كيف ينحني السوليتون الزمان والمكان والقوانين

إذا كان يتصرف كجسيم ويتحدث كجسيم… فقد لا يكون جسيمًا بعد. السليتون الطوبولوجي هو نوع خاص من الموجة أو الإزاحة الذي يتصرف مثل الجسيم: يمكنه التحرك، لكنه لا يمكن أن ينتشر ويختفي كما قد تتوقع تموجًا على سطح البركة. دراسة جديدة نشرت في طبيعةأظهر باحثون من جامعة أمستردام السلوك الفريد للعزلات الطوبولوجية في مادة روبوتية يمكن استخدامها للتحكم في كيفية تحرك الروبوتات واستشعار محيطها والتفاعل في المستقبل.

تم العثور على عزلات طوبولوجية في العديد من المواقع وبمقاييس طول مختلفة. على سبيل المثال، فإنها تأخذ شكل مكامن الخلل أسلاك الهاتف ملفوفة والجزيئات الكبيرة مثل البروتينات. وعلى مستوى مختلف تمامًا، قال أ الثقب الأسود يمكن فهمه على أنه سوليتون طوبولوجي في نسيج الزمكان. تلعب Solitons أدوارًا مهمة في الأنظمة البيولوجية وهي ذات صلة البروتين للطي و التشكل – نمو الخلايا أو الأعضاء.

إن السمات الفريدة للسوليتونات الطوبولوجية – حيث يمكنها التحرك، ولكنها تحتفظ دائمًا بشكلها ولا تختفي فجأة – تكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص عندما تقترن بتفاعلات غير متبادلة. “في مثل هذا التفاعل، يتفاعل العامل B مع العامل B مع العامل A”، يوضح جوناس فينسترا، طالب دكتوراه في جامعة أمستردام والمؤلف الأول للمنشور الجديد.

يتابع فينسترا: “التفاعلات غير المتبادلة شائعة في المجتمع وأشكال الحياة المعقدة، ولكن تم تجاهلها منذ فترة طويلة من قبل معظم الفيزيائيين لأنها لا يمكن أن توجد إلا في أنظمة غير متوازنة. ومن خلال إدخال التفاعلات غير المتبادلة في الأشياء، يمكننا طمس الصورة الحدود بين المواد والآلات وخلق كائنات حية أو غير حية. نحن نؤمن.”

معمل المواد الميكانيكية، حيث يتخصص فينسترا في تصميم أبحاثه المواد الفوقية: تتفاعل الكائنات الاصطناعية والأنظمة الروبوتية مع بيئتها بطريقة قابلة للبرمجة. قرر فريق البحث استكشاف الفجوة بين التفاعلات غير المتبادلة والعزلات الطوبولوجية منذ عامين تقريبًا عندما قرر الطالبان أناهيتا سارفي وكريس فينتورا مينرسون متابعة مشروعهما البحثي لدورة الماجستير “المهارات الأكاديمية للبحث”. .

عند الحدود بين الأجزاء المائلة إلى اليسار واليمين من السلسلة توجد مادة خارقة آلية تتكون من سوليتون ومضاد سوليتون. ويرتبط كل قضيب أزرق مع جيرانه بأشرطة مطاطية وردية اللون، ويوجد محرك صغير أسفل كل قضيب يجعل الوصلات بين القضبان المتجاورة غير متبادلة. الائتمان: جوناس فينسترا / UvA

السوليتونات تتحرك مثل قطع الدومينو

تتكون المادة الفوقية المضيفة للسليتون التي طورها الباحثون من سلسلة من الأسلاك الدوارة المترابطة بواسطة أشرطة مرنة – انظر الصورة أدناه. يتم تركيب كل قضيب على محرك صغير، والذي يطبق قدرًا صغيرًا من القوة على القضيب اعتمادًا على كيفية انحرافه بالنسبة لجيرانه. بشكل أساسي، القوة المطبقة تجعل التفاعلات بين القضبان المتجاورة غير متبادلة، اعتمادًا على الجانب الذي يقف عليه الجيران. وأخيرًا، تنجذب المغناطيسات الموجودة في القضبان إلى مغناطيسات موضوعة بجوار السلسلة، بحيث يكون لكل قضيب وضعين مفضلين، يدوران إلى اليسار أو اليمين.

