Wie Solitonen Zeit, Raum und Regeln verbiegen

Wenn es wie ein Teilchen geht und wie ein Teilchen spricht, ist es möglicherweise immer noch kein Teilchen. Ein topologisches Soliton ist eine besondere Art von Welle oder Versetzung, die sich wie ein Teilchen verhält: Es kann sich bewegen, aber nicht ausbreiten und verschwinden, wie man es beispielsweise von einer Welle auf der Oberfläche eines Teiches erwarten würde. In einer neuen Studie veröffentlicht in NaturForscher der Universität Amsterdam demonstrieren das atypische Verhalten topologischer Solitonen in einem Roboter-Metamaterial, das in Zukunft dazu verwendet werden könnte, zu steuern, wie sich Roboter bewegen, ihre Umgebung wahrnehmen und kommunizieren.

Topologische Solitonen können an vielen Orten und auf vielen verschiedenen Längenskalen gefunden werden. Sie treten beispielsweise in Form von Knicken in aufgerollten Telefonkabeln und großen Molekülen wie Proteinen auf. In einem ganz anderen Maßstab, a schwarzes Loch kann als topologisches Soliton im Gefüge der Raumzeit verstanden werden. Solitonen spielen in biologischen Systemen eine wichtige Rolle und sind für die Proteinfaltung und Morphogenese – die Entwicklung von Zellen oder Organen – relevant.

Die einzigartigen Eigenschaften topologischer Solitonen – dass sie sich bewegen können, aber immer ihre Form behalten und nicht plötzlich verschwinden können – sind besonders interessant, wenn sie mit sogenannten nichtreziproken Wechselwirkungen kombiniert werden. „Bei einer solchen Interaktion reagiert ein Agent A auf einen Agenten B anders als Agent B auf Agent A“, erklärt Jonas Veenstra, Doktorand an der Universität Amsterdam und Erstautor der neuen Veröffentlichung.

Veenstra fährt fort: „Nicht-reziproke Wechselwirkungen sind in der Gesellschaft und in komplexen lebenden Systemen alltäglich, wurden aber von den meisten Physikern lange Zeit übersehen, weil sie nur in einem System außerhalb des Gleichgewichts existieren können.“ Durch die Einführung nicht-reziproker Wechselwirkungen in Materialien hoffen wir, die Grenze zwischen Materialien und Maschinen zu verwischen und belebte oder lebensechte Materialien zu schaffen.“

Das Maschinenmateriallabor, in dem Veenstra forscht, ist auf Design spezialisiert Metamaterialien: Künstliche Materialien und Robotersysteme, die auf programmierbare Weise mit ihrer Umgebung interagieren. Das Forschungsteam beschloss vor fast zwei Jahren, das Zusammenspiel zwischen nichtreziproken Wechselwirkungen und topologischen Solitonen zu untersuchen, als die damaligen Studenten Anahita Sarvi und Chris Ventura Meinersen beschlossen, ihr Forschungsprojekt für den MSc-Kurs „Academic Skills for Research“ fortzusetzen.

Das Roboter-Metamaterial mit einem Soliton und einem Antisoliton, die an den Grenzen zwischen links- und rechtsgerichteten Abschnitten der Kette liegen. Jeder blaue Stab ist mit rosa Gummibändern mit seinen Nachbarn verbunden, und ein kleiner Motor unter jedem Stab sorgt dafür, dass die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Stäben nicht reziprok sind. Bildnachweis: Jonas Veenstra / UvA

Solitonen bewegen sich wie Dominosteine

Das von den Forschern entwickelte Metamaterial, das Solitonen beherbergt, besteht aus einer Kette rotierender Stäbe, die durch elastische Bänder miteinander verbunden sind – siehe Abbildung unten. Jeder Stab ist an einem kleinen Motor montiert, der eine kleine Kraft auf den Stab ausübt, je nachdem, wie er im Verhältnis zu seinen Nachbarn ausgerichtet ist. Wichtig ist, dass die ausgeübte Kraft davon abhängt, auf welcher Seite sich der Nachbar befindet, wodurch die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Stäben nicht reziprok sind. Schließlich werden die Magnete an den Stäben von neben der Kette angebrachten Magneten so angezogen, dass jeder Stab zwei bevorzugte Positionen hat, entweder nach links oder nach rechts gedreht.

