21/03/2024
Door Ad Spijkers
Als het loopt als een deeltje en praat als een deeltje... hoeft het nog steeds geen deeltje te zijn.
Een topologische soliton is een speciaal soort golf of dislocatie die zich gedraagt als een deeltje. Het kan zich verplaatsen, maar het kan zich niet verspreiden en verdwijnen zoals je zou verwachten van bijvoorbeeld een rimpeling op het oppervlak van een vijver. Onderzoekers aan de Universiteit van Amsterdam (UvA) demonstreerden het atypische gedrag van topologische solitonen in een robotachtig metamateriaal, iets dat in de toekomst kan worden gebruikt om te bepalen hoe robots bewegen, hun omgeving waarnemen en communiceren.
Topologische solitonen
Deze solitonen zijn op veel plaatsen en op veel verschillende lengteschalen te vinden. Ze nemen bijvoorbeeld de vorm aan van knikken in opgerolde telefoonsnoeren en grote moleculen zoals eiwitten. Op een heel andere schaal kan een zwart gat worden opgevat als een topologische soliton in het weefsel van de ruimtetijd. Solitonen spelen een belangrijke rol in biologische systemen en zijn relevant voor de vouwing van eiwitten en de morfogenese – de ontwikkeling van cellen of organen.
Topologische solitonen kunnen zich verplaatsen maar behouden altijd hun vorm en kunnen niet plotseling verdwijnen. Ze zijn vooral interessant in combinatie met zogenaamde niet-wederkerige interacties. Bij zo’n interactie reageert agent A anders op agent B dan agent B reageert op agent A. Niet-wederkerige interacties zijn gebruikelijk in de samenleving en in complexe levende systemen.
Maar ze worden door natuurkundigen vaak lange tijd over het hoofd gezien omdat ze alleen kunnen bestaan in een systeem dat niet in evenwicht is. Door niet-wederkerige interacties in materialen te introduceren, hopen de onderzoekers in Amsterdam de grens tussen materialen en machines te vervagen en levendige of levensechte materialen te creëren.”
Niet-wederkerige interacties
Het Machine Materials Laboratory aan de UvA is gespecialiseerd in het ontwerpen van metamaterialen. Dit zijn kunstmatige materialen en robotsystemen die op programmeerbare wijze interacteren met hun omgeving. Het onderzoeksteam besloot bijna twee jaar geleden de wisselwerking tussen niet-wederkerige interacties en topologische solitonen te bestuderen, toen toenmalige studenten besloten hun onderzoeksproject voort te zetten voor de MSc-cursus 'Academic Skills for Research'.
Het door de onderzoekers ontwikkelde soliton-hostende metamateriaal bestaat uit een ketting van roterende staven die met elastische banden aan elkaar zijn gekoppeld. Elke stang is gemonteerd op een motortje dat een kleine kracht op de stang uitoefent, afhankelijk van hoe deze georiënteerd is ten opzichte van zijn buren. De uitgeoefende kracht hangt er van af aan welke kant de buurman zich bevindt, waardoor de interacties tussen aangrenzende staven niet wederkerig zijn. Tenslotte worden de magneten op de stangen aangetrokken door magneten die zo naast de ketting zijn geplaatst dat elke stang twee voorkeursposities heeft, naar links of naar rechts gedraaid.
Anti-solitonen
Solitonen in dit metamateriaal zijn de locaties waar links- en rechtsdraaiende delen van de keten samenkomen. De complementaire grenzen tussen rechts en links geroteerde ketendelen zijn de zogenaamde anti-solitonen. Dit is analoog aan knikken in een ouderwets opgerold telefoonsnoer, waar de met de klok mee en tegen de klok in draaiende delen van het snoer samenkomen.
Wanneer de motoren in de ketting zijn uitgeschakeld, kunnen de solitonen en anti-solitonen handmatig in beide richtingen worden rondgeduwd. Maar zodra de motoren – en daarmee de wederzijdse interacties – worden ingeschakeld, glijden de solitonen en anti-solitonen automatisch langs de keten. Ze bewegen allebei in dezelfde richting, met een snelheid die wordt bepaald door de anti-wederkerigheid die door de motoren wordt opgelegd.
Dominostenen
Veel onderzoek heeft zich gericht op het verplaatsen van topologische solitonen door het toepassen van externe krachten. In tot nu toe onderzochte systemen bleken solitonen en anti-solitonen van nature in tegengestelde richtingen te reizen. Maar wie het gedrag van (anti-)solitonen wil beheersen, wil ze misschien in dezelfde richting sturen. De onderzoekers ontdekten dat niet-wederkerige interacties precies dit bereiken. De niet-wederkerige krachten zijn evenredig met de rotatie veroorzaakt door de soliton, zodat elke soliton zijn eigen drijvende kracht genereert.
De beweging van de solitonen is vergelijkbaar met het vallen van een keten van dominostenen, waarbij elke dominosteen zijn buurman omverwerpt. In tegenstelling tot dominostenen zorgen de niet-wederkerige interacties er echter voor dat het 'omvallen' maar in één richting kan gebeuren. Maar hoewel dominostenen maar één keer kunnen vallen, zet een soliton die langs het metamateriaal beweegt, eenvoudigweg de ketting op zodat een anti-soliton er in dezelfde richting doorheen kan bewegen. Met andere woorden: een willekeurig aantal afwisselende solitonen en anti-solitonen kan door de keten bewegen zonder dat ze hoeven te 'resetten'.
Motion control
Het begrijpen van de rol van niet-wederkerig aandrijven helpt niet alleen het gedrag van topologische solitonen in levende systemen beter te begrijpen, maar kan ook leiden tot technologische vooruitgang. Het mechanisme dat de zelfrijdende, eenrichtings-solitonen genereert, kan worden gebruikt om de beweging van verschillende soorten golven te controleren (bekend als golfgeleiding). Het kan ook een metamateriaal voorzien van een verwerkingsvermogen voor basisinformatie, zoals filtering.
Toekomstige robots kunnen topologische solitonen gebruiken voor basisrobotfunctionaliteiten zoals beweging, het uitzenden van signalen en het waarnemen van hun omgeving. Deze functionaliteiten zouden dan niet vanuit een centraal punt worden aangestuurd, maar voortkomen uit de som van de actieve delen van de robot.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Universiteit van Amsterdam