ソリトンが時間、空間、ルールを曲げる方法

粒子のように歩いて粒子のように話すなら、それはまだ粒子ではないかもしれません。 トポロジーソリトンは、粒子のように振る舞う特殊なタイプの波動または電位です。 前後に移動することはできますが、池の表面の波紋のように広がったり消えたりすることはできません。 に発表された新しい研究で 自然アムステルダム大学の研究者は、ロボットメタマテリアルにおけるトポロジソリトンの非定型動作を示しています。 これは、将来的にロボットが移動し、周囲を検出し、通信する方法を制御するために使用することができます。

位相学的ソリトンは、さまざまな場所でさまざまな長さスケールで見つけることができます。 例えば、彼らはねじれの形をとります。 コイル電話コード そしてタンパク質のような大きな分子。 非常に異なる規模で、 ブラックホール 時空間構造の位相学的ソリトンとして理解することができます。 ソリトンは生物学的システムにおいて重要な役割を果たしており、以下に関連しています。 タンパク質の折りたたみ そして 形態形成 – 細胞や器官の発達。

移動可能であるが常に形状を維持し、突然消えることができない位相学的ソリトンのユニークな特徴は、いわゆる非相互相互作用と組み合わせると特に興味深いです。 「これらの対話では、エージェントAはエージェントBがエージェントAにどのように反応するかとは異なり、エージェントBに反応します」とアムステルダム大学の博士課程の学生であり、新しい出版物の最初の著者であるJonas Veenstra氏は説明します.

Veenstraは続けて次のように言います。 「非相互作用は、社会と複雑な生活システムでは一般的ですが、平衡状態ではないシステムにのみ存在する可能性があるため、ほとんどの物理学者は長い間見過ごしてきました。 材料に非相互作用の相互作用を導入することで、材料と機械の間の境界をあいまいにし、生きているか、実物などの材料を作成できることを願っています。」

Veenstraが研究する機械材料研究所は設計に特化しています。 メタ物質：プログラム可能な方法で環境と対話する人工材料とロボットシステム。 研究チームは、ほぼ2年前に当時の学生であったAnahita SarviとChris Ventura Meinersenが、修士課程「研究のための学術技術」に関する研究プロジェクトをフォローアップすることに決めたとき、非相互相互作用と位相学的ソリトンとの相互作用を研究しました。することにしました。

チェーンの左右に傾いた部分の境界にソリトンとアンチソリトンがあるロボットメタ物質。 各青いバーはピンクの弾性バンドで隣接するバーに接続されており、各バーの下にある小さなモーターは隣接するバー間の相互作用を不可逆的にします。 ソース: Jonas Veenstra / UvA

ドミノのように動くソリトン

研究者によって開発されたソリトンホスティングメタ材料は、弾性バンドで互いに接続された回転棒チェーンで構成されています。 下の図を参照してください。 各ロッドは、隣接するロッドへの方向に応じてロッドに小さな力を加える小さなモーターに取り付けられる。 重要なのは、適用される力が隣人がどちらにあるかによって決まるため、隣り合うバー間の相互作用が相互に妨げられることです。 最後に、バーの磁石はチェーンの隣に配置された磁石によって引き寄せられ、各バーが左右に回転する2つの優先位置を持ちます。

このメタマテリアルのソリトンは、チェーンの左右の回転部分が出会う場所です。 右と左に回転する鎖部分の間の相補的な境界は、いわゆる「半ソリトン」である。 これは、コードの時計回りと反時計回りの回転部分が出会う旧式のコイル状電話コードのねじれに似ている。

チェーンのモーターがオフになると、ソリトンとアンチソリトンを手動で任意の方向にスライドさせることができます。 しかし、モータとそれに伴う相互作用がオンになると、ソリトンとアンチソリトンが自動的にチェーンに沿って滑ります。 両方とも、モーターによって課される半相反性によって設定された速度で同じ方向に移動します。

Veenstra：「多くの研究が外部力を適用してトポロジソリトンを移動させることに焦点を当てています。 これまで研究されたシステムでは、ソリトンとアンチソリトンは自然に反対方向に移動することがわかりました。 ただし、（半）ソリトンの動作を制御するには、同じ方向に導くことをお勧めします。 私たちは、非相互作用の相互作用がまさにこれを達成することを発見しました。 不可逆的な力はソリトンによって発生する回転に比例するため、各ソリトンは独自の推進力を生成します。

ソリトンの動きは一連のドミノが落ちるのと似ており、各ドミノは隣人を倒します。 しかし、ドミノとは対照的に、非相互作用のために「倒れ」が一方向にのみ発生する可能性があります。 そしてドミノは一度だけ倒すことができますが、メタマテリアルに沿って移動するソリトンは、単にアンチソリトンが同じ方向に移動できるようにチェーンを設定します。 つまり、シフトするソリトンとアンチソリトンの数は、「リセット」することなくチェーンを介して移動できます。

モーションコントロール

不可逆駆動の役割を理解することは、生きているシステムでのトポロジソリトンの動作をよりよく理解するのに役立つだけでなく、技術の発展につながる可能性があります。 この研究で明らかになった自律駆動一方向ソリトンを生成するメカニズムは、さまざまな種類の波（導波誘導と呼ばれる）の動きを制御したり、フィルタリングなどの基本的な情報処理機能をメタ材料に与えるために使用できます。 。

将来のロボットは、動き、信号の送信、周囲の検出などの基本的なロボット機能にトポロジソリトンを使用することもできます。 これにより、これらの機能は中央点で制御されるのではなく、ロボットのアクティブ部品の合計に現れます。

全体的に、現在の実験室で興味深い観察となっているメタ物質のソリトンのドミノ効果は、まもなくエンジニアリングや設計のさまざまな分野で役割を果たし始めることができます。

参照：Jonas Veenstra、Oleksandr Gamayun、Xiaofei Guo、Anahita Sarvi、Chris Ventura Meinersen、およびCorentin Coulaisの「活性メタ物質の不可逆位相ソリトン」、2024年3月20日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-024-07097-6