Πώς τα σολιτόνια λυγίζουν τον χρόνο, τον χώρο και τους κανόνες

Αν περπατά σαν σωματίδιο και μιλάει σαν σωματίδιο… μάλλον δεν είναι σωματίδιο. Το τοπολογικό σολιτόνιο είναι ένα ειδικό είδος κύματος ή εξάρθρωσης που συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο: μπορεί να κινηθεί αλλά δεν μπορεί να εξαπλωθεί και να εξαφανιστεί όπως θα περίμενε κανείς, για παράδειγμα, από έναν κυματισμό στην επιφάνεια μιας λίμνης. Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο φύσηΕρευνητές από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ απέδειξαν την ασυνήθιστη συμπεριφορά των τοπολογικών απομονώσεων σε ένα ρομποτικό μεταϋλικό, κάτι που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον για τον έλεγχο του τρόπου με τον οποίο τα ρομπότ κινούνται, αισθάνονται το περιβάλλον τους και επικοινωνούν.

Τοπολογικές απομονώσεις μπορούν να βρεθούν σε πολλά σημεία και σε πολλές διαφορετικές κλίμακες μήκους. Για παράδειγμα, παίρνουν τη μορφή συστροφών Τα τηλεφωνικά καλώδια είναι κουλουριασμένα Και μεγάλα μόρια όπως οι πρωτεΐνες. Σε εντελώς διαφορετική κλίμακα, ο Α Μαύρη τρύπα Μπορεί να γίνει κατανοητό ως τοπολογικό σολιτόνιο στον ιστό του χωροχρόνου. Τα σολίτονα παίζουν σημαντικό ρόλο στα βιολογικά συστήματα, καθώς σχετίζονται με ζωντανούς οργανισμούς Αναδίπλωση πρωτεΐνης Και Μορφολογία – Ανάπτυξη κυττάρων ή οργάνων.

Τα μοναδικά χαρακτηριστικά των τοπολογικών σολιτονίων – ότι μπορούν να κινούνται αλλά διατηρούν πάντα το σχήμα τους και δεν μπορούν να εξαφανιστούν ξαφνικά – είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα όταν συνδυάζονται με τις λεγόμενες μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις. «Σε μια τέτοια αλληλεπίδραση, ο παράγοντας Α αλληλεπιδρά με τον παράγοντα Β διαφορετικά από τον τρόπο που ο παράγοντας Β αλληλεπιδρά με τον παράγοντα Α», εξηγεί ο Jonas Veenstra, διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και πρώτος συγγραφέας της νέας δημοσίευσης.

«Οι μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις είναι κοινές στην κοινωνία και στα πολύπλοκα ζωντανά συστήματα, αλλά έχουν αγνοηθεί από καιρό από τους περισσότερους φυσικούς επειδή μπορούν να υπάρχουν μόνο σε ένα σύστημα εκτός ισορροπίας», συνεχίζει ο Veenstra. Με την εισαγωγή μη αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων στα υλικά, ελπίζουμε να καταργήσουμε τα όρια μεταξύ υλικών και μηχανών και να δημιουργήσουμε ζωντανά ή ρεαλιστικά υλικά.

Το Εργαστήριο Αυτοματοποιημένων Υλικών όπου ο Veenstra διεξάγει την έρευνά του ειδικεύεται στο σχεδιασμό μεταϋλικά: Τεχνητά υλικά και ρομποτικά συστήματα που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους με προγραμματιζόμενο τρόπο. Η ερευνητική ομάδα αποφάσισε να μελετήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ μη αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων και τοπολογικών απομονώσεων σχεδόν πριν από δύο χρόνια, όταν οι μαθητές Anahita Sarvi και Chris Ventura Minnersen αποφάσισαν να συνεχίσουν το ερευνητικό τους έργο για το μεταπτυχιακό πρόγραμμα «Academic Skills for Research».

Το ρομποτικό μεταϋλικό σολιτονίου και αντι-σολιτονίου βρίσκεται στο όριο μεταξύ των τμημάτων της αλυσίδας που κλίνουν προς τα αριστερά και τα δεξιά. Κάθε μπλε ράβδος συνδέεται με τους γείτονές της με ροζ λάστιχα και υπάρχει ένας μικρός κινητήρας κάτω από κάθε ράβδο που κάνει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών ράβδων μη αμοιβαία. Πίστωση: Jonas Veenstra/UvA

Ο Σόλιτον κινείται σαν ντόμινο

Το μεταϋλικό ξενιστή σολιτονίου που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές αποτελείται από μια σειρά περιστρεφόμενων ράβδων συνδεδεμένων μεταξύ τους με ελαστικές ταινίες – βλέπε εικόνα παρακάτω. Κάθε ράβδος είναι τοποθετημένη σε ένα μικρό μοτέρ που ασκεί μια μικρή δύναμη στη ράβδο, ανάλογα με τον προσανατολισμό της σε σχέση με τους γείτονές της. Το πιο σημαντικό, η εφαρμοζόμενη δύναμη εξαρτάται από την πλευρά στην οποία βρίσκεται ο γείτονας, καθιστώντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών ράβδων μη αμοιβαίες. Τέλος, οι μαγνήτες στις ράβδους έλκονται από μαγνήτες που τοποθετούνται δίπλα στην αλυσίδα έτσι ώστε κάθε ράβδος να έχει δύο προτιμώμενες θέσεις, περιστρεφόμενες είτε προς τα αριστερά είτε προς τα δεξιά.

