Cómo los solitones doblan el tiempo, el espacio y las reglas

Los solitones topológicos, que son parte integral de diversos procesos naturales y tecnológicos, se están aprovechando a través de interacciones no recíprocas para la innovación en ciencia de materiales y robótica, ofreciendo nuevas posibilidades para la locomoción autopropulsada y funcionalidad avanzada. Crédito: SciTechDaily.com

Si camina como una partícula y habla como una partícula… probablemente no sea una partícula. Un solitón topológico es un tipo especial de onda o dislocación que se comporta como una partícula: puede moverse pero no puede extenderse y desaparecer como se esperaría, por ejemplo, de una onda en la superficie de un estanque. En un nuevo estudio publicado en naturalezaInvestigadores de la Universidad de Ámsterdam han demostrado el comportamiento inusual de los aislamientos topológicos en un metamaterial robótico, algo que podría usarse en el futuro para controlar cómo se mueven los robots, perciben su entorno y se comunican.

Los aislamientos topológicos se pueden encontrar en muchos lugares y en muchas escalas de longitud diferentes. Por ejemplo, toman la forma de torceduras en Los cables telefónicos están enrollados. Y moléculas grandes como las proteínas. En una escala completamente diferente, A Agujero negro Puede entenderse como un solitón topológico en el tejido del espacio-tiempo. Los solitones juegan un papel importante en los sistemas biológicos, estando relacionados con los organismos vivos. Plegado de proteínas Y Morfología – Desarrollo de células u órganos.

Las características únicas de los solitones topológicos (que pueden moverse pero siempre conservan su forma y no pueden desaparecer repentinamente) son particularmente interesantes cuando se combinan con las llamadas interacciones no recíprocas. “En tal interacción, el factor A interactúa con el factor B de manera diferente a como el factor B interactúa con el factor A”, explica Jonas Veenstra, estudiante de doctorado de la Universidad de Ámsterdam y primer autor de la nueva publicación.

“Las interacciones no recíprocas son comunes en la sociedad y en los sistemas vivos complejos, pero la mayoría de los físicos las han ignorado durante mucho tiempo porque sólo pueden existir en un sistema fuera del equilibrio”, continúa Veenstra. Al introducir interacciones no recíprocas en los materiales, esperamos eliminar los límites entre materiales y máquinas y crear materiales vivos o realistas.

El Laboratorio de Materiales Automatizados donde Veenstra realiza su investigación se especializa en diseño metamateriales: Materiales artificiales y sistemas robóticos que interactúan con su entorno de forma programable. El equipo de investigación decidió estudiar la interacción entre interacciones no recíprocas y aislamientos topológicos hace casi dos años, cuando los estudiantes Anahita Sarvi y Chris Ventura Minnersen decidieron continuar con su proyecto de investigación para el curso de maestría “Habilidades académicas para la investigación”.

El metamaterial robótico solitón y antisolitón se encuentra en el límite entre las secciones de la cadena que se inclinan hacia la izquierda y hacia la derecha. Cada varilla azul está conectada a sus vecinas con bandas elásticas rosas, y hay un pequeño motor debajo de cada varilla que hace que las interacciones entre varillas adyacentes no sean recíprocas. Crédito: Jonas Veenstra/UvA

Solitón se mueve como un dominó

El metamaterial huésped del solitón desarrollado por los investigadores consta de una serie de varillas giratorias unidas entre sí mediante bandas elásticas (consulte la figura siguiente). Cada varilla está montada en un pequeño motor que aplica una pequeña fuerza a la varilla, dependiendo de cómo esté orientada en relación con sus vecinas. Lo más importante es que la fuerza aplicada depende de qué lado está el vecino, lo que hace que las interacciones entre barras adyacentes no sean recíprocas. Finalmente, los imanes de las barras son atraídos por los imanes colocados al lado de la cadena de modo que cada barra tenga dos posiciones preferidas, giradas hacia la izquierda o hacia la derecha.

Los aislados que se encuentran en este metamaterial son los sitios donde se unen las partes de la cadena que giran hacia la izquierda y hacia la derecha. Los límites complementarios entre las secciones de cuerda giradas hacia la derecha y hacia la izquierda se denominan antisolitones. Esto es similar a las torceduras del antiguo cable telefónico enrollado, donde se unen secciones de cable que giran en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Cuando los motores en serie están apagados, los solitones y contrasoledades se pueden accionar manualmente en cualquier dirección. Sin embargo, una vez que se activan los motores y, por tanto, las interacciones mutuas, los solitones y antisolones se deslizan automáticamente a lo largo de la cadena. Ambos se mueven en la misma dirección, a una velocidad determinada por la propiedad de no reciprocidad impuesta por los motores.

Feenstra: “Muchas investigaciones se han centrado en mover solitones topológicos mediante la aplicación de fuerzas externas. En los sistemas estudiados hasta ahora, se ha descubierto que los solitones y antisolitones se mueven naturalmente en direcciones opuestas. Sin embargo, si se quiere controlar el comportamiento de (antisolitones) -solitones) ), es posible que desees empujarlos en la misma dirección. Hemos descubierto que las interacciones no recíprocas logran precisamente esto. Las fuerzas no recíprocas son proporcionales al giro generado por el solitón, de modo que cada solitón genera su propio fuerza motriz.

El movimiento de los solitones es como la caída de una serie de fichas de dominó, cada una derribando a la siguiente. Sin embargo, a diferencia del dominó, las interacciones no recíprocas garantizan que el “derroque” sólo pueda ocurrir en una dirección. Mientras que una ficha de dominó sólo puede caer una vez, un solitón que se mueve a lo largo del metamaterial simplemente establece la cadena para que el antisolitón se mueva a través de ella en la misma dirección. En otras palabras, cualquier número de aislados y antiaislados puede moverse a lo largo de la cadena sin necesidad de “reiniciarlos”.

Control de movimiento

Comprender el papel del impulso no recíproco no sólo nos ayudará a comprender mejor el comportamiento de los solitones topológicos en los sistemas vivos, sino que también podría conducir a avances tecnológicos. El mecanismo que genera los solitones autónomos unidireccionales revelados en este estudio podría usarse para controlar el movimiento de diferentes tipos de ondas (conocido como dirección de ondas) o para proporcionar al metamaterial una capacidad básica de procesamiento de información, como el filtrado.

Los robots del futuro también podrían utilizar silos topológicos para funciones robóticas básicas como movimiento, señalización y detección de su entorno. Estas funciones ya no estarán controladas desde un punto central, sino que surgirán de la suma de las partes activas del robot.

En general, el efecto dominó de los solitones en materiales sintéticos, hoy una interesante observación en el laboratorio, pronto podría comenzar a desempeñar un papel en diversas ramas de la ingeniería y el diseño.

Referencia: “Solitones topológicos no recíprocos en metamateriales activos” por Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen y Corentin Collet, 20 de marzo de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6