拓扑孤子是各种自然和技术过程不可或缺的一部分，它通过非互惠相互作用被用于材料科学和机器人技术的创新，为自驱动运动和先进功能提供了新的可能性。 图片来源：SciTechDaily.com
如果它像粒子一样行走，像粒子一样说话……它可能不是粒子。 拓扑孤子是一种特殊的波或位错，其行为类似于粒子：它可以移动，但不能像您所期望的那样扩散和消失，例如，从池塘表面的波纹中消失。 在发表于的一项新研究中 自然阿姆斯特丹大学的研究人员展示了机器人超材料中拓扑隔离的不寻常行为，这种材料将来可用于控制机器人的移动方式、感知周围环境和进行通信。
拓扑隔离可以在许多地方和许多不同的长度尺度上找到。 例如，它们采用扭结的形式 电话线是盘绕的 还有蛋白质等大分子。 在完全不同的尺度上，A 黑洞 它可以理解为时空结构中的拓扑孤子。 孤子在生物系统中发挥着重要作用，与生物体相关 蛋白质折叠 和 形态学 – 细胞或器官的发育。
拓扑孤子的独特特征——它们可以移动但始终保持其形状并且不会突然消失——在与所谓的不可逆相互作用结合时特别有趣。 “在这种相互作用中，因子 A 与因子 B 的相互作用与因子 B 与因子 A 的相互作用方式不同，”阿姆斯特丹大学博士生、新出版物的第一作者 Jonas Veenstra 解释道。
“非互惠相互作用在社会和复杂的生命系统中很常见，但长期以来被大多数物理学家忽视，因为它们只能存在于平衡之外的系统中，”文斯特拉继续说道。 通过在材料中引入非互易相互作用，我们希望消除材料和机器之间的界限，创造出活的或栩栩如生的材料。
文斯特拉进行研究的自动化材料实验室专门从事设计 超材料：以可编程方式与其环境交互的人造材料和机器人系统。 大约两年前，研究团队决定研究非互易相互作用和拓扑隔离之间的相互作用，当时学生 Anahita Sarvi 和 Chris Ventura Minnersen 决定继续他们的硕士课程“研究学术技能”的研究项目。
孤子自动机和反孤子自动机位于链的左倾部分和右倾部分之间的边界上。 每个蓝色杆都用粉色橡皮筋与其相邻杆连接，每个杆下方都有一个小电机，使相邻杆之间的相互作用不可逆。 图片来源：Jonas Veenstra/UvA
孤子像多米诺骨牌一样移动
研究人员开发的孤子主体超材料由一系列通过松紧带连接在一起的旋转杆组成——见下图。 每个杆都安装在一个小型电机上，该电机根据杆相对于相邻杆的方向向杆施加很小的力。 最重要的是，所施加的力取决于邻居所在的一侧，使得相邻钢筋之间的相互作用是不可逆的。 最后，杆上的磁铁被放置在链条旁边的磁铁吸引，以便每个杆都有两个首选位置，可以向左或向右旋转。
在这种超材料中发现的分离物是链的左旋转部分和右旋转部分相遇的位置。 右旋和左旋弦部分之间的互补边界称为反孤子。 这类似于老式盘绕电话线的扭结，顺时针和逆时针旋转的电线部分相遇。
当串联的电机关闭时，孤子和反孤子可以在任何方向上手动驱动。 然而，一旦电机以及由此产生的相互作用被触发，孤子和反孤子就会自动沿着链条滑动。 它们都以相同的方向移动，速度由电机施加的非互易性决定。
Feenstra：“许多研究都集中在通过施加外力来移动拓扑孤子。在迄今为止研究的系统中，已经发现孤子和反孤子自然地向相反方向移动。但是，如果你想控制（反孤子）的行为， -孤子）），你可能想将它们推向相同的方向。我们发现非互易相互作用可以实现这一点。非互易力与孤子产生的自旋成正比，这样每个孤子都会产生自己的自旋推动力。
孤子的运动就像一系列多米诺骨牌的倒塌，每一个都推倒下一个。 然而，与多米诺骨牌不同的是，非交互作用确保“倒塌”只能发生在一个方向。 虽然多米诺骨牌只能倒下一次，但沿着超材料移动的孤子只是为反孤子建立了链条，使其以相同的方向穿过它。 换句话说，任何数量的分离株和抗分离株都可以在链中移动，而无需“重置”。
运动控制
了解不可逆驱动的作用不仅有助于我们更好地理解生命系统中拓扑孤子的行为，而且还可能带来技术进步。 本研究揭示的产生单向自驱动孤子的机制可用于控制不同类型波的运动（称为波转向），或为超材料提供基本的信息处理能力，例如滤波。
未来的机器人还可以使用拓扑筒仓来实现基本的机器人功能，例如运动、发信号和感知周围环境。 这些功能将不再由中心点控制，而是通过机器人活动部件的总和来控制。
总体而言，合成材料中孤子的多米诺骨牌效应现在是实验室中一个有趣的观察结果，可能很快就会开始在工程和设计的各个分支中发挥作用。
参考文献：“活性超材料中的非互易拓扑隔离”，作者：Jonas Veenstra、Oleksandr Gamayon、XiaofeiGuo、Anahita Sarvi、Chris Ventura Minnersen 和 Corentin Collet，2024 年 3 月 20 日， 自然。
号码：10.1038/s41586-024-07097-6
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