Wie Solitonen Zeit, Raum und Regeln verbiegen

Topologische Solitonen, die ein wesentlicher Bestandteil verschiedener natürlicher und technologischer Prozesse sind, werden durch nichtreziproke Wechselwirkungen für Innovationen in der Materialwissenschaft und Robotik genutzt und bieten neue Möglichkeiten für selbstfahrende Fortbewegung und erweiterte Funktionalität. Bildnachweis: SciTechDaily.com

Wenn es wie ein Teilchen läuft und wie ein Teilchen spricht, ist es wahrscheinlich kein Teilchen. Ein topologisches Soliton ist eine besondere Art von Welle oder Versetzung, die sich wie ein Teilchen verhält: Es kann sich bewegen, aber nicht ausbreiten und verschwinden, wie man es beispielsweise von einer Welle auf der Oberfläche eines Teiches erwarten würde. In einer neuen Studie veröffentlicht in NaturForscher der Universität Amsterdam haben das ungewöhnliche Verhalten topologischer Isolationen in einem Roboter-Metamaterial nachgewiesen, das in Zukunft dazu genutzt werden könnte, zu steuern, wie sich Roboter bewegen, ihre Umgebung wahrnehmen und kommunizieren.

Topologische Isolate können an vielen Orten und auf vielen verschiedenen Längenskalen gefunden werden. Sie treten beispielsweise in Form von Knicken auf Telefonkabel sind aufgerollt Und große Moleküle wie Proteine. In einem ganz anderen Maßstab: A schwarzes Loch Es kann als topologisches Soliton im Raum-Zeit-Gefüge verstanden werden. Solitonen spielen in biologischen Systemen eine wichtige Rolle, da sie mit lebenden Organismen verwandt sind Proteinfaltung Und Morphologie – Entwicklung von Zellen oder Organen.

Die einzigartigen Eigenschaften topologischer Solitonen – dass sie sich bewegen können, aber immer ihre Form behalten und nicht plötzlich verschwinden können – sind besonders interessant, wenn sie mit sogenannten nichtreziproken Wechselwirkungen kombiniert werden. „Bei einer solchen Interaktion interagiert Faktor A mit Faktor B anders als Faktor B mit Faktor A“, erklärt Jonas Veenstra, Doktorand an der Universität Amsterdam und Erstautor der neuen Veröffentlichung.

„Nicht-reziproke Wechselwirkungen sind in der Gesellschaft und in komplexen lebenden Systemen weit verbreitet, wurden aber von den meisten Physikern lange Zeit ignoriert, da sie nur in einem System außerhalb des Gleichgewichts existieren können“, fährt Veenstra fort. Durch die Einführung nicht-reziproker Wechselwirkungen in Materialien hoffen wir, die Grenzen zwischen Materialien und Maschinen aufzuheben und lebendige oder naturgetreue Materialien zu schaffen.

Das Automated Materials Laboratory, in dem Veenstra forscht, ist auf Design spezialisiert Metamaterialien: Künstliche Materialien und Robotersysteme, die auf programmierbare Weise mit ihrer Umgebung interagieren. Das Forschungsteam beschloss vor fast zwei Jahren, das Zusammenspiel zwischen nicht-reziproken Interaktionen und topologischen Isolationen zu untersuchen, als die Studenten Anahita Sarvi und Chris Ventura Minnersen beschlossen, ihr Forschungsprojekt für den Masterstudiengang „Academic Skills for Research“ fortzusetzen.

Die Soliton- und Anti-Soliton-Automaten liegen an der Grenze zwischen dem links- und rechtsgerichteten Teil der Kette. Jeder blaue Stab ist mit rosa Gummibändern mit seinen Nachbarn verbunden, und unter jedem Stab befindet sich ein kleiner Motor, der die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Stäben nicht reziprok macht. Bildnachweis: Jonas Veenstra/UvA

Soliton bewegt sich wie ein Domino

Das von den Forschern entwickelte Soliton-Wirtsmetamaterial besteht aus einer Reihe rotierender Stäbe, die durch elastische Bänder miteinander verbunden sind – siehe Abbildung unten. Jeder Stab ist an einem kleinen Motor montiert, der eine kleine Kraft auf den Stab ausübt, je nachdem, wie er relativ zu seinen Nachbarn ausgerichtet ist. Am wichtigsten ist, dass die ausgeübte Kraft davon abhängt, auf welcher Seite sich der Nachbar befindet, sodass die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Stäben nicht reziprok sind. Schließlich werden die Magnete an den Stangen von Magneten angezogen, die neben der Kette angebracht sind, sodass jede Stange zwei bevorzugte Positionen hat, entweder nach links oder nach rechts gedreht.

