Se si muove come una particella e sembra in tutto una particella… potrebbe comunque non essere una particella. I solitoni topologici sono un tipo speciale di onda o dislocazione che si comporta come una particella: possono muoversi ma non può espandersi e scomparire come ci si aspetterebbe, ad esempio, da un’increspatura sulla superficie di uno stagno.
In uno studio pubblicato su Nature, i ricercatori dell’Università di Amsterdam dimostrano il comportamento atipico dei solitoni topologici in un metamateriale robotico, qualcosa che in futuro potrebbe essere utilizzato per controllare il modo in cui i robot si muovono, percepiscono l’ambiente circostante e comunicano.
I solitoni topologici possono essere trovati in molti luoghi e su molte scale di lunghezza diverse. Ad esempio, assumono la forma di attorcigliamenti nei cavi telefonici arrotolati e di grandi molecole come le proteine. Su una scala molto diversa, un buco nero può essere inteso come un solitone topologico nel tessuto dello spaziotempo. I solitoni svolgono un ruolo importante nei sistemi biologici, essendo rilevanti per il ripiegamento delle proteine e la morfogenesi, ovvero lo sviluppo di cellule o organi.
Le caratteristiche uniche dei solitoni topologici – ovvero che possono muoversi ma mantengono sempre la loro forma e non possono scomparire all’improvviso – sono particolarmente interessanti se combinate con le cosiddette interazioni non reciproche. “In tale interazione, un agente A reagisce a un agente B in modo diverso rispetto al modo in cui l’agente B reagisce all’agente A“, spiega Jonas Veenstra, dottorando presso l’Università di Amsterdam e primo autore della pubblicazione.
Veenstra continua: “Le interazioni non reciproche sono comuni nella società e nei sistemi viventi complessi, ma sono state a lungo trascurate dalla maggior parte dei fisici perché possono esistere solo in un sistema fuori equilibrio. Introducendo interazioni non reciproche nei materiali, speriamo di offuscare il confine tra materiali e macchine e di creare materiali animati o realistici”.
Il Machine Materials Laboratory dove Veenstra svolge le sue ricerche è specializzato nella progettazione di metamateriali: materiali artificiali e sistemi robotici che interagiscono con il loro ambiente in modo programmabile. Il gruppo di ricerca ha deciso di studiare l’interazione tra interazioni non reciproche e solitoni topologici quasi due anni fa, quando gli allora studenti Anahita Sarvi e Chris Ventura Meinersen hanno deciso di dare seguito al loro progetto di ricerca per il corso di Master “Academic Skills for Research“.
Il metamateriale robotico con un solitone e un anti-solitone che si trovano ai confini tra le sezioni inclinate a sinistra e a destra della catena. Ogni asta blu è collegata a quelle vicine con elastici rosa, e un piccolo motore sotto ciascuna asta rende le interazioni tra le aste vicine non reciproche. Credito: Jonas Veenstra/UvA
I solitoni si muovono come pezzi del domino
Il metamateriale che ospita solitoni sviluppato dai ricercatori è costituito da una catena di aste rotanti collegate tra loro da elastici. Ogni asta è montata su un piccolo motore che applica una piccola forza all’asta, a seconda di come questa è orientata rispetto a quelle vicine. È importante sottolineare che la forza applicata dipende da quale lato si trova il vicino, rendendo le interazioni tra le aste vicine non reciproche. Infine, i magneti presenti sulle aste vengono attratti da magneti posti accanto alla catena in modo tale che ciascuna asta abbia due posizioni preferite, ruotata verso sinistra o verso destra.
I solitoni in questo metamateriale sono i punti in cui si incontrano le sezioni ruotate a sinistra e a destra della catena. I confini complementari tra le sezioni della catena ruotate a destra e a sinistra sono quindi i cosiddetti “anti-solitoni”. Ciò è analogo alle pieghe di un cavo telefonico a spirale vecchio stile, dove le sezioni del cavo che ruotano in senso orario e antiorario si incontrano.
Quando i motori della catena sono spenti, i solitoni e gli anti-solitoni possono essere spinti manualmente in entrambe le direzioni. Tuttavia, una volta accesi i motori – e quindi le reciproche interazioni – i solitoni e gli antisolitoni scivolano automaticamente lungo la catena. Entrambi si muovono nella stessa direzione, con una velocità determinata dall’antireciprocità imposta dai motori.
Veenstra: “Molte ricerche si sono concentrate sullo spostamento dei solitoni topologici applicando forze esterne. Nei sistemi studiati finora, si è scoperto che solitoni e anti-solitoni viaggiano naturalmente in direzioni opposte. Tuttavia, se vuoi controllare il comportamento degli (anti-)solitoni, potresti volerli guidare nella stessa direzione. Abbiamo scoperto che le interazioni non reciproche raggiungono esattamente questo obiettivo. Le forze non reciproche sono proporzionali alla rotazione causata dal solitone, in modo tale che ogni solitone genera la propria forza motrice.
Il movimento dei solitoni è simile a una catena di tessere del domino che cadono e ciascuna fa cadere quella vicina. Tuttavia, a differenza del domino, le interazioni non reciproche assicurano che il “rovesciamento” possa avvenire solo in una direzione. E mentre le tessere del domino possono cadere solo una volta, un solitone che si muove lungo il metamateriale prepara semplicemente la catena affinché un anti-solitone si muova attraverso di essa nella stessa direzione. In altre parole, qualsiasi numero di solitoni e anti-solitoni alternati può muoversi lungo la catena senza la necessità di “ripristinarsi”.
Controllo del movimento
Comprendere il ruolo della guida non reciproca non solo ci aiuterà a comprendere meglio il comportamento dei solitoni topologici nei sistemi viventi, ma può anche portare a progressi tecnologici. Il meccanismo che genera i solitoni unidirezionali autoguidati scoperti in questo studio può essere utilizzato per controllare il movimento di diversi tipi di onde (noto come guida d’onda) o per dotare un metamateriale di una capacità di elaborazione delle informazioni di base come il filtraggio .
I futuri robot potranno anche utilizzare solitoni topologici per funzionalità robotiche di base come il movimento, l’invio di segnali e il rilevamento dell’ambiente circostante. Queste funzionalità non verrebbero quindi controllate da un punto centrale, ma emergerebbero piuttosto dalla somma delle parti attive del robot.
Tutto sommato, l’effetto domino dei solitoni nei metamateriali, ora un’interessante osservazione in laboratorio, potrebbe presto iniziare a svolgere un ruolo in diversi rami dell’ingegneria e del design.
Riferimento: “Non-reciprocal topological solitons in active metamaterials”” di Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayun, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen e Corentin Coulais, 20 marzo 2024, Nature
DOI: 10.1038/s41586-024-07097-6
