Como os sólitons distorcem o tempo, o espaço e as regras

Os sólitons topológicos, que são parte integrante de vários processos naturais e tecnológicos, estão a ser aproveitados através de interações não recíprocas para inovação na ciência dos materiais e na robótica, oferecendo novas possibilidades de locomoção autopropulsada e funcionalidade avançada. Crédito: SciTechDaily.com

Se anda como uma partícula e fala como uma partícula… provavelmente não é uma partícula. Um sóliton topológico é um tipo especial de onda ou deslocamento que se comporta como uma partícula: pode mover-se, mas não pode espalhar-se e desaparecer como seria de esperar, por exemplo, de uma ondulação na superfície de um lago. Em um novo estudo publicado em naturezaPesquisadores da Universidade de Amsterdã demonstraram o comportamento incomum de isolamentos topológicos em um metamaterial robótico, algo que poderá ser usado no futuro para controlar como os robôs se movem, sentem o que os rodeia e se comunicam.

Isolados topológicos podem ser encontrados em muitos lugares e em muitas escalas de comprimento diferentes. Por exemplo, eles assumem a forma de dobras Os fios telefônicos estão enrolados E moléculas grandes, como proteínas. Numa escala completamente diferente, A Buraco negro Pode ser entendido como um sóliton topológico na estrutura do espaço-tempo. Os solitons desempenham um papel importante nos sistemas biológicos, estando relacionados aos organismos vivos Dobramento de proteínas E Morfologia – Desenvolvimento de células ou órgãos.

As características únicas dos sólitons topológicos – que podem se mover, mas sempre mantêm sua forma e não podem desaparecer repentinamente – são particularmente interessantes quando combinadas com as chamadas interações não recíprocas. “Nesta interação, o fator A interage com o fator B de forma diferente da forma como o fator B interage com o fator A”, explica Jonas Veenstra, estudante de doutoramento na Universidade de Amesterdão e primeiro autor da nova publicação.

“As interações não recíprocas são comuns na sociedade e nos sistemas vivos complexos, mas têm sido ignoradas há muito tempo pela maioria dos físicos porque só podem existir num sistema fora do equilíbrio”, continua Veenstra. Ao introduzir interações não recíprocas nos materiais, esperamos remover as fronteiras entre materiais e máquinas e criar materiais vivos ou semelhantes à vida.

O Laboratório de Materiais Automatizados onde Veenstra conduz suas pesquisas é especializado em design metamateriais: Materiais artificiais e sistemas robóticos que interagem com seu ambiente de forma programável. A equipa de investigação decidiu estudar a interação entre interações não recíprocas e isolamentos topológicos há quase dois anos, quando os estudantes Anahita Sarvi e Chris Ventura Minnersen decidiram prosseguir o seu projeto de investigação para o curso de mestrado “Habilidades Académicas para Investigação”.

O metamaterial robótico soliton e anti-soliton fica na fronteira entre as seções inclinadas para a esquerda e para a direita da cadeia. Cada haste azul é conectada às suas vizinhas com elásticos rosa, e há um pequeno motor sob cada haste que torna as interações entre as hastes adjacentes não recíprocas. Crédito: Jonas Veenstra/UvA

Soliton se move como um dominó

O metamaterial hospedeiro soliton desenvolvido pelos pesquisadores consiste em uma série de hastes rotativas ligadas entre si por faixas elásticas – veja a figura abaixo. Cada haste é montada em um pequeno motor que aplica uma pequena força à haste, dependendo de como ela está orientada em relação aos vizinhos. Mais importante ainda, a força aplicada depende de qual lado o vizinho está, tornando as interações entre as barras adjacentes não recíprocas. Finalmente, os ímãs nas barras são atraídos por ímãs colocados próximos à corrente, de modo que cada barra tenha duas posições preferidas, giradas para a esquerda ou para a direita.

Os isolados encontrados neste metamaterial são os locais onde as partes giratórias esquerda e direita da cadeia se encontram. Limites complementares entre seções de cordas giradas para a direita e para a esquerda são chamados de antisólitons. Isso é semelhante às torções nos fios telefônicos enrolados à moda antiga, onde seções de fio que giram no sentido horário e anti-horário se encontram.

Quando os motores em série são desligados, os sólitons e contra-solidões podem ser acionados manualmente em qualquer direção. No entanto, uma vez que os motores – e, portanto, as interações mútuas – são acionados – os sólitons e anti-sólons deslizam automaticamente ao longo da cadeia. Ambos se movem na mesma direção, a uma velocidade determinada pela propriedade de não reciprocidade imposta pelos motores.

Feenstra: “Muitas pesquisas se concentraram em mover sólitons topológicos aplicando forças externas. Nos sistemas estudados até agora, descobriu-se que sólitons e anti-solitons se movem naturalmente em direções opostas. No entanto, se você quiser controlar o comportamento de (anti-sólitons) -solitons) ), você pode querer empurrá-los na mesma direção. Descobrimos que as interações não recíprocas conseguem exatamente isso. As forças não recíprocas são proporcionais ao spin gerado pelo soliton, de modo que cada soliton gera seu próprio força motriz.

O movimento dos sólitons é como a queda de uma série de dominós, cada um derrubando o outro. No entanto, ao contrário do dominó, as interações não recíprocas garantem que a “derrubada” só possa acontecer numa direção. Embora um dominó só possa cair uma vez, um sóliton movendo-se ao longo do metamaterial simplesmente configura a corrente para que o anti-sóliton se mova através dele na mesma direção. Em outras palavras, qualquer número de isolados e anti-isolados pode passar pela cadeia sem precisar ser “reinicializado”.

Controle de movimento

Compreender o papel do impulso não recíproco não só nos ajudará a compreender melhor o comportamento dos sólitons topológicos em sistemas vivos, mas também poderá levar a avanços tecnológicos. O mecanismo que gera os sólitons autônomos unidirecionais revelados neste estudo poderia ser usado para controlar o movimento de diferentes tipos de ondas (conhecido como direção de ondas) ou para fornecer ao metamaterial uma capacidade básica de processamento de informações, como a filtragem.

Os robôs futuros também poderiam usar silos topológicos para funções robóticas básicas, como movimento, sinalização e detecção do ambiente. Estas funções não serão mais controladas a partir de um ponto central, mas surgirão da soma das partes ativas do robô.

No geral, o efeito dominó dos sólitons em materiais sintéticos, agora uma observação interessante em laboratório, poderá em breve começar a desempenhar um papel em vários ramos da engenharia e do design.

Referência: “Sólitons topológicos não recíprocos em metamateriais ativos” por Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen e Corentin Collet, 20 de março de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6