By |
Nếu nó bước đi như một hạt và nói như một hạt… thì nó có thể vẫn không phải là một hạt. Soliton tôpô là một loại sóng hoặc sự lệch vị trí đặc biệt hoạt động giống như một hạt: nó có thể di chuyển xung quanh nhưng không thể lan ra và biến mất như bạn mong đợi từ một gợn sóng trên mặt ao. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Thiên nhiêncác nhà nghiên cứu từ Đại học Amsterdam chứng minh hành vi không điển hình của soliton tôpô trong siêu vật liệu robot, thứ mà trong tương lai có thể được sử dụng để kiểm soát cách robot di chuyển, cảm nhận môi trường xung quanh và giao tiếp.
Đặc điểm độc đáo của soliton tôpô – đó là chúng có thể di chuyển nhưng luôn giữ nguyên hình dạng và không thể biến mất đột ngột – đặc biệt thú vị khi kết hợp với cái gọi là tương tác không tương hỗ. Jonas Veenstra, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Amsterdam và là tác giả đầu tiên của ấn phẩm mới, giải thích: “Trong sự tương tác như vậy, tác nhân A phản ứng với tác nhân B khác với cách tác nhân B phản ứng với tác nhân A”.
Veenstra tiếp tục: “Tương tác không tương hỗ là điều phổ biến trong xã hội và các hệ thống sống phức tạp nhưng từ lâu đã bị hầu hết các nhà vật lý bỏ qua vì chúng chỉ có thể tồn tại trong một hệ thống mất cân bằng. Bằng cách giới thiệu các tương tác không tương hỗ trong vật liệu, chúng tôi hy vọng sẽ xóa mờ ranh giới giữa vật liệu và máy móc, đồng thời tạo ra các vật liệu sống động hoặc giống như thật.”
Phòng thí nghiệm Vật liệu Máy nơi Veenstra thực hiện nghiên cứu chuyên về thiết kế siêu vật liệu.
siêu vật liệu: vật liệu nhân tạo và hệ thống robot tương tác với môi trường của chúng theo kiểu lập trình. Nhóm nghiên cứu đã quyết định nghiên cứu sự tương tác giữa các tương tác không tương hỗ và soliton tôpô gần hai năm trước, khi các sinh viên lúc đó là Anahita Sarvi và Chris Ventura Meinersen quyết định theo dõi dự án nghiên cứu của họ cho khóa học Thạc sĩ ‘Kỹ năng học thuật cho nghiên cứu’.
Siêu vật liệu robot có soliton và phản soliton nằm ở ranh giới giữa các phần nghiêng trái và phải của chuỗi. Mỗi thanh màu xanh được kết nối với các thanh lân cận bằng dây thun màu hồng và một động cơ nhỏ dưới mỗi thanh làm cho tương tác giữa các thanh lân cận không tương hỗ. Tín dụng: Jonas Veenstra / UvA
Soliton di chuyển như quân Domino
Siêu vật liệu chứa soliton được các nhà nghiên cứu phát triển bao gồm một chuỗi các thanh quay được liên kết với nhau bằng các dây đàn hồi – xem hình bên dưới. Mỗi thanh được gắn trên một động cơ nhỏ tác dụng một lực nhỏ lên thanh, tùy thuộc vào cách nó được định hướng so với các thanh lân cận. Điều quan trọng là lực tác dụng phụ thuộc vào phía của thanh lân cận, làm cho tương tác giữa các thanh lân cận không tương hỗ. Cuối cùng, nam châm trên các thanh bị thu hút bởi các nam châm đặt cạnh chuỗi sao cho mỗi thanh có hai vị trí ưu tiên, quay sang trái hoặc phải.
Soliton trong siêu vật liệu này là vị trí nơi các phần quay trái và phải của chuỗi gặp nhau. Các ranh giới bổ sung giữa các phần chuỗi quay phải và trái sau đó được gọi là ‘các phản soliton’. Điều này tương tự như những điểm xoắn trong dây điện thoại cuộn kiểu cũ, nơi các phần dây quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ gặp nhau.
Khi động cơ trong dây chuyền bị tắt, soliton và anti-soliton có thể được đẩy bằng tay theo một trong hai hướng. Tuy nhiên, một khi các động cơ – và do đó các tương tác qua lại – được bật, các soliton và phản soliton sẽ tự động trượt dọc theo dây chuyền. Cả hai đều di chuyển theo cùng một hướng, với tốc độ được thiết lập bởi sự tương hỗ do động cơ áp đặt.
Veenstra: “Rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc di chuyển soliton tôpô bằng cách tác dụng các lực bên ngoài. Trong các hệ thống được nghiên cứu cho đến nay, soliton và phản soliton được phát hiện di chuyển theo hướng ngược nhau một cách tự nhiên. Tuy nhiên, nếu bạn muốn kiểm soát hành vi của (chống) soliton, bạn có thể muốn điều khiển chúng theo cùng một hướng. Chúng tôi phát hiện ra rằng các tương tác không qua lại đạt được chính xác điều này. Các lực không tương hỗ tỷ lệ với chuyển động quay do soliton gây ra, sao cho mỗi soliton tạo ra lực dẫn động riêng của nó.”
Chuyển động của các quân soliton tương tự như một chuỗi các quân domino rơi xuống, mỗi quân này lật đổ người hàng xóm của nó. Tuy nhiên, không giống như domino, các tương tác không tương hỗ đảm bảo rằng việc “lật đổ” chỉ có thể xảy ra theo một hướng. Và trong khi các quân domino chỉ có thể rơi xuống một lần, thì một soliton di chuyển dọc theo siêu vật liệu chỉ đơn giản là thiết lập một chuỗi để một phản soliton di chuyển qua nó theo cùng một hướng. Nói cách khác, bất kỳ số lượng soliton và phản soliton xen kẽ nào cũng có thể di chuyển qua chuỗi mà không cần phải ‘đặt lại’.
Điều khiển chuyển động
Hiểu được vai trò của động lực không tương hỗ không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hành vi của các soliton tôpô trong hệ thống sống mà còn có thể dẫn đến những tiến bộ công nghệ. Cơ chế tạo ra soliton một hướng, tự lái được phát hiện trong nghiên cứu này, có thể được sử dụng để điều khiển chuyển động của các loại sóng khác nhau (được gọi là dẫn sóng) hoặc để trang bị cho siêu vật liệu khả năng xử lý thông tin cơ bản như lọc .
Robot trong tương lai cũng có thể sử dụng soliton tôpô cho các chức năng cơ bản của robot như chuyển động, gửi tín hiệu và cảm nhận môi trường xung quanh. Khi đó, các chức năng này sẽ không được điều khiển từ điểm trung tâm mà xuất hiện từ tổng thể các bộ phận hoạt động của robot.
Nói chung, hiệu ứng domino của soliton trong siêu vật liệu, hiện là một quan sát thú vị trong phòng thí nghiệm, có thể sớm bắt đầu đóng một vai trò trong các ngành kỹ thuật và thiết kế khác nhau.
Tham khảo: “Soliton tôpô không tương hỗ trong siêu vật liệu hoạt động” của Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayun, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen và Corentin Coulais, ngày 20 tháng 3 năm 2024, Thiên nhiên.
DOI: 10.1038/s41586-024-07097-6
<
p style=”text-align: justify;”>Source link
