Um efeito dominó sem fim:sólitons topológicos não recíprocos em metamateriais ativos

O metamaterial robótico com um sóliton e um anti-soliton situados nos limites entre as seções inclinadas para a esquerda e para a direita da cadeia. Cada haste azul é conectada às suas vizinhas com elásticos rosa, e um pequeno motor sob cada haste torna as interações entre as hastes vizinhas não recíprocas. Crédito:Jonas Veenstra/UvA

Os sólitons topológicos podem ser encontrados em muitos lugares e em muitas escalas de comprimento diferentes. Por exemplo, eles assumem a forma de dobras em cabos telefônicos enrolados e moléculas grandes, como proteínas. Numa escala muito diferente, um buraco negro pode ser entendido como um sóliton topológico na estrutura do espaço-tempo. Os solitons desempenham um papel importante nos sistemas biológicos, sendo relevantes para o dobramento de proteínas e a morfogênese – o desenvolvimento de células ou órgãos.

As características únicas dos sólitons topológicos – que podem se mover, mas sempre mantêm sua forma e não podem desaparecer repentinamente – são particularmente interessantes quando combinadas com as chamadas interações não recíprocas. “Em tal interação, um agente A reage a um agente B de maneira diferente da forma como o agente B reage ao agente A”, explica Jonas Veenstra, Ph.D. estudante da Universidade de Amsterdã e primeiro autor da nova publicação.

Veenstra continua:"As interações não recíprocas são comuns na sociedade e nos sistemas vivos complexos, mas há muito tempo são negligenciadas pela maioria dos físicos porque só podem existir em um sistema fora de equilíbrio. Ao introduzir interações não recíprocas nos materiais, esperamos confundir o fronteira entre materiais e máquinas e para criar materiais animados ou realistas."

O Laboratório de Materiais de Máquinas, onde Veenstra faz suas pesquisas, é especializado em projetar metamateriais:materiais artificiais e sistemas robóticos que interagem com seu ambiente de forma programável.

A equipe de pesquisa decidiu estudar a interação entre interações não recíprocas e sólitons topológicos há quase dois anos, quando os então estudantes Anahita Sarvi e Chris Ventura Meinersen decidiram dar continuidade ao seu projeto de pesquisa para o curso de mestrado 'Habilidades Acadêmicas para Pesquisa'.

Crédito:Universidade de Amsterdã

Solitons se movendo como dominós

O metamaterial hospedeiro de soliton desenvolvido pelos pesquisadores consiste em uma cadeia de hastes rotativas que são ligadas entre si por faixas elásticas. Cada haste é montada em um pequeno motor que aplica uma pequena força na haste, dependendo de como ela está orientada em relação às vizinhas.

É importante ressaltar que a força aplicada depende de qual lado o vizinho está, tornando as interações entre as hastes vizinhas não recíprocas. Finalmente, os ímãs nas hastes são atraídos por ímãs colocados próximos à corrente de tal forma que cada haste tenha duas posições preferidas, giradas para a esquerda ou para a direita.

Sólitons neste metamaterial são os locais onde as seções da cadeia giradas para a esquerda e para a direita se encontram. Os limites complementares entre as seções da cadeia giradas para a direita e para a esquerda são então chamados de 'anti-sólitons'. Isso é análogo às dobras em um cabo telefônico enrolado à moda antiga, onde seções do cabo girando no sentido horário e anti-horário se encontram.

Quando os motores da corrente são desligados, os sólitons e anti-sólitons podem ser empurrados manualmente em qualquer direção. No entanto, uma vez ligados os motores - e, portanto, as interações recíprocas -, os sólitons e anti-sólitons deslizam automaticamente ao longo da cadeia. Ambos se movem na mesma direção, com velocidade determinada pela anti-reciprocidade imposta pelos motores.

Veenstra diz:"Muitas pesquisas se concentraram em mover sólitons topológicos aplicando forças externas. Nos sistemas estudados até agora, descobriu-se que sólitons e anti-sólitons viajam em direções opostas naturalmente. No entanto, se você quiser controlar o comportamento de ( anti-)solitons, você pode querer conduzi-los na mesma direção."

"Descobrimos que as interações não recíprocas conseguem exatamente isso. As forças não recíprocas são proporcionais à rotação causada pelo sóliton, de modo que cada sóliton gera sua própria força motriz."

O movimento dos sólitons é semelhante a uma cadeia de dominós caindo, cada um derrubando o vizinho. No entanto, ao contrário do dominó, as interações não recíprocas garantem que a “derrubada” só possa acontecer numa direção.

E embora os dominós só possam cair uma vez, um sóliton movendo-se ao longo do metamaterial simplesmente configura a corrente para que um anti-sóliton se mova através dele na mesma direção. Em outras palavras, qualquer número de sólitons e anti-sólitons alternados pode se mover através da cadeia sem a necessidade de “reiniciar”.

Controle de movimento

Compreender o papel da condução não recíproca não só nos ajudará a compreender melhor o comportamento dos sólitons topológicos em sistemas vivos, mas também pode levar a avanços tecnológicos. O mecanismo que gera os sólitons unidirecionais e autônomos descobertos neste estudo pode ser usado para controlar o movimento de diferentes tipos de ondas (conhecido como guia de ondas) ou para dotar um metamaterial com uma capacidade básica de processamento de informações, como a filtragem.

Os robôs do futuro também podem usar sólitons topológicos para funcionalidades robóticas básicas, como movimento, envio de sinais e detecção do ambiente. Estas funcionalidades não seriam então controladas a partir de um ponto central, mas sim surgiriam da soma das partes ativas do robô.

Em suma, o efeito dominó dos sólitons em metamateriais, agora uma observação interessante em laboratório, poderá em breve começar a desempenhar um papel em diferentes ramos da engenharia e do design.

O estudo foi publicado na revista Nature .

Mais informações: Corentin Coulais, Sólitons topológicos não recíprocos em metamateriais ativos, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07097-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07097-6
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Amsterdã

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