إن السوليتونات الموجودة في هذه المادة الخارقة هي النقاط التي تلتقي فيها الأجزاء الدوارة اليمنى واليسرى من السلسلة. يُطلق على الحدود التكميلية بين مقاطع السلسلة التي يتم تدويرها لليمين واليسار اسم “مضادات السوليتونات”. إنه مشابه لمكامن الخلل في سلك الهاتف الملفوف القديم، حيث تلتقي أجزاء السلك الدوارة في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة.

عندما يتم إيقاف تشغيل المحركات الموجودة في السلسلة، يمكن دفع السوليتونات والعزلات المضادة يدويًا في أي اتجاه. ومع ذلك، بمجرد تشغيل المحركات – وبالتالي التفاعلات المتبادلة -، تنزلق السوليتونات والعزلات المضادة تلقائيًا إلى أسفل السلسلة. كلاهما يتحركان في نفس الاتجاه، بسرعة يحددها رد الفعل المضاد الذي تفرضه المحركات.

فينسترا: “لقد ركزت الكثير من الأبحاث على تحريك السوليتونات الطوبولوجية من خلال تطبيق قوى خارجية. في الأنظمة التي تمت دراستها حتى الآن، وجد أن السوليتونات ومضادات السوليتونات تتحرك بشكل طبيعي في اتجاهين متعاكسين. ومع ذلك، إذا كنت تريد التحكم في سلوك ( anti-) سوليتون، قد ترغب في دفعها في نفس الاتجاه. بشكل متبادل، اكتشفنا أن التفاعلات غير الرنانة تحقق هذا بالضبط. وتتناسب القوى غير الرنانة مع الدوران الناتج عن سوليتون، مما يعني أن كل سوليتون ينتج قوته الخاصة. القوة الدافعة.

إن حركة السوليتونات تشبه سلسلة من قطع الدومينو المتساقطة، كل منها يطرق جاره. ومع ذلك، على عكس الدومينو، فإن التفاعلات غير المتبادلة تضمن حدوث “الدفع” في اتجاه واحد فقط. يمكن أن تسقط قطع الدومينو مرة واحدة فقط، حيث تتحرك قطعة سوليتون على طول المادة الخارقة وتطلق سلسلة لتحريك قطعة سوليتون مضادة في نفس الاتجاه. بمعنى آخر، كم عدد العزلات المنعزلة والمضادات المنعزلة التي يمكن أن تمر عبر السلسلة دون الحاجة إلى “إعادة الضبط”.

التحكم في الحركة

إن فهم دور القيادة غير المتبادلة لن يساعد فقط على فهم سلوك السوليتونات الطوبولوجية في الأنظمة الحية بشكل أفضل، ولكنه سيؤدي أيضًا إلى التقدم التكنولوجي. يمكن استخدام آلية توليد وحدات سوليتون ذاتية القيادة أحادية الاتجاه التي تم الكشف عنها في هذه الدراسة للتحكم في حركة أنواع مختلفة من الموجات (المعروفة باسم توجيه الموجة) أو توفير مادة فوقية تتمتع بقدرات معالجة المعلومات الأساسية مثل التصفية. .

قد تستخدم الروبوتات المستقبلية عزلات طوبولوجية للوظائف الروبوتية الأساسية مثل الحركة وإرسال الإشارات واستشعار المناطق المحيطة بها. لا يتم التحكم في هذه الوظائف من نقطة مركزية، بل تنبثق من مجموع الأجزاء النشطة للروبوت.

وبشكل عام، فإن تأثير الدومينو للسليتونات في المواد الاصطناعية، والذي أصبح الآن ملاحظة مثيرة للاهتمام في المختبر، قد يبدأ قريبًا في لعب دور في مختلف مجالات الهندسة والتصميم.

المرجع: جوناس فينسترا، أولكسندر كاميون، زيافي غو، أناهيتا سارفي، كريس فينتورا مينرسون، وكورنتين كوليه، 20 مارس 2024، “العزلات الطوبولوجية غير المتبادلة في المواد الفوقية النشطة” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07097-6