Cómo los solitones doblan el tiempo, el espacio y las reglas

Los solitones topológicos, una parte integral de diversos procesos naturales y tecnológicos, se están explotando a través de interacciones no recíprocas para innovar en la ciencia de los materiales y la robótica, ofreciendo nuevas posibilidades de movimiento autopropulsado y funcionalidad avanzada. Crédito: SciTechDaily.com

Si camina como una partícula y habla como una partícula… aún así podría no ser una partícula. Un liberón topológico es un tipo especial de onda o dislocación que se comporta como una partícula: puede moverse pero no puede expandirse y desaparecer como cabría esperar, por ejemplo, de una onda en la superficie de un estanque. En un nuevo estudio publicado en NaturalezaInvestigadores de la Universidad de Ámsterdam demuestran el comportamiento atípico de los salutones topológicos en un metamaterial robótico, algo que en el futuro podría usarse para controlar cómo se mueven los robots, perciben su entorno y se comunican.

Los solitones topológicos se pueden encontrar en muchos lugares y en muchas escalas de longitud diferentes. Por ejemplo, toman la forma de nodos. cables telefónicos en espiral y moléculas grandes como las proteínas. En una escala muy diferente, un agujero negro puede entenderse como un liberón topológico en el tejido del espacio-tiempo. Los solitones juegan un papel importante en los sistemas biológicos, siendo relevantes para plegamiento de proteínas Y morfogénesis – el desarrollo de células u órganos.

Las características únicas de los salutons topológicos (que pueden moverse pero siempre mantienen su forma y no pueden desaparecer repentinamente) son particularmente interesantes cuando se combinan con las llamadas interacciones no recíprocas. «En tal interacción, un agente A reacciona ante un agente B de manera diferente a la forma en que el agente B reacciona ante el agente A», explica Jonas Veenstra, candidato a doctorado en la Universidad de Ámsterdam y primer autor de la nueva publicación.

Veenstra continúa: “Las interacciones no recíprocas son comunes en la sociedad y en los sistemas vivos complejos, pero la mayoría de los físicos las han pasado por alto durante mucho tiempo porque solo pueden existir en un sistema fuera de equilibrio. Al introducir interacciones no recíprocas en los materiales, esperamos desdibujar la línea entre materiales y máquinas y crear materiales animados o realistas”.

El Laboratorio de Materiales de Máquinas donde Veenstra desarrolla su investigación está especializado en diseño metamateriales: materiales artificiales y sistemas robóticos que interactúan con el medio ambiente de forma programable. El grupo de investigación decidió estudiar la interacción entre interacciones no recíprocas y liberones topológicos hace casi dos años, cuando los entonces estudiantes Anahita Sarvi y Chris Ventura Meinersen decidieron continuar su proyecto de investigación para el curso de maestría «Habilidades Académicas para la Investigación».

El metamaterial robótico con un saluton y un antisoliton que se encuentran en los límites entre las secciones inclinadas hacia la izquierda y hacia la derecha de la cadena. Cada varilla azul está conectada a sus vecinas con bandas elásticas rosas, y un pequeño motor debajo de cada varilla hace que las interacciones entre las varillas vecinas no sean recíprocas. Crédito: Jonas Veenstra/UvA

Los solitones se mueven como fichas de dominó.

El metamaterial que alberga eliton desarrollado por los investigadores consiste en una cadena de varillas giratorias conectadas entre sí mediante bandas elásticas (consulte la figura siguiente). Cada varilla está montada en un pequeño motor que aplica una pequeña fuerza a la varilla, dependiendo de cómo esté orientada con respecto a las vecinas. Es importante destacar que la fuerza aplicada depende de qué lado está el vecino, lo que hace que las interacciones entre varillas vecinas no sean recíprocas. Finalmente, los imanes de las varillas son atraídos por imanes colocados al lado de la cadena de modo que cada varilla tenga dos posiciones preferidas, giradas hacia la izquierda o hacia la derecha.

Los solitones en este metamaterial son el lugar donde se unen las secciones de la cadena que giran hacia la izquierda y hacia la derecha. Los límites complementarios entre las secciones de la cadena giradas hacia la derecha y hacia la izquierda son, por tanto, los llamados «antisolitones». Esto es análogo a las curvas de un antiguo cable telefónico enrollado, donde se unen las secciones del cable en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Cuando los motores de la cadena están apagados, los salutones y antisolitones se pueden empujar manualmente en cualquier dirección. Sin embargo, una vez que se encienden los motores (y, por lo tanto, se activan las interacciones mutuas), los salutones y antisolitones se deslizan automáticamente a lo largo de la cadena. Ambos se mueven en la misma dirección, con una velocidad determinada por la antireciprocidad que imponen los motores.

Veenstra: “Muchas investigaciones se han centrado en mover liberones topológicos mediante la aplicación de fuerzas externas. En los sistemas estudiados hasta ahora, se ha descubierto que los liberones y antisolitones viajan naturalmente en direcciones opuestas. Sin embargo, si desea controlar el comportamiento de los (anti)solitones, es posible que desee dirigirlos en la misma dirección. Descubrimos que las interacciones no recíprocas logran exactamente esto. Las fuerzas no recíprocas son proporcionales a la rotación provocada por el saluton, de modo que cada saluton genera su propia fuerza motriz.

El movimiento de los salutons es similar a una cadena de fichas de dominó que caen, cada una derribando a la que está a su lado. Sin embargo, a diferencia del dominó, las interacciones no recíprocas garantizan que el «derroque» sólo pueda ocurrir en una dirección. Y mientras que las fichas de dominó sólo pueden caer una vez, un salutón que se mueve a lo largo del metamaterial simplemente prepara la cadena para que un antisolitón se mueva a través de ella en la misma dirección. En otras palabras, cualquier número de liberones y antisolitones alternos pueden moverse a lo largo de la cadena sin necesidad de «reiniciar».

Control de movimiento

Comprender el papel de la guía no recíproca no sólo nos ayudará a comprender mejor el comportamiento de los salutones topológicos en los sistemas vivos, sino que también puede conducir a avances tecnológicos. El mecanismo que genera los liberos unidireccionales autoguiados descubierto en este estudio se puede utilizar para controlar el movimiento de diferentes tipos de ondas (conocido como guía de ondas) o para dotar a un metamaterial de una capacidad básica de procesamiento de información como el filtrado.

Los robots del futuro también podrán utilizar señales topológicas para funciones robóticas básicas como movimiento, envío de señales y detección de su entorno. Por tanto, estas funcionalidades no se controlarían desde un punto central, sino que surgirían de la suma de las partes activas del robot.

Con todo, el efecto dominó de los salutones en metamateriales, ahora una interesante observación en el laboratorio, pronto podría comenzar a desempeñar un papel en varias ramas de la ingeniería y el diseño.

Referencia: “Solitones topológicos no recíprocos en metamateriales activos” por Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayun, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen y Corentin Coulais, 20 de marzo de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07097-6