Comment les solitons modifient le temps, l'espace et les règles

Les solitons topologiques, qui font partie intégrante de divers processus naturels et technologiques, sont exploités via des interactions non réciproques pour l'innovation en science des matériaux et en robotique, offrant de nouvelles possibilités de locomotion automotrice et de fonctionnalités avancées. Crédit : SciTechDaily.com

S'il marche comme une particule et parle comme une particule… ce n'est probablement pas une particule. Un soliton topologique est un type particulier d'onde ou de dislocation qui se comporte comme une particule : elle peut se déplacer mais ne peut pas s'étendre et disparaître comme on pourrait s'y attendre, par exemple, d'une ondulation à la surface d'un étang. Dans une nouvelle étude publiée dans natureDes chercheurs de l'Université d'Amsterdam ont démontré le comportement inhabituel des isolations topologiques dans un métamatériau robotique, quelque chose qui pourrait être utilisé à l'avenir pour contrôler la façon dont les robots se déplacent, détectent leur environnement et communiquent.

Les isolats topologiques peuvent être trouvés dans de nombreux endroits et à de nombreuses échelles de longueur différentes. Par exemple, ils prennent la forme de plis dans Les fils téléphoniques sont enroulés Et les grosses molécules comme les protéines. À une toute autre échelle, A Le trou noir Il peut être compris comme un soliton topologique dans la structure de l’espace-temps. Les solitons jouent un rôle important dans les systèmes biologiques, étant liés aux organismes vivants Repliement des protéines Et Morphologie – Développement de cellules ou d'organes.

Les caractéristiques uniques des solitons topologiques, à savoir qu'ils peuvent se déplacer mais conservent toujours leur forme et ne peuvent pas disparaître soudainement, sont particulièrement intéressantes lorsqu'elles sont combinées avec des interactions dites non réciproques. « Dans une telle interaction, le facteur A interagit avec le facteur B différemment de la manière dont le facteur B interagit avec le facteur A », explique Jonas Veenstra, doctorant à l'Université d'Amsterdam et premier auteur de la nouvelle publication.

« Les interactions non réciproques sont courantes dans la société et dans les systèmes vivants complexes, mais ont longtemps été ignorées par la plupart des physiciens car elles ne peuvent exister que dans un système hors équilibre », poursuit Veenstra. En introduisant des interactions non réciproques dans les matériaux, nous espérons supprimer les frontières entre les matériaux et les machines et créer des matériaux vivants ou réalistes.

Le laboratoire de matériaux automatisés où Veenstra mène ses recherches est spécialisé dans le design métamatériaux: Matériaux artificiels et systèmes robotiques qui interagissent avec leur environnement de manière programmable. L'équipe de recherche a décidé d'étudier l'interaction entre les interactions non réciproques et les isolements topologiques il y a près de deux ans, lorsque les étudiants Anahita Sarvi et Chris Ventura Minnersen ont décidé de poursuivre leur projet de recherche dans le cadre du cours de master « Compétences académiques pour la recherche ».

Le métamatériau robotique soliton et anti-soliton se trouve à la limite entre les sections inclinées à gauche et à droite de la chaîne. Chaque tige bleue est reliée à ses voisines avec des élastiques roses, et il y a un petit moteur sous chaque tige qui rend les interactions entre les tiges adjacentes non réciproques. Crédit : Jonas Veenstra/UvA

Soliton se déplace comme un domino

Le métamatériau hôte soliton développé par les chercheurs consiste en une série de tiges rotatives reliées entre elles par des bandes élastiques – voir figure ci-dessous. Chaque tige est montée sur un petit moteur qui applique une petite force à la tige, en fonction de son orientation par rapport à ses voisines. Plus important encore, la force appliquée dépend du côté du voisin, ce qui rend les interactions entre barres adjacentes non réciproques. Enfin, les aimants des barres sont attirés par des aimants placés à côté de la chaîne de sorte que chaque barre ait deux positions préférées, tournées soit vers la gauche, soit vers la droite.

Les isolats trouvés dans ce métamatériau sont les sites où se rencontrent les parties tournantes gauche et droite de la chaîne. Les limites complémentaires entre les sections de cordes tournées à droite et à gauche sont appelées antisolitons. Ceci est similaire aux plis des fils téléphoniques enroulés à l’ancienne, où les sections de fil qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse se rencontrent.

Lorsque les moteurs en série sont éteints, les solitons et contre-solitudes peuvent être entraînés manuellement dans n'importe quelle direction. Cependant, une fois les moteurs – et donc les interactions mutuelles – déclenchés, les solitons et antisolons glissent automatiquement le long de la chaîne. Ils se déplacent tous deux dans le même sens, à une vitesse déterminée par la propriété de non-réciprocité imposée par les moteurs.

Feenstra : « De nombreuses recherches se sont concentrées sur le déplacement des solitons topologiques en appliquant des forces externes. Dans les systèmes étudiés jusqu'à présent, les solitons et les anti-solitons se déplacent naturellement dans des directions opposées. Cependant, si vous souhaitez contrôler le comportement des (anti-solitons) -solitons) ), vous souhaiterez peut-être les pousser dans la même direction. Nous avons découvert que les interactions non réciproques permettent d'atteindre cet objectif. Les forces non réciproques sont proportionnelles au spin généré par le soliton, de sorte que chaque soliton génère son propre force motrice.

Le mouvement des solitons est comme la chute d’une série de dominos, chacun renversant le suivant. Cependant, contrairement aux dominos, les interactions non réciproques garantissent que le « renversement » ne peut se produire que dans une seule direction. Alors qu'un domino ne peut tomber qu'une seule fois, un soliton se déplaçant le long du métamatériau établit simplement la chaîne permettant à l'anti-soliton de se déplacer dans la même direction. En d’autres termes, n’importe quel nombre d’isolats et d’anti-isolats peuvent se déplacer dans la chaîne sans avoir besoin d’être « réinitialisés ».

Contrôle de mouvement

Comprendre le rôle de l'entraînement non réciproque nous aidera non seulement à mieux comprendre le comportement des solitons topologiques dans les systèmes vivants, mais pourrait également conduire à des progrès technologiques. Le mécanisme qui génère les solitons autonomes unidirectionnels révélés dans cette étude pourrait être utilisé pour contrôler le mouvement de différents types d’ondes (appelé direction des ondes) ou pour fournir au métamatériau une capacité de base de traitement de l’information telle que le filtrage.

Les futurs robots pourraient également utiliser des silos topologiques pour les fonctions robotiques de base telles que le mouvement, la signalisation et la détection de leur environnement. Ces fonctions ne seront plus pilotées depuis un point central, mais émergeront de la somme des parties actives du robot.

Dans l’ensemble, l’effet domino des solitons dans les matériaux synthétiques, désormais une observation intéressante en laboratoire, pourrait bientôt commencer à jouer un rôle dans diverses branches de l’ingénierie et du design.

Référence : « Nonreciprocal topological solitons in active metamaterials » par Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen et Corentin Collet, 20 mars 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07097-6