Bir parçacık gibi yürür ve bir parçacık gibi konuşursa… yine de bir parçacık olmayabilir. Topolojik soliton, bir parçacık gibi davranan özel bir dalga veya dislokasyon türüdür: hareket edebilir ancak örneğin bir göletin yüzeyindeki bir dalgalanmadan beklediğiniz gibi yayılıp kaybolamaz. Nature dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, Amsterdam Üniversitesi’nden araştırmacılar topolojik solitonların robotik bir metamateryaldeki atipik davranışını gösteriyorlar; bu davranış gelecekte robotların nasıl hareket ettiğini, çevrelerini nasıl algıladıklarını ve iletişim kurduklarını kontrol etmek için kullanılabilecek bir şey.
Topolojik solitonlar birçok yerde ve birçok farklı uzunluk ölçeğinde bulunabilir. Örneğin, bükülmüş telefon kabloları ve proteinler gibi büyük moleküller şeklini alırlar. Çok farklı bir ölçekte, bir kara delik uzay-zaman dokusundaki topolojik bir soliton olarak anlaşılabilir. Solitonlar biyolojik sistemlerde önemli bir rol oynar, protein katlanması ve morfogenez ile ilgilidir – hücrelerin veya organların gelişimi.
Topolojik solitonların benzersiz özellikleri – hareket edebilmeleri ancak her zaman şekillerini korumaları ve aniden yok olmamaları – karşılıklı olmayan etkileşimlerle birleştirildiğinde özellikle ilginçtir. Amsterdam Üniversitesi’nde doktora öğrencisi ve yeni yayının ilk yazarı olan Jonas Veenstra, “Böyle bir etkileşimde, bir A ajanı bir B ajanına, B ajanının A ajanına verdiği tepkiden farklı bir tepki verir” diyor.
Veenstra şöyle devam ediyor: “Karşılıklı olmayan etkileşimler toplumda ve karmaşık canlı sistemlerde yaygındır, ancak çoğu fizikçi tarafından uzun zamandır göz ardı edilmiştir, çünkü yalnızca denge dışındaki bir sistemde var olabilirler. Malzemelerde karşılıklı olmayan etkileşimleri ortaya koyarak, malzemeler ve makineler arasındaki sınırı bulanıklaştırmayı ve canlı veya gerçeğe yakın malzemeler yaratmayı umuyoruz.”
Veenstra’nın araştırmalarını yürüttüğü Makine Malzemeleri Laboratuvarı, metamalzemeler tasarlama konusunda uzmanlaşmıştır: çevreleriyle programlanabilir bir şekilde etkileşime giren yapay malzemeler ve robotik sistemler. Araştırma ekibi, karşılıklı olmayan etkileşimler ve topolojik solitonlar arasındaki etkileşimi incelemeye yaklaşık iki yıl önce, o zamanki öğrenciler Anahita Sarvi ve Chris Ventura Meinersen, ‘Araştırma için Akademik Beceriler’ yüksek lisans dersi için araştırma projelerini takip etmeye karar verdiklerinde karar verdi.
Domino taşları gibi hareket eden solitonlar
Araştırmacılar tarafından geliştirilen soliton barındıran metamateryal, birbirlerine elastik bantlarla bağlı dönen çubuklar zincirinden oluşuyor. Her çubuk, komşularına göre nasıl yönlendirildiğine bağlı olarak çubuğa küçük bir kuvvet uygulayan küçük bir motora monte edilmiştir. Daha da önemlisi, uygulanan kuvvet komşunun hangi tarafta olduğuna bağlıdır, bu da komşu çubuklar arasındaki etkileşimleri karşılıklı olmayan hale getirir. Son olarak, çubuklar üzerindeki mıknatıslar, zincirin yanına yerleştirilen mıknatıslar tarafından, her bir çubuğun sola veya sağa döndürülmüş iki tercih edilen pozisyona sahip olacağı şekilde çekilir.
Bu metamateryaldeki solitonlar, zincirin sola ve sağa döndürülmüş bölümlerinin buluştuğu yerlerdir. Sağa ve sola döndürülmüş zincir bölümleri arasındaki tamamlayıcı sınırlar ