什麼東西可以像粒子一樣四處移動，並始終保持其形狀，但又不會像池塘表面的漣漪那樣擴散和消失？擁有這種獨特特徵的，就是所謂的拓撲孤子。拓撲孤子並非簡單的粒子，而是一種特殊類型的波或位錯。
在一項於近期發表在《自然》雜誌的新研究中，一組研究人員報道了在一種被稱為機器人超材料的系統中，拓撲孤子以一種非典型的獨特方式運動。
機器人超材料
什麼是機器人超材料？我們知道，機器人指的是能夠自主執行規定任務的設備。而超材料指的則是一些被專門設計的材料，這些材料的構成部分及其相互作用能夠產生通常在自然界中不會發生的行為。
新研究所涉及的機器人超材料，既不是傳統意義上的機器人，也不是常規的超材料，而是一種能以可程式設計的方式與環境相互作用的人工材料和機器人系統。在這個系統中，50個桿狀的機械轉子形成了一條鏈。
首先，這些旋轉的轉子通過彈性帶相互連接。與此同時，每個轉子都被安裝在一個小電動機上，電動機能夠根據轉子相對於相鄰轉子的旋轉位置，而施加一個微小的扭矩：對於任何一對相鄰的轉子，左邊轉子的旋轉，會迫使右邊的轉子向同一方向轉動；但右邊轉子的旋轉，則會迫使左邊的轉子向相反方向轉動。換言之，相鄰轉子之間的相互作用是非互易的。
在機器人超材料系統，每個轉子都用彈性帶與相鄰的轉子相連，每個轉子下面都有一個小電動機，使相鄰的轉子之間的相互作用是非互易性的：當左邊的轉子的轉動方向發生翻轉時，右邊的轉子也會翻轉，並且都會翻轉成新的方向；但是當右邊轉子的方向翻轉時，左邊的轉子不會，這一對轉子會回到原來的方向。（圖/Jonas Veenstra）
另外，在每個轉子的旁邊都放置了一個磁體，它可以對轉子上的磁體產生吸引。這使得每個轉子都有要麼偏向左邊、要麼偏向右邊的優先旋轉位置。
拓撲孤子
研究人員觀察到，在平衡狀態下，這種機器人超材料系統中的所有轉子，都處於相同的狀態——要麼全部偏向左邊，要麼全部偏向右邊。當一個轉子被輕推而狀態翻轉時，它會與相鄰的轉子相碰，使相鄰的轉子也翻轉。
如此一來，在偏向左邊和偏向右邊的轉子之間，就會產生一個遊動的邊界，而這個邊界，正是一種被稱為孤子的遊動拓撲缺陷。而與之互補的偏向右邊和偏向左邊的轉子之間的邊界，被稱為反孤子。
在平衡狀態下，轉子的旋轉方向要麼偏向左邊要麼偏向右邊。當受到擾動時，會出現一個由相鄰的偏向左邊和偏向右邊的轉子形成的遊動邊界，這個邊界被稱為孤子。與此同時，也會出現一個由相鄰的偏向右邊和偏向左邊的轉子形成的遊動邊界，這個邊界被稱為反孤子。（圖/Jonas Veenstra）
當電動機被關閉時，孤子和反孤子可以在任意一個方向上被手動推動。然而，一旦開啟電動機，孤子和反孤子就會自動沿著這條鏈，朝同一個方向運動，其速度由電動機施加的反互易性決定。
過去的很多相關研究都聚焦在通過施加外力來移動拓撲孤子。而在目前已被研究的系統中，孤子和反孤子都會自然地沿著相反的方向運動。然而，如果想要控制孤子和反孤子的行為，科學家希望能讓它們朝同一個方向運動。
現在，在這項新的研究中，科學家利用非互易性的相互作用實現了這個目標。非互易性的力，正比於孤子所引起的旋轉。如此一來，每個孤子都能產生自己的驅動力。
像多米諾一樣移動
研究人員將這些孤子的運動比喻成一連串倒下的多米諾骨牌，每一個都會推倒與它相鄰的孤子。然而，與多米諾骨牌不同的是，非互易性的相互作用確保了「倒塌」只能發生在一個方向上。而且真正的多米諾骨牌只能倒下一次，但沿著這種超材料系統運動的孤子，則是創建了一個可以讓反孤子以相同方向穿過的鏈。換句話說，任意數量的交替的孤子和反孤子，都可以在這個鏈中移動，無需「復位」。
研究人員表示，非互易性相互作用在社會和複雜的生命系統中很常見，但長期以來被大多數物理學家所忽視，因為它們只存在於非平衡系統中。通過在這種超材料中引入非互易性相互作用，研究人員希望能模糊材料與機器之間的界限，這不僅有助於研究人員更好地理解生命系統中拓撲孤子的行為，而且還可以帶來技術上的進步。
未來的機器人還可以使用拓撲孤子來實現基本的機器人功能，如運動、發出信號和感知周圍環境。這些功能將不再由一個中心點控制，而是由機器人活動部件的總和產生。總的來說，超材料中孤子的多米諾骨牌效應，是科學家在實驗室中觀測到的一個有趣結果。或許很快，它就能在工程和設計的不同分支中發揮作用。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.uva.nl/en/shared-content/subsites/institute-of-physics/en/news/2024/03/an-endless-domino-effect.html?cb&cb
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07097-6
https://www.nature.com/articles/d41586-024-00622-7
#圖片來源：
封面圖&首圖：Pixabay