如果它像粒子一样走路，像粒子一样说话，它可能仍然不是粒子。拓扑孤子是一种特殊类型的波或位错，它的行为就像粒子:它可以四处移动，但不会像你想象的池塘表面的涟漪那样扩散和消失。在《自然》杂志上发表的一项新研究中，阿姆斯特丹大学的研究人员展示了机器人超材料中拓扑孤子的非典型行为，这种材料未来可能用于控制机器人的移动方式、感知周围环境和交流。

拓扑孤子可以在许多地方和许多不同的长度尺度上找到。例如，它们以盘绕电话线的扭结和蛋白质等大分子的形式存在。在一个非常不同的尺度上，黑洞可以被理解为时空结构中的拓扑孤子。孤子在生物系统中扮演着重要的角色，与蛋白质折叠和细胞或器官的发育有关。

拓扑孤子的独特特征——它们可以四处移动，但始终保持其形状，不会突然消失——在与所谓的非互反相互作用结合在一起时特别有趣。“在这样的互动中，代理人A对代理人B的反应方式与代理人B对代理人A的反应方式不同，”阿姆斯特丹大学的博士生、新出版物的第一作者乔纳斯·维恩斯特拉解释说。

Veenstra继续说道:“非互反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所忽视，因为它们只能存在于非平衡系统中。通过在材料中引入非互反相互作用，我们希望模糊材料和机器之间的界限，创造出有动画或栩栩如生的材料。”

Veenstra研究的机器材料实验室专门设计超材料:人工材料和机器人系统，以可编程的方式与环境相互作用。大约两年前，研究团队决定研究非互反相互作用和拓扑孤子之间的相互作用，当时学生Anahita Sarvi和Chris Ventura Meinersen决定继续他们的硕士课程“学术研究技能”的研究项目。

孤子像多米诺骨牌一样移动

研究人员开发的承载孤子的超材料由一串旋转棒组成，这些旋转棒通过橡皮筋相互连接。每个杆都安装在一个小马达上，它对杆施加一个小的力，这取决于它相对于它的邻居的取向。重要的是，施加的力取决于相邻杆在哪一边，使得相邻杆之间的相互作用是非互反的。最后，棒上的磁铁被放在链旁边的磁铁吸引，这样每个棒有两个首选位置，向左或向右旋转。

这种超材料中的孤子是链的左旋部分和右旋部分相遇的位置。右旋和左旋链段之间的互补边界被称为“反孤子”。这类似于老式盘绕电话线上的扭结，在那里，顺时针和逆时针旋转的部分会合在一起。

当链条中的马达关闭时，孤子和反孤子可以在任意一个方向上被手动推动。然而，一旦马达——以及由此产生的相互作用——被打开，孤子和反孤子就会自动沿着链条滑动。它们都朝同一个方向运动，速度由马达施加的反互易决定。

Veenstra:“很多研究都集中在通过施加外力来移动拓扑孤子上。在目前所研究的系统中，人们发现孤子和反孤子自然地沿相反的方向运动。然而，如果你想控制(反)孤子的行为，你可能想让它们朝同一个方向运动。我们发现非互反的相互作用达到了这个目的。非互反力与孤子引起的旋转成正比，这样每个孤子都会产生自己的驱动力。”

孤子的运动就像一连串倒下的多米诺骨牌，每一个都推倒它的邻居。然而，与多米诺骨牌不同的是，非互反的相互作用确保了“倾倒”只能发生在一个方向上。虽然多米诺骨牌只能倒下一次，但沿着超材料运动的孤子只是建立了一条链，让反孤子以相同的方向穿过它。换句话说，任意数量的交替孤子和反孤子都可以在链中移动而无需“重置”。

运动控制

理解非互反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，而且还可以导致技术进步。在这项研究中发现的产生自驾车、单向孤子的机制，可用于控制不同类型波的运动(称为波导)，或赋予超材料基本的信息处理能力，如滤波。

未来的机器人还可以使用拓扑孤子来实现基本的机器人功能，如运动、发出信号和感知周围环境。这些功能将不再由一个中心点控制，而是由机器人活动部件的总和产生。

总而言之，超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，可能很快就会在工程和设计的不同分支中发挥作用。

作者：阿姆斯特丹大学

链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240320122615.htm

著作权归作者所有。

声明：海森大数据刊发或者转载此文只是出于传递、分享更多信息之目的，并不意味认同其观点或证实其描述。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢。电话：152 6451 3609，邮箱：1027830374@qq.com