час ігнорували їх, оскільки вони можуть існувати лише в системі поза рівновагою», — продовжує Венстра. Вводячи невзаємні взаємодії в матеріали, ми сподіваємося усунути межі між матеріалами та машинами та створити живі або схожі на життя матеріали.
Лабораторія автоматизованих матеріалів, де Венстра проводить свої дослідження, спеціалізується на дизайні метаматеріали: Штучні матеріали та роботизовані системи, які взаємодіють із середовищем у програмований спосіб. Дослідницька група вирішила вивчити взаємодію між невзаємними взаємодіями та топологічною ізоляцією майже два роки тому, коли студенти Анахіта Сарві та Кріс Вентура Міннерсен вирішили продовжити дослідницький проект для магістерського курсу «Академічні навички дослідження».
Солітонний і антисолітонний роботизований метаматеріал лежить на межі між лівою та правою частинами ланцюга. Кожен синій стрижень з’єднаний із сусідніми за допомогою рожевих гумових смуг, і під кожним стрижнем є маленький двигун, який робить взаємодію між сусідніми стрижнями невзаємними. Авторство зображення: Йонас Венстра/UvA
Солітон рухається як доміно
Основний метаматеріал солітонів, розроблений дослідниками, складається з серії обертових стрижнів, з’єднаних між собою еластичними смугами – дивіться малюнок нижче. Кожен стрижень встановлений на невеликому двигуні, який прикладає до стрижня невелику силу, залежно від того, як він орієнтований відносно своїх сусідів. Найважливіше те, що прикладена сила залежить від того, з якого боку знаходиться сусід, що робить взаємодію між сусідніми стрижнями невзаємною. Нарешті, магніти на брусках притягуються до магнітів, розташованих поруч із ланцюжком, так що кожен брусок має два бажані положення, обертаючись ліворуч або праворуч.
Ізоляти, виявлені в цьому метаматеріалі, є місцями зустрічі лівої та правої частин ланцюга. Додаткові межі між ділянками струни, повернутими вправо та вліво, називаються антисолітонами. Це схоже на перегини в старомодному спіральному телефонному дроті, де зустрічаються ділянки дроту, які обертаються за годинниковою стрілкою та проти неї.
Коли послідовно вимкнені двигуни, солітони та контр-солітюди можна рухати вручну в будь-якому напрямку. Однак, як тільки двигуни – і, отже, взаємна взаємодія – запускаються, солітони та антисолони автоматично ковзають по ланцюжку. Вони обидва рухаються в одному напрямку зі швидкістю, яка визначається властивістю невзаємності, накладеною двигунами.
Феенстра: “Багато досліджень було зосереджено на переміщенні топологічних солітонів шляхом застосування зовнішніх сил. Було виявлено, що у вивчених системах солітони та антисолітони природним чином рухаються в протилежних напрямках. Однак, якщо ви хочете контролювати поведінку (антисолітони) -солітони) ), ви можете штовхати їх у тому самому напрямку. Ми виявили, що невзаємні взаємодії досягають саме цього. Невзаємні сили пропорційні спіну, створюваному солітоном, так що кожен солітон створює свій власний рушійна сила.
Рух солітонів схожий на падіння серії кісточок доміно, кожна з яких падає іншу. Однак, на відміну від доміно, невзаємні взаємодії гарантують, що «перекидання» може відбуватися лише в одному напрямку. У той час як доміно може впасти лише один раз, солітон, що рухається вздовж метаматеріалу, просто встановлює ланцюжок, щоб антисолітон рухався через нього в тому ж напрямку. Іншими словами, будь-яка кількість ізолятів і антиізолятів може переміщатися по ланцюжку без необхідності «скидання».
Контроль руху
Розуміння ролі невзаємного приводу не тільки допоможе нам краще зрозуміти поведінку топологічних солітонів у живих системах, але також може призвести до технологічного прогресу. Механізм, який генерує односпрямовані самокеровані солітони, виявлений у цьому дослідженні, може бути використаний для керування рухом різних типів хвиль (відомий як керування хвилями) або для забезпечення метаматеріалу базовою здатністю обробки інформації, такою як фільтрація.
Майбутні роботи також можуть використовувати топологічні силоси для основних робототехнічних функцій, таких як рух, сигналізація та відчуття оточення. Ці функції більше не будуть керуватися з центральної точки, а виникатимуть із суми активних частин робота.
Загалом, ефект доміно солітонів у синтетичних матеріалах, який зараз є цікавим спостереженням у лабораторії, незабаром може почати відігравати роль у різних галузях техніки та дизайну.
Довідка: «Невзаємні топологічні солітони в активних метаматеріалах» Йонаса Венстри, Олександра Гамайона, Сяофея Гуо, Анахіти Сарві, Кріса Вентури Мейнерсена та Корентіна Коллета, 20 березня 2024 р., природи.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