Οι απομονώσεις που βρίσκονται σε αυτό το μεταϋλικό είναι οι θέσεις όπου συναντώνται τα μέρη της αλυσίδας που περιστρέφονται αριστερά και δεξιά. Τα συμπληρωματικά όρια μεταξύ τμημάτων χορδής που περιστρέφονται δεξιά και αριστερά ονομάζονται αντισολίτονα. Αυτό είναι παρόμοιο με τις στροφές στο παλιομοδίτικο κουλουριασμένο τηλεφωνικό καλώδιο, όπου συναντώνται τμήματα καλωδίων που περιστρέφονται δεξιόστροφα και αριστερόστροφα.

Όταν οι κινητήρες σε σειρά είναι απενεργοποιημένοι, τα σολιτόνια και οι αντίθετες μονώσεις μπορούν να οδηγηθούν χειροκίνητα προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Ωστόσο, μόλις ενεργοποιηθούν οι κινητήρες – και επομένως οι αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις – τα σολιτόνια και τα αντισολόνια γλιστρούν αυτόματα κατά μήκος της αλυσίδας. Και οι δύο κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση, με ταχύτητα που καθορίζεται από την ιδιότητα μη αμοιβαιότητας που επιβάλλουν οι κινητήρες.

Feenstra: “Πολλή έρευνα έχει επικεντρωθεί σε κινούμενες τοπολογικές σολίτονες με την εφαρμογή εξωτερικών δυνάμεων. Στα συστήματα που μελετήθηκαν μέχρι στιγμής, τα σολιτόνια και τα αντι-σολιτόνα έχουν βρεθεί ότι κινούνται φυσικά προς αντίθετες κατευθύνσεις. Ωστόσο, εάν θέλετε να ελέγξετε τη συμπεριφορά του (αντι -solitons) ), μπορεί να θέλετε να τα ωθήσετε προς την ίδια κατεύθυνση. Ανακαλύψαμε ότι οι μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις επιτυγχάνουν ακριβώς αυτό. Οι μη αμοιβαίες δυνάμεις είναι ανάλογες με το σπιν που δημιουργείται από το soliton, έτσι ώστε κάθε σολιτόνιο δημιουργεί το δικό του κινητήρια δύναμη.

Η κίνηση των σολιτόνων μοιάζει με την πτώση μιας σειράς ντόμινο, που το καθένα ανατρέπει το επόμενο. Ωστόσο, σε αντίθεση με το ντόμινο, οι μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις διασφαλίζουν ότι η «ανατροπή» μπορεί να συμβεί μόνο προς μία κατεύθυνση. Ενώ ένα ντόμινο μπορεί να πέσει μόνο μία φορά, ένα σολιτόνιο που κινείται κατά μήκος του μεταϋλικού απλώς στήνει την αλυσίδα για το αντι-σολίτονο να κινείται κατά μήκος του προς την ίδια κατεύθυνση. Με άλλα λόγια, οποιοσδήποτε αριθμός προϊόντων απομόνωσης και αντι-απομονώσεων μπορεί να μετακινηθεί μέσω της αλυσίδας χωρίς να χρειάζεται «επαναφορά».

Ελεγχος κίνησης

Η κατανόηση του ρόλου της μη αμοιβαίας οδήγησης όχι μόνο θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τη συμπεριφορά των τοπολογικών σολιτονίων σε ζωντανά συστήματα, αλλά θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε τεχνολογικές προόδους. Ο μηχανισμός που δημιουργεί τα μονόδρομα αυτοοδηγούμενα σολίτονα που αποκαλύφθηκαν σε αυτή τη μελέτη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της κίνησης διαφορετικών τύπων κυμάτων (γνωστά ως wave steering) ή για την παροχή μεταϋλικού με μια βασική ικανότητα επεξεργασίας πληροφοριών όπως το φιλτράρισμα.

Τα μελλοντικά ρομπότ θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιούν τοπολογικά σιλό για βασικές ρομποτικές λειτουργίες όπως η κίνηση, η σηματοδότηση και η αίσθηση του περιβάλλοντός τους. Αυτές οι λειτουργίες δεν θα ελέγχονται πλέον από ένα κεντρικό σημείο, αλλά θα προκύπτουν από το άθροισμα των ενεργών μερών του ρομπότ.

Συνολικά, το φαινόμενο ντόμινο των σολιτονίων σε συνθετικά υλικά, τώρα μια ενδιαφέρουσα παρατήρηση στο εργαστήριο, μπορεί σύντομα να αρχίσει να παίζει ρόλο σε διάφορους κλάδους της μηχανικής και του σχεδιασμού.

Αναφορά: «Μη αμοιβαία τοπολογικές απομονώσεις σε ενεργά μεταϋλικά» από τους Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Minnersen και Corentin Collet, 20 Μαρτίου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6