Solitons bewegen als dominostenen

Het door de onderzoekers ontwikkelde soliton-hostende metamateriaal bestaat uit een ketting van roterende staven die met elastische banden aan elkaar zijn gekoppeld. Elke stang is gemonteerd op een kleine motor die een kleine kracht op de stang uitoefent, afhankelijk van hoe deze is georiënteerd ten opzichte van zijn buren.

Belangrijk is dat de uitgeoefende kracht afhangt van aan welke kant de buurman zich bevindt, waardoor de interacties tussen aangrenzende staven niet wederkerig zijn. Ten slotte worden de magneten op de stangen aangetrokken door magneten die zo naast de ketting zijn geplaatst dat elke stang twee voorkeursposities heeft, naar links of naar rechts gedraaid.

Solitonen in dit metamateriaal zijn de locaties waar links- en rechtsdraaiende delen van de keten samenkomen. De complementaire grenzen tussen rechts- en linksdraaiende ketendelen zijn dan zogenaamde 'anti-solitonen'. Dit is analoog aan knikken in een ouderwets opgerold telefoonsnoer, waar de met de klok mee en tegen de klok in draaiende delen van het snoer samenkomen.

Wanneer de motoren in de ketting zijn uitgeschakeld, kunnen de solitonen en anti-solitonen handmatig in beide richtingen worden rondgeduwd. Maar zodra de motoren – en daarmee de wederzijdse interacties – worden ingeschakeld, glijden de solitonen en anti-solitonen automatisch langs de keten. Ze bewegen allebei in dezelfde richting, met een snelheid die wordt bepaald door de anti-wederkerigheid die door de motoren wordt opgelegd.

Veenstra zegt:‘Veel onderzoek heeft zich gericht op het verplaatsen van topologische solitonen door externe krachten toe te passen. In de tot nu toe bestudeerde systemen bleek dat solitonen en anti-solitonen op natuurlijke wijze in tegengestelde richtingen reizen. Als je echter het gedrag van ( anti-)solitonen, misschien wil je ze in dezelfde richting drijven."

"We ontdekten dat niet-wederkerige interacties precies dit bereiken. De niet-wederkerige krachten zijn evenredig met de rotatie veroorzaakt door de soliton, zodat elke soliton zijn eigen drijvende kracht genereert."

De beweging van de solitonen is vergelijkbaar met het vallen van een keten van dominostenen, waarbij elke dominosteen zijn buurman omverwerpt. In tegenstelling tot dominostenen zorgen de niet-wederkerige interacties er echter voor dat het ‘omvallen’ slechts in één richting kan gebeuren.

En hoewel dominostenen maar één keer kunnen vallen, zet een soliton die langs het metamateriaal beweegt eenvoudigweg de ketting op zodat een anti-soliton er in dezelfde richting doorheen kan bewegen. Met andere woorden:een willekeurig aantal afwisselende solitonen en anti-solitonen kan door de keten bewegen zonder de noodzaak om te 'resetten'.

Bewegingsbesturing

Het begrijpen van de rol van niet-wederkerig aandrijven zal ons niet alleen helpen het gedrag van topologische solitonen in levende systemen beter te begrijpen, maar kan ook leiden tot technologische vooruitgang. Het mechanisme dat de zelfrijdende, eenrichtingssolitonen genereert die in dit onderzoek aan het licht zijn gekomen, kan worden gebruikt om de beweging van verschillende soorten golven te controleren (bekend als golfgeleiding) of om een ​​metamateriaal te voorzien van een basisinformatieverwerkingsvermogen, zoals filtering. /P>

Toekomstige robots kunnen topologische solitonen ook gebruiken voor basisrobotfunctionaliteiten zoals beweging, het uitzenden van signalen en het waarnemen van hun omgeving. Deze functionaliteiten zouden dan niet vanuit een centraal punt worden aangestuurd, maar voortkomen uit de som van de actieve delen van de robot.

Al met al zou het domino-effect van solitonen in metamaterialen, nu een interessante observatie in het laboratorium, binnenkort een rol kunnen gaan spelen in verschillende takken van techniek en ontwerp.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Meer informatie: Corentin Coulais, Niet-wederkerige topologische solitonen in actieve metamaterialen, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07097-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07097-6

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Universiteit van Amsterdam