Solitonen in diesem Metamaterial sind die Orte, an denen sich links- und rechtsdrehende Abschnitte der Kette treffen. Die komplementären Grenzen zwischen rechts- und linksdrehenden Kettenabschnitten sind dann sogenannte „Antisolitonen“. Dies ist vergleichbar mit Knicken in einem altmodischen Spiraltelefonkabel, bei dem sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn drehende Abschnitte des Kabels treffen.

Wenn die Motoren in der Kette ausgeschaltet sind, können die Solitonen und Antisolitonen manuell in beide Richtungen verschoben werden. Sobald jedoch die Motoren – und damit die Wechselwirkungen – eingeschaltet werden, gleiten die Solitonen und Antisolitonen automatisch entlang der Kette. Beide bewegen sich in die gleiche Richtung, wobei die Geschwindigkeit durch die von den Motoren auferlegte Anti-Reziprozität bestimmt wird.

Veenstra: „Viele Forschungsarbeiten haben sich auf die Bewegung topologischer Solitonen durch die Anwendung äußerer Kräfte konzentriert. In bisher untersuchten Systemen wurde festgestellt, dass sich Solitonen und Antisolitonen auf natürliche Weise in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Wenn Sie jedoch das Verhalten von (Anti-)Solitonen steuern möchten, möchten Sie sie möglicherweise in die gleiche Richtung lenken. Wir haben herausgefunden, dass nicht-reziproke Interaktionen genau dies erreichen. Die nicht-reziproken Kräfte sind proportional zur durch das Soliton verursachten Rotation, sodass jedes Soliton seine eigene Antriebskraft erzeugt.“

Die Bewegung der Solitonen ähnelt einer Kette fallender Dominosteine, wobei jeder seinen Nachbarn umwirft. Im Gegensatz zu Dominosteinen sorgen die nicht reziproken Wechselwirkungen jedoch dafür, dass das „Umkippen“ nur in eine Richtung erfolgen kann. Und während Dominosteine ​​nur einmal umfallen können, richtet ein Soliton, das sich entlang des Metamaterials bewegt, einfach die Kette auf, durch die sich ein Anti-Soliton in derselben Richtung hindurchbewegen kann. Mit anderen Worten: Eine beliebige Anzahl abwechselnder Solitonen und Antisolitonen kann sich durch die Kette bewegen, ohne dass ein „Reset“ erforderlich ist.

Bewegungskontrolle

Das Verständnis der Rolle des nichtreziproken Antriebs wird uns nicht nur dabei helfen, das Verhalten topologischer Solitonen in lebenden Systemen besser zu verstehen, sondern kann auch zu technologischen Fortschritten führen. Der Mechanismus, der die in dieser Studie entdeckten selbstfahrenden, einseitig gerichteten Solitonen erzeugt, kann zur Steuerung der Bewegung verschiedener Arten von Wellen (bekannt als Wellenleitung) oder zur Ausstattung eines Metamaterials mit einer grundlegenden Informationsverarbeitungsfähigkeit wie Filterung verwendet werden .

Zukünftige Roboter können topologische Solitonen auch für grundlegende Roboterfunktionen wie Bewegung, Aussenden von Signalen und Erfassen ihrer Umgebung nutzen. Diese Funktionalitäten würden dann nicht zentral gesteuert, sondern würden sich aus der Summe der aktiven Teile des Roboters ergeben.

Alles in allem könnte der Dominoeffekt von Solitonen in Metamaterialien, der heute eine interessante Beobachtung im Labor ist, bald in verschiedenen Bereichen der Technik und des Designs eine Rolle spielen.

Referenz: „Non-reciprocal topological solitons in active metamaterials“ von Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayun, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen und Corentin Coulais, 20. März 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07097-6