Bagaimana soliton membengkokkan waktu, ruang, dan aturan

Jika ia berjalan seperti sebuah partikel, dan berbicara seperti sebuah partikel… itu mungkin bukan sebuah partikel. Soliton topologi adalah jenis gelombang atau dislokasi khusus yang berperilaku seperti partikel: ia dapat bergerak namun tidak dapat menyebar dan menghilang seperti yang Anda harapkan, misalnya, dari riak di permukaan kolam. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di alamPara peneliti dari Universitas Amsterdam telah mendemonstrasikan perilaku isolasi topologi yang tidak biasa dalam metamaterial robot, sesuatu yang dapat digunakan di masa depan untuk mengontrol cara robot bergerak, merasakan lingkungan sekitar, dan berkomunikasi.

Isolat topologi dapat ditemukan di banyak tempat dan pada berbagai skala panjang yang berbeda. Misalnya, mereka mengambil bentuk kekusutan Kabel telepon melingkar Dan molekul besar seperti protein. Pada skala yang sangat berbeda, A Lubang hitam Ini dapat dipahami sebagai soliton topologi dalam struktur ruang-waktu. Soliton memainkan peran penting dalam sistem biologis, terkait dengan organisme hidup Lipatan protein Dan Morfologi – Perkembangan sel atau organ.

Ciri-ciri unik dari soliton topologi—bahwa mereka dapat bergerak tetapi selalu mempertahankan bentuknya dan tidak dapat menghilang secara tiba-tiba—sangat menarik bila digabungkan dengan apa yang disebut interaksi nontimbal balik. “Dalam interaksi seperti itu, faktor A berinteraksi dengan faktor B secara berbeda dari cara faktor B berinteraksi dengan faktor A,” jelas Jonas Veenstra, mahasiswa doktoral di Universitas Amsterdam dan penulis pertama publikasi baru ini.

“Interaksi non-timbal balik adalah hal yang umum dalam masyarakat dan sistem kehidupan yang kompleks, namun telah lama diabaikan oleh sebagian besar fisikawan karena interaksi tersebut hanya dapat terjadi dalam sistem di luar keseimbangan,” lanjut Veenstra. Dengan memperkenalkan interaksi non-timbal balik ke dalam material, kami berharap dapat menghilangkan batasan antara material dan mesin serta menciptakan material yang hidup atau seperti aslinya.

Laboratorium Material Otomatis tempat Veenstra melakukan penelitiannya berspesialisasi dalam desain bahan meta: Bahan buatan dan sistem robot yang berinteraksi dengan lingkungannya dengan cara yang dapat diprogram. Tim peneliti memutuskan untuk mempelajari interaksi antara interaksi non-timbal balik dan isolasi topologi hampir dua tahun lalu, ketika siswa Anahita Sarvi dan Chris Ventura Minnersen memutuskan untuk melanjutkan proyek penelitian mereka untuk mata kuliah master “Keterampilan Akademik untuk Penelitian”.

Metamaterial robotik soliton dan anti-soliton terletak pada batas antara bagian rantai yang condong ke kiri dan kanan. Setiap batang berwarna biru dihubungkan ke tetangganya dengan karet gelang berwarna merah muda, dan terdapat motor kecil di bawah setiap batang yang membuat interaksi antar batang yang berdekatan tidak bersifat timbal balik. Kredit: Jonas Veenstra/UvA

Soliton bergerak seperti domino

Metamaterial inang soliton yang dikembangkan oleh para peneliti terdiri dari serangkaian batang berputar yang dihubungkan oleh pita elastis – lihat gambar di bawah. Setiap batang dipasang pada motor kecil yang menerapkan gaya kecil pada batang, bergantung pada bagaimana orientasinya relatif terhadap tetangganya. Yang terpenting, gaya yang diberikan bergantung pada sisi mana batang tersebut berada, sehingga interaksi antara batang-batang yang berdekatan tidak bersifat timbal balik. Terakhir, magnet pada batangan tertarik pada magnet yang ditempatkan di sebelah rantai sehingga setiap batang mempunyai dua posisi yang diinginkan, diputar ke kiri atau ke kanan.

Isolat yang ditemukan dalam metamaterial ini adalah tempat bertemunya bagian rantai yang berputar kiri dan kanan. Batas komplementer antara bagian senar yang diputar ke kanan dan ke kiri disebut antisoliton. Hal ini mirip dengan kekusutan pada kabel telepon melingkar kuno, di mana bagian-bagian kabel yang berputar searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam bertemu.

Ketika motor secara seri dimatikan, soliton dan counter-solitude dapat digerakkan secara manual ke segala arah. Namun, begitu motor – dan interaksi timbal balik – dipicu – soliton dan antisolon secara otomatis meluncur di sepanjang rantai. Keduanya bergerak ke arah yang sama, dengan kecepatan yang ditentukan oleh sifat non-timbal balik yang dikenakan oleh motor.

Feenstra: “Banyak penelitian berfokus pada pergerakan soliton topologi dengan menerapkan kekuatan eksternal. Dalam sistem yang dipelajari sejauh ini, soliton dan anti-soliton ditemukan secara alami bergerak ke arah yang berlawanan. Namun, jika Anda ingin mengontrol perilaku (anti-soliton) -soliton) ), Anda mungkin ingin mendorongnya ke arah yang sama. Kami telah menemukan bahwa interaksi non-timbal balik mencapai hal ini. Gaya non-timbal balik sebanding dengan putaran yang dihasilkan oleh soliton, sehingga setiap soliton menghasilkan sendiri penggerak.

Pergerakan soliton ibarat jatuhnya serangkaian kartu domino, yang masing-masing akan menumbangkan yang berikutnya. Namun, tidak seperti domino, interaksi non-timbal balik memastikan bahwa “penggulingan” hanya dapat terjadi dalam satu arah. Meskipun domino hanya bisa jatuh satu kali, soliton yang bergerak di sepanjang metamaterial hanya menyiapkan rantai agar anti-soliton dapat bergerak melintasinya ke arah yang sama. Dengan kata lain, sejumlah isolat dan anti-isolat dapat berpindah melalui rantai tanpa perlu “direset”.

Kontrol gerak

Memahami peran dorongan nonresiprokal tidak hanya akan membantu kita lebih memahami perilaku soliton topologi dalam sistem kehidupan, namun juga dapat mengarah pada kemajuan teknologi. Mekanisme yang menghasilkan soliton self-driving searah yang diungkapkan dalam penelitian ini dapat digunakan untuk mengontrol pergerakan berbagai jenis gelombang (dikenal sebagai wave steering), atau untuk menyediakan metamaterial dengan kemampuan pemrosesan informasi dasar seperti penyaringan.

Robot masa depan juga dapat menggunakan silo topologi untuk fungsi robot dasar seperti pergerakan, pemberian sinyal, dan penginderaan terhadap lingkungan sekitarnya. Fungsi-fungsi ini tidak lagi dikendalikan dari satu titik pusat, tetapi akan muncul dari penjumlahan bagian-bagian aktif robot.

Secara keseluruhan, efek domino soliton pada bahan sintetis, yang kini menjadi pengamatan menarik di laboratorium, akan segera mulai berperan dalam berbagai cabang teknik dan desain.

Referensi: “Soliton topologi nonresiprokal dalam metamaterial aktif” oleh Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen, dan Corentin Collet, 20 Maret 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6