Soliton tôpô, không thể thiếu trong các quá trình tự nhiên và công nghệ khác nhau, đang được khai thác thông qua các tương tác không tương hỗ để đổi mới khoa học vật liệu và robot, mang đến những khả năng mới cho sự vận động tự hành và chức năng tiên tiến. Tín dụng: SciTechDaily.com

Nếu nó bước đi như một hạt và nói như một hạt… thì có lẽ nó không phải là một hạt. Soliton tôpô là một loại sóng hoặc sự lệch vị trí đặc biệt hoạt động giống như một hạt: nó có thể di chuyển nhưng không thể lan ra và biến mất như bạn mong đợi, chẳng hạn như từ một gợn sóng trên mặt ao. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên thiên nhiênCác nhà nghiên cứu từ Đại học Amsterdam đã chứng minh hành vi bất thường của sự cô lập tôpô trong siêu vật liệu robot, thứ có thể được sử dụng trong tương lai để kiểm soát cách robot di chuyển, cảm nhận môi trường xung quanh và giao tiếp.

Các phân lập tôpô có thể được tìm thấy ở nhiều nơi và trên nhiều thang đo chiều dài khác nhau. Ví dụ, chúng có dạng các đường gấp khúc trong Dây điện thoại bị cuộn Và các phân tử lớn như protein. Ở một quy mô hoàn toàn khác, A Hố đen Nó có thể được hiểu như một soliton tôpô trong kết cấu không-thời gian. Soliton đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống sinh học, có liên quan đến các sinh vật sống gấp protein Và Hình thái học – Sự phát triển của tế bào hoặc cơ quan.

Đặc điểm độc đáo của soliton tôpô—là chúng có thể di chuyển nhưng luôn giữ nguyên hình dạng và không thể biến mất đột ngột—đặc biệt thú vị khi kết hợp với cái gọi là tương tác không tương hỗ. Jonas Veenstra, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Amsterdam và là tác giả đầu tiên của ấn phẩm mới, giải thích: “Trong sự tương tác như vậy, yếu tố A tương tác với yếu tố B khác với cách yếu tố B tương tác với yếu tố A”.

Veenstra tiếp tục: “Tương tác không tương hỗ là phổ biến trong xã hội và các hệ thống sống phức tạp, nhưng từ lâu đã bị hầu hết các nhà vật lý bỏ qua vì chúng chỉ có thể tồn tại trong một hệ thống nằm ngoài trạng thái cân bằng”. Bằng cách đưa các tương tác không qua lại vào vật liệu, chúng tôi hy vọng sẽ xóa bỏ ranh giới giữa vật liệu và máy móc và tạo ra các vật liệu sống hoặc giống như thật.

Phòng thí nghiệm Vật liệu Tự động nơi Veenstra tiến hành nghiên cứu chuyên về thiết kế siêu vật liệu: Vật liệu nhân tạo và hệ thống robot tương tác với môi trường của chúng theo cách có thể lập trình được. Nhóm nghiên cứu đã quyết định nghiên cứu sự tương tác giữa các tương tác không tương hỗ và sự cô lập tôpô gần hai năm trước, khi các sinh viên Anahita Sarvi và Chris Ventura Minnersen quyết định theo đuổi dự án nghiên cứu của họ cho khóa học thạc sĩ “Kỹ năng học thuật cho nghiên cứu”.

Automata soliton và anti-soliton nằm trên ranh giới giữa phần nghiêng trái và phải của chuỗi. Mỗi thanh màu xanh được kết nối với các thanh lân cận bằng dây cao su màu hồng và có một động cơ nhỏ dưới mỗi thanh làm cho tương tác giữa các thanh liền kề không tương hỗ. Tín dụng: Jonas Veenstra / UvA

Soliton di chuyển như domino

Siêu vật liệu chủ soliton do các nhà nghiên cứu phát triển bao gồm một loạt thanh quay liên kết với nhau bằng dây đàn hồi – xem hình bên dưới. Mỗi thanh được gắn trên một động cơ nhỏ tác dụng một lực nhỏ lên thanh, tùy thuộc vào cách nó được định hướng so với các thanh lân cận. Quan trọng nhất, lực tác dụng phụ thuộc vào phía của thanh lân cận, khiến tương tác giữa các thanh liền kề không tương hỗ. Cuối cùng, nam châm trên các thanh bị hút bởi nam châm đặt cạnh dây chuyền sao cho mỗi thanh có hai vị trí ưu tiên là xoay sang trái hoặc sang phải.

