만약 그것이 입자처럼 걷고 입자처럼 말한다면… 그것은 아마도 입자가 아닐 것입니다. 위상학적 솔리톤은 입자처럼 행동하는 특별한 종류의 파동 또는 전위입니다. 움직일 수는 있지만 연못 표면의 잔물결처럼 퍼져 나가거나 사라질 수는 없습니다. 에 발표된 새로운 연구에서 자연암스테르담 대학의 연구원들은 미래에 로봇이 움직이고, 주변을 감지하고, 통신하는 방법을 제어하는 ​​데 사용될 수 있는 로봇 메타물질에서 위상학적 격리의 특이한 동작을 보여주었습니다.

위상학적 분리물은 여러 장소에서 다양한 길이 규모로 발견될 수 있습니다. 예를 들어, 그들은 꼬임의 형태를 취합니다. 전화선이 감겨있습니다. 그리고 단백질과 같은 큰 분자. 완전히 다른 규모로 A 블랙홀 이는 시공간 구조의 위상학적 솔리톤으로 이해될 수 있습니다. 솔리톤은 살아있는 유기체와 관련되어 생물학적 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 단백질 폴딩 그리고 형태 – 세포나 기관의 발달.

움직일 수 있지만 항상 모양을 유지하고 갑자기 사라질 수 없는 위상학적 솔리톤의 독특한 특징은 소위 비상호적 상호작용과 결합될 때 특히 흥미롭습니다. “이러한 상호 작용에서 요인 A는 요인 B가 요인 A와 상호 작용하는 방식과 다르게 요인 B와 상호 작용합니다”라고 암스테르담 대학의 박사 과정 학생이자 새 출판물의 첫 번째 저자인 Jonas Veenstra는 설명합니다.

“비상호적 상호작용은 사회와 복잡한 생명체 시스템에서 흔히 볼 수 있지만 평형 외부의 시스템에서만 존재할 수 있기 때문에 대부분의 물리학자들에 의해 오랫동안 무시되어 왔습니다.”라고 Veenstra는 계속합니다. 재료에 비상호적 상호작용을 도입함으로써 재료와 기계 사이의 경계를 허물고 살아 있거나 실물과 같은 재료를 만들고자 합니다.

Veenstra가 연구를 수행하는 자동화 재료 연구소는 디자인을 전문으로 합니다. 메타물질: 프로그래밍 가능한 방식으로 환경과 상호 작용하는 인공 재료 및 로봇 시스템. 연구팀은 거의 2년 전 학생 Anahita Sarvi와 Chris Ventura Minnersen이 석사 과정 “연구를 위한 학문적 기술”을 위한 연구 프로젝트를 진행하기로 결정했을 때 비상호적 상호 작용과 위상학적 격리 사이의 상호 작용을 연구하기로 결정했습니다.

솔리톤 및 안티 솔리톤 로봇 메타물질은 체인의 왼쪽과 오른쪽으로 기울어진 부분 사이의 경계에 있습니다. 각각의 파란색 막대는 분홍색 고무 밴드로 이웃 막대와 연결되어 있으며 각 막대 아래에는 인접한 막대 사이의 상호 작용을 비가역적으로 만드는 작은 모터가 있습니다. 출처: Jonas Veenstra/UvA

Soliton은 도미노처럼 움직입니다.

연구진이 개발한 솔리톤 호스트 메타물질은 탄성 밴드로 서로 연결된 일련의 회전 막대로 구성됩니다. 아래 그림을 참조하세요. 각 막대는 이웃에 대한 방향에 따라 막대에 작은 힘을 가하는 소형 모터에 장착됩니다. 가장 중요한 점은 적용되는 힘이 이웃이 어느 쪽에 있는지에 따라 달라지므로 인접한 막대 사이의 상호 작용이 상호적이지 않게 된다는 점입니다. 마지막으로 바에 있는 자석은 체인 옆에 위치한 자석에 끌려 각 바가 왼쪽이나 오른쪽으로 회전하는 두 가지 선호 위치를 갖게 됩니다.

이 메타물질에서 발견된 분리물은 사슬의 왼쪽과 오른쪽 회전 부분이 만나는 지점입니다. 오른쪽과 왼쪽으로 회전하는 끈 부분 사이의 상보적인 경계를 안티솔리톤이라고 합니다. 이는 시계 방향과 시계 반대 방향으로 회전하는 전선 부분이 만나는 구식 코일 전화선의 꼬임과 유사합니다.

직렬로 연결된 모터가 꺼지면 솔리톤과 역고독이 어떤 방향으로든 수동으로 구동될 수 있습니다. 그러나 모터가 작동하여 상호 상호 작용이 시작되면 솔리톤과 안티솔론이 자동으로 체인을 따라 미끄러집니다. 둘 다 모터에 의해 부과된 비가역성에 의해 결정된 속도로 동일한 방향으로 움직입니다.

Feenstra: “많은 연구가 외부 힘을 가하여 토폴로지 솔리톤을 이동시키는 것에 중점을 두었습니다. 지금까지 연구한 시스템에서는 솔리톤과 안티 솔리톤이 자연스럽게 반대 방향으로 움직이는 것으로 나타났습니다. 그러나 (안티의 동작을 제어하려는 경우) -솔리톤) ), 같은 방향으로 밀고 싶을 수도 있습니다. 우리는 비가역적 상호 작용이 바로 이것을 달성한다는 것을 발견했습니다. 비가역 힘은 솔리톤에 의해 생성된 스핀에 비례하므로 각 솔리톤은 자체적으로 생성됩니다. 추진력.

솔리톤의 움직임은 일련의 도미노가 무너지는 것과 같으며, 각 도미노는 다음 도미노를 쓰러뜨립니다. 그러나 도미노와 달리 비상호적 상호작용은 “뒤집기”가 한 방향으로만 일어날 수 있음을 보장합니다. 도미노는 한 번만 떨어질 수 있지만, 메타물질을 따라 이동하는 솔리톤은 단순히 안티 솔리톤이 같은 방향으로 이동할 수 있도록 체인을 설정합니다. 즉, “재설정”할 필요 없이 임의의 수의 분리 물질과 분리 방지 물질이 체인을 통해 이동할 수 있습니다.

동작 제어

비가역적 구동의 역할을 이해하는 것은 살아있는 시스템에서 위상학적 솔리톤의 행동을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기술적 진보로 이어질 수도 있습니다. 본 연구에서 밝혀진 단방향 자율주행 솔리톤을 생성하는 메커니즘은 다양한 유형의 파동(파동 조향이라고도 함)의 움직임을 제어하거나 필터링과 같은 기본 정보 처리 능력을 메타물질에 제공하는 데 사용될 수 있습니다.

미래의 로봇은 움직임, 신호 전달, 주변 감지와 같은 기본적인 로봇 기능을 위해 위상학적 사일로를 사용할 수도 있습니다. 이러한 기능은 더 이상 중앙 지점에서 제어되지 않고 로봇의 활성 부분의 합계에서 나타납니다.

전반적으로, 현재 실험실에서 흥미로운 관찰이 되고 있는 합성 물질의 솔리톤의 도미노 효과는 곧 엔지니어링 및 설계의 다양한 분야에서 역할을 하기 시작할 것입니다.

참고 자료: Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen 및 Corentin Collet의 “활성 메타물질의 비가역적 토폴로지 솔리톤”, 2024년 3월 20일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-024-07097-6