En endeløs dominoeffekt:Ikke-gensidige topologiske solitoner i aktive metamaterialer

Solitons bevæger sig som dominobrikker

Det soliton-hosting-metamateriale, som forskerne har udviklet, består af en kæde af roterende stænger, der er forbundet med hinanden ved hjælp af elastiske bånd. Hver stang er monteret på en lille motor, som påfører stangen en lille kraft, afhængig af hvordan den er orienteret i forhold til naboerne.

Det er vigtigt, at den påførte kraft afhænger af, hvilken side naboen er på, hvilket gør interaktionerne mellem nabostængerne ikke-gensidige. Endelig tiltrækkes magneter på stængerne af magneter placeret ved siden af ​​kæden på en sådan måde, at hver stang har to foretrukne positioner, roteret enten til venstre eller højre.

Solitoner i dette metamateriale er de steder, hvor venstre- og højreroterede dele af kæden mødes. De komplementære grænser mellem højre- og venstredrejede kædesektioner er så såkaldte 'anti-solitoner'. Dette er analogt med knæk i en gammeldags oprullet telefonledning, hvor med uret og mod uret roterende dele af ledningen mødes.

Når motorerne i kæden er slukket, kan solitonerne og anti-solitonerne manuelt skubbes rundt i begge retninger. Men når først motorerne - og dermed de gensidige interaktioner - er tændt, glider solitonerne og anti-solitonerne automatisk langs kæden. De bevæger sig begge i samme retning med en hastighed, der er indstillet af den anti-gensidighed, der pålægges af motorerne.

Veenstra siger:"Meget forskning har fokuseret på at flytte topologiske solitoner ved at anvende ydre kræfter. I systemer, der er undersøgt indtil videre, viste det sig, at solitoner og anti-solitoner bevægede sig i modsatte retninger naturligt. Men hvis du ønsker at kontrollere adfærden af ​​( anti-)solitoner, vil du måske køre dem i samme retning."

"Vi opdagede, at ikke-gensidige interaktioner opnår præcis dette. De ikke-gensidige kræfter er proportionale med den rotation, som solitonen forårsager, sådan at hver soliton genererer sin egen drivkraft."

Solitonernes bevægelse ligner en kæde af dominobrikker, der falder, og hver af dem vælter sin nabo. Men i modsætning til dominobrikker sikrer de ikke-gensidige interaktioner, at 'væltning' kun kan ske i én retning.

Og mens dominobrikker kun kan falde ned én gang, sætter en soliton, der bevæger sig langs metamaterialet, simpelthen kæden op, så en anti-soliton kan bevæge sig igennem den i samme retning. Med andre ord kan et hvilket som helst antal af alternerende solitoner og anti-solitoner bevæge sig gennem kæden uden behov for at 'nulstille'.

Bevægelseskontrol

At forstå rollen af ​​ikke-gensidig kørsel vil ikke kun hjælpe os til bedre at forstå topologiske solitoners adfærd i levende systemer, men kan også føre til teknologiske fremskridt. Mekanismen, der genererer de selvkørende, en-retningsbestemte solitoner, der er afsløret i denne undersøgelse, kan bruges til at kontrollere bevægelsen af ​​forskellige typer bølger (kendt som bølgeføring) eller til at udstyre et metamateriale med en grundlæggende informationsbehandlingsevne såsom filtrering.

Fremtidige robotter kan også bruge topologiske solitoner til grundlæggende robotfunktionaliteter såsom bevægelse, udsendelse af signaler og sansning af deres omgivelser. Disse funktionaliteter vil så ikke blive styret fra et centralt punkt, men snarere udspringe af summen af ​​robottens aktive dele.

Alt i alt kan dominoeffekten af ​​solitoner i metamaterialer, som nu er en interessant observation i laboratoriet, snart begynde at spille en rolle i forskellige grene af teknik og design.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Nature .

Flere oplysninger: Corentin Coulais, Ikke-reciproke topologiske solitoner i aktive metamaterialer, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07097-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07097-6

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Amsterdam