הפיזיקה שוברת: איך סוליטונים מכופפים זמן, מרחב וחוקים

אם הוא הולך כמו חלקיק, ומדבר כמו חלקיק… ייתכן שהוא עדיין לא חלקיק. סוליטון טופולוגי הוא סוג מיוחד של גל או נקע שמתנהג כמו חלקיק: הוא יכול לנוע אך אינו יכול להתפשט ולהיעלם כפי שהייתם מצפים מ, למשל, אדווה על פני הבריכה. במחקר חדש שפורסם ב טֶבַעחוקרים מאוניברסיטת אמסטרדם מדגימים את ההתנהגות הלא טיפוסית של סוליטונים טופולוגיים במטא-חומר רובוטי, משהו שבעתיד עשוי לשמש כדי לשלוט כיצד רובוטים נעים, חשים את סביבתם ומתקשרים.

ניתן למצוא סוליטונים טופולוגיים במקומות רבים ובקשקשי אורך רבים ושונים. לדוגמה, הם לובשים צורה של קיפולים בחוטי טלפון מפותלים ובמולקולות גדולות כמו חלבונים. בקנה מידה שונה מאוד, א חור שחור ניתן להבין כסוליטון טופולוגי במרקם המרחב-זמן. סוליטונים ממלאים תפקיד חשוב במערכות ביולוגיות, בהיותם רלוונטיים לקיפול חלבונים ולמורפוגנזה – התפתחות תאים או איברים.

התכונות הייחודיות של סוליטונים טופולוגיים – שהם יכולים לנוע מסביב אך תמיד שומרים על צורתם ואינם יכולים להיעלם פתאום – מעניינות במיוחד בשילוב עם מה שנקרא אינטראקציות לא הדדיות. "באינטראקציה כזו, סוכן A מגיב לסוכן B באופן שונה מהאופן שבו סוכן B מגיב לסוכן A", מסביר ג'ונאס ויינסטרה, דוקטורנט באוניברסיטת אמסטרדם והמחבר הראשון של הפרסום החדש.

ויינסטרה ממשיך: "אינטראקציות לא הדדיות הן דבר שבשגרה בחברה ובמערכות חיים מורכבות, אך מרבית הפיזיקאים התעלמו מזה זמן רב מכיוון שהם יכולים להתקיים רק במערכת מחוץ לשיווי משקל. על ידי הצגת אינטראקציות לא הדדיות בחומרים, אנו מקווים לטשטש את הגבול בין חומרים ומכונות וליצור חומרים בעלי חיים או חיים".

מעבדת החומרים למכונות שבה Veenstra עושה את המחקר שלו מתמחה בעיצוב מטא-חומרים: חומרים מלאכותיים ומערכות רובוטיות המקיימות אינטראקציה עם הסביבה שלהם בצורה ניתנת לתכנות. צוות המחקר החליט לחקור את יחסי הגומלין בין אינטראקציות לא הדדיות לבין סולימונים טופולוגיים לפני כמעט שנתיים, כאשר הסטודנטים דאז אנהיטה סרווי וכריס ונטורה מיינרסן החליטו לעקוב אחר פרויקט המחקר שלהם עבור קורס MSc 'מיומנויות אקדמיות למחקר'.

סוליטונים זזים כמו דומינו

המטא-חומר המארח סוליטון שפותח על ידי החוקרים מורכב משרשרת של מוטות מסתובבים המקושרים זה לזה באמצעות רצועות אלסטיות – ראה את האיור למטה. כל מוט מותקן על מנוע קטן אשר מפעיל כוח קטן על המוט, תלוי איך הוא מכוון ביחס לשכניו. חשוב לציין, הכוח המופעל תלוי באיזה צד נמצא השכן, מה שהופך את האינטראקציות בין מוטות שכנים ללא הדדיים. לבסוף, מגנטים על המוטות נמשכים על ידי מגנטים המונחים ליד השרשרת באופן שלכל מוט יש שני מצבים מועדפים, מסובבים שמאלה או ימינה.

סוליטונים במטא-חומר זה הם המיקומים שבהם נפגשים חלקים המסובבים ימינה ושמאלה של השרשרת. הגבולות המשלימים בין חלקי שרשרת המסובבים ימינה ושמאלה הם אז מה שנקרא 'אנטי-סוליטונים'. זה מקביל לקיפולים בכבל טלפון מפותל מיושן, שבו נפגשים חלקים המסתובבים עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון.

כאשר המנועים בשרשרת כבויים, ניתן לדחוף את הסוליטונים והאנטי-סוליטונים ידנית לכל כיוון. עם זאת, ברגע שהמנועים – ובכך האינטראקציות ההדדיות – מופעלים, הסוליטונים והאנטי-סוליטונים מחליקים אוטומטית לאורך השרשרת. שניהם נעים באותו כיוון, עם מהירות שנקבעה על ידי האנטי-הדדיות שנכפתה על ידי המנועים.

ויינסטרה: "מחקרים רבים התמקדו בהזזת סוליטונים טופולוגיים על ידי הפעלת כוחות חיצוניים. במערכות שנחקרו עד כה, נמצא כי סוליטונים ואנטי-סוליטונים נעים באופן טבעי בכיוונים מנוגדים. עם זאת, אם אתה רוצה לשלוט בהתנהגות של (אנטי) סוליטונים, אולי תרצה להניע אותם לאותו כיוון. גילינו שאינטראקציות לא הדדיות משיגות בדיוק את זה. הכוחות הלא הדדיים הם פרופורציונליים לסיבוב שגורם הסוליטון, כך שכל סוליטון מייצר את הכוח המניע שלו".

תנועת הסוליטונים דומה לשרשרת של דומינו נופלים, כל אחד מפיל את שכנו. עם זאת, שלא כמו דומינו, האינטראקציות הלא הדדיות מבטיחות שה'נפילה' יכולה להתרחש רק בכיוון אחד. ובעוד שדומינו יכולים ליפול רק פעם אחת, סוליטון שנע לאורך המטא-חומר פשוט מגדיר את השרשרת לאנטי-סולטון שינוע דרכו באותו כיוון. במילים אחרות, כל מספר של סוליטונים ואנטי-סוליטונים מתחלפים יכולים לנוע בשרשרת ללא צורך ב'איפוס'.

בקרת תנועה

הבנת תפקידה של נהיגה לא הדדית לא רק תעזור לנו להבין טוב יותר את התנהגותם של סוליטונים טופולוגיים במערכות חיות, אלא גם יכולה להוביל להתקדמות טכנולוגית. המנגנון שיוצר את הסוליטונים החד-כיווניים בנהיגה עצמית שנחשפו במחקר זה, יכול לשמש כדי לשלוט על תנועתם של סוגים שונים של גלים (הידועים בשם הנחיית גלים), או להעניק למטא-חומר יכולת עיבוד מידע בסיסית כמו סינון. .

רובוטים עתידיים יכולים גם להשתמש בסוליטונים טופולוגיים עבור פונקציות רובוטיות בסיסיות כגון תנועה, שליחת אותות וחישת סביבתם. פונקציונליות אלו לא היו נשלטות מנקודה מרכזית, אלא יופיעו מסכום החלקים הפעילים של הרובוט.

בסך הכל, אפקט הדומינו של סוליטונים במטא-חומרים, כעת תצפית מעניינת במעבדה, עשוי בקרוב להתחיל לשחק תפקיד בענפים שונים של הנדסה ועיצוב.