Die in diesem Metamaterial gefundenen Isolate sind die Stellen, an denen sich die links- und rechtsdrehenden Teile der Kette treffen. Komplementäre Grenzen zwischen rechts- und linksrotierten Stringabschnitten werden Antisolitonen genannt. Dies ähnelt den Knicken in altmodischen Telefonspiralen, bei denen sich im und gegen den Uhrzeigersinn rotierende Drahtabschnitte treffen.

Wenn die in Reihe geschalteten Motoren ausgeschaltet sind, können die Solitonen und Gegensolituden manuell in jede Richtung angetrieben werden. Sobald jedoch die Motoren – und damit die gegenseitigen Wechselwirkungen – ausgelöst werden, gleiten die Solitonen und Antisolons automatisch entlang der Kette. Sie bewegen sich beide in die gleiche Richtung, mit einer Geschwindigkeit, die durch die Nichtreziprozitätseigenschaft der Motoren bestimmt wird.

Feenstra: „Viele Forschungen haben sich auf die Bewegung topologischer Solitonen durch die Anwendung äußerer Kräfte konzentriert. In den bisher untersuchten Systemen wurde festgestellt, dass sich Solitonen und Anti-Solitonen auf natürliche Weise in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Wenn Sie jedoch das Verhalten von (Anti-Solitonen) steuern möchten -Solitonen) ), möchten Sie sie vielleicht in die gleiche Richtung schieben. Wir haben herausgefunden, dass nichtreziproke Wechselwirkungen genau das bewirken. Die nichtreziproken Kräfte sind proportional zum vom Soliton erzeugten Spin, sodass jedes Soliton seinen eigenen erzeugt treibende Kraft.

Die Bewegung von Solitonen ist wie der Fall einer Reihe von Dominosteinen, wobei einer den anderen umwirft. Allerdings sorgen nicht-reziproke Interaktionen, anders als beim Domino, dafür, dass der „Umsturz“ nur in eine Richtung erfolgen kann. Während ein Domino nur einmal fallen kann, richtet ein Soliton, das sich entlang des Metamaterials bewegt, einfach die Kette auf, damit sich das Anti-Soliton in derselben Richtung darüber bewegen kann. Mit anderen Worten: Eine beliebige Anzahl von Isolaten und Anti-Isolaten kann sich durch die Kette bewegen, ohne dass ein „Reset“ erforderlich ist.

Bewegungskontrolle

Das Verständnis der Rolle des nichtreziproken Antriebs wird uns nicht nur dabei helfen, das Verhalten topologischer Solitonen in lebenden Systemen besser zu verstehen, sondern könnte auch zu technologischen Fortschritten führen. Der in dieser Studie enthüllte Mechanismus, der die unidirektionalen selbstfahrenden Solitonen erzeugt, könnte verwendet werden, um die Bewegung verschiedener Arten von Wellen zu steuern (bekannt als Wellenlenkung) oder um Metamaterial mit einer grundlegenden Fähigkeit zur Informationsverarbeitung wie Filterung auszustatten.

Zukünftige Roboter könnten auch topologische Silos für grundlegende Roboterfunktionen wie Bewegung, Signalisierung und Erfassung ihrer Umgebung nutzen. Diese Funktionen werden nicht mehr zentral gesteuert, sondern ergeben sich aus der Summe der aktiven Teile des Roboters.

Insgesamt könnte der Dominoeffekt von Solitonen in synthetischen Materialien, der heute eine interessante Beobachtung im Labor ist, bald in verschiedenen Bereichen der Technik und des Designs eine Rolle spielen.

Referenz: „Non-reciprocal topological isolations in active metamaterials“ von Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Minnersen und Corentin Collet, 20. März 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6