ソリトンが時間、空間、ルールをどのように曲げるか

それが粒子のように歩き、粒子のように話すとしたら…おそらくそれは粒子ではありません。 トポロジカル ソリトンは、粒子のように動作する特別な種類の波または転位です。移動はできますが、たとえば池の表面の波紋から予想されるように、広がったり消えたりすることはできません。 で発表された新しい研究では、 自然アムステルダム大学の研究者らは、ロボットのメタマテリアルにおけるトポロジカル分離の異常な動作を実証しました。これは、将来、ロボットの動き方、周囲の感知方法、コミュニケーション方法を制御するために使用できる可能性があります。

トポロジカル分離株は、さまざまな場所で、さまざまな長さのスケールで見つかります。 たとえば、それらはねじれの形をとります。 電話線はコイル状になっている そしてタンパク質などの大きな分子。 まったく異なるスケールで、A ブラックホール それは時空構造におけるトポロジカル ソリトンとして理解できます。 ソリトンは生物に関係しており、生物システムにおいて重要な役割を果たしています。 タンパク質のフォールディング そして 形態学 – 細胞または器官の発達。

トポロジカル ソリトンのユニークな特徴、つまり移動できるが常にその形状を保持し、突然消えることができないという点は、いわゆる非相反的相互作用と組み合わせると特に興味深いものになります。 「そのような相互作用では、因子Aと因子Bは、因子Bが因子Aと相互作用する方法とは異なる方法で相互作用します」と、アムステルダム大学の博士課程の学生であり、この新しい出版物の筆頭著者であるジョナス・ヴェーンストラ氏は説明します。

「非相反相互作用は社会や複雑な生命システムでは一般的ですが、平衡状態の外側のシステムでのみ存在し得るため、ほとんどの物理学者によって長い間無視されてきました」とヴェーンストラ氏は続けます。 非相反的相互作用を材料に導入することで、材料と機械の境界を取り除き、生きた、または実物のような材料を作成したいと考えています。

ヴェーンストラ氏が研究を行っている自動材料研究所はデザインを専門としています。 メタマテリアル: プログラム可能な方法で環境と相互作用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、学生のアナヒタ・サルヴィ氏とクリス・ベンチュラ・ミンナーセン氏が修士課程「研究のためのアカデミック・スキル」の研究プロジェクトに取り組むことを決めたとき、非相互作用とトポロジー的孤立の間の相互作用を研究することを決めた。

ソリトン オートマトンと反ソリトン オートマトンは、チェーンの左傾部分と右傾部分の境界に位置します。 各青い棒はピンク色の輪ゴムで隣の棒と接続されており、各棒の下には小さなモーターがあり、隣接する棒間の相互作用を非相反にします。 クレジット: Jonas Veenstra/UvA

ソリトンはドミノのように動きます

研究者らが開発したソリトン ホスト メタマテリアルは、弾性バンドで連結された一連の回転ロッドで構成されています (下の図を参照)。 各ロッドは小型モーターに取り付けられており、隣接するロッドに対するロッドの向きに応じて小さな力をロッドに加えます。 最も重要なことは、適用される力は隣のバーがどちら側にあるかによって異なり、隣接するバー間の相互作用が非相反的になることです。 最後に、バー上の磁石がチェーンの隣に配置された磁石に引き付けられるため、各バーは左または右に回転して 2 つの優先位置を持つようになります。

このメタマテリアルで見つかった分離物は、鎖の左回転部分と右回転部分が交わる場所です。 右回転された文字列セクションと左回転された文字列セクション間の相補的な境界は、アンチソリトンと呼ばれます。 これは、時計回りと反時計回りに回転するワイヤの部分が交わる、昔ながらのコイル状の電話線のねじれに似ています。

直列のモーターがオフになると、ソリトンとカウンターソリチュードを任意の方向に手動で駆動できます。 ただし、モーター、つまり相互作用がトリガーされると、ソリトンとアンチソロンはチェーンに沿って自動的にスライドします。 両方とも、モーターによって課される非相反特性によって決定される速度で、同じ方向に移動します。

フェーンストラ: 「多くの研究は、外力を加えることによってトポロジカルなソリトンを動かすことに焦点を当ててきました。これまでに研究されたシステムでは、ソリトンと反ソリトンは自然に反対方向に動くことがわかっています。しかし、(反ソリトンの) 挙動を制御したい場合は、 -ソリトン) ), あなたはそれらを同じ方向に押したいかもしれません. 非相反相互作用がまさにこれを達成することを発見しました. 非相反力はソリトンによって生成されるスピンに比例します, そのため、各ソリトンは独自のを生成します原動力。

ソリトンの動きは、一連のドミノ倒しのようなもので、それぞれが次のドミノを倒します。 ただし、ドミノとは異なり、非相互作用により、「転倒」は一方向でのみ発生することが保証されます。 ドミノは一度しか倒れませんが、メタマテリアルに沿って移動するソリトンは、アンチソリトンが同じ方向に横切って移動するためのチェーンをセットアップするだけです。 言い換えれば、任意の数の分離株と反分離株は、「リセット」することなくチェーンを移動できます。

運動制御

非相反駆動の役割を理解することは、生命システムにおけるトポロジカルソリトンの挙動をより深く理解するのに役立つだけでなく、技術の進歩にもつながる可能性があります。 今回の研究で明らかになった一方向の自動駆動ソリトンを生成するメカニズムは、さまざまな種類の波の動きを制御したり（波動操縦と呼ばれる）、メタマテリアルにフィルタリングなどの基本的な情報処理能力を提供したりするために使用できる可能性がある。

将来のロボットは、移動、信号伝達、周囲の感知などの基本的なロボット機能にトポロジカル サイロを使用することもできます。 これらの機能は、もはや中心点から制御されるのではなく、ロボットのアクティブな部分の合計から現れます。

全体として、現在研究室で興味深い観察となっている合成材料におけるソリトンのドミノ効果は、間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可能性があります。

参考文献: Jonas Veenstra、Oleksandr Gamayon、Xiaofei Guo、Anahita Sarvi、Chris Ventura Minnersen、Corentin Collet 著「アクティブ メタマテリアルにおける非相反トポロジカル分離」、2024 年 3 月 20 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07097-6