Các phân lập được tìm thấy trong siêu vật liệu này là vị trí nơi các phần quay bên trái và bên phải của chuỗi gặp nhau. Các ranh giới bổ sung giữa các phần dây quay phải và trái được gọi là các phản soliton. Điều này tương tự như các điểm xoắn trong dây điện thoại cuộn dây kiểu cũ, nơi các phần dây quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ gặp nhau.

Khi các động cơ nối tiếp bị tắt, các soliton và phản cô độc có thể được điều khiển thủ công theo bất kỳ hướng nào. Tuy nhiên, một khi các động cơ – và do đó các tương tác lẫn nhau – được kích hoạt – các soliton và antisolons sẽ tự động trượt dọc theo dây chuyền. Cả hai đều chuyển động theo cùng một hướng, với tốc độ được xác định bởi đặc tính không tương hỗ do động cơ áp đặt.

Feenstra: “Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc di chuyển soliton tôpô bằng cách tác dụng các lực bên ngoài. Trong các hệ thống được nghiên cứu cho đến nay, soliton và phản soliton đã được phát hiện là di chuyển một cách tự nhiên theo các hướng ngược nhau. Tuy nhiên, nếu bạn muốn kiểm soát hành vi của (chống -solitons) ), bạn có thể muốn đẩy chúng theo cùng một hướng. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng các tương tác không tương hỗ đạt được điều này. Các lực không tương hỗ tỷ lệ với spin do soliton tạo ra, sao cho mỗi soliton tạo ra spin riêng của nó động lực.

Chuyển động của soliton giống như sự sụp đổ của một loạt quân domino, quân này lật đổ quân tiếp theo. Tuy nhiên, không giống như domino, các tương tác không tương hỗ đảm bảo rằng việc “lật đổ” chỉ có thể xảy ra theo một hướng. Trong khi quân domino chỉ có thể rơi một lần, thì soliton di chuyển dọc theo siêu vật liệu chỉ đơn giản là thiết lập chuỗi để phản soliton di chuyển qua nó theo cùng một hướng. Nói cách khác, bất kỳ số lượng phân lập và phản phân lập nào cũng có thể di chuyển qua chuỗi mà không cần phải “đặt lại”.

Điều khiển chuyển động

Hiểu được vai trò của động lực phi tương hỗ không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hành vi của các soliton tôpô trong hệ thống sống mà còn có thể dẫn đến những tiến bộ công nghệ. Cơ chế tạo ra soliton tự lái một chiều được tiết lộ trong nghiên cứu này có thể được sử dụng để kiểm soát chuyển động của các loại sóng khác nhau (được gọi là điều khiển sóng) hoặc để cung cấp cho siêu vật liệu khả năng xử lý thông tin cơ bản như lọc.

Robot trong tương lai cũng có thể sử dụng các silo tôpô cho các chức năng robot cơ bản như di chuyển, truyền tín hiệu và cảm nhận môi trường xung quanh. Các chức năng này sẽ không còn được điều khiển từ một điểm trung tâm nữa mà sẽ xuất hiện từ tổng hợp các bộ phận hoạt động của robot.

Nhìn chung, hiệu ứng domino của soliton trong vật liệu tổng hợp, hiện là một quan sát thú vị trong phòng thí nghiệm, có thể sớm bắt đầu đóng một vai trò trong nhiều ngành kỹ thuật và thiết kế.

Tham khảo: “Sự phân lập tôpô không tương hỗ trong siêu vật liệu hoạt động” của Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Minnersen và Corentin Collet, ngày 20 tháng 3 năm 2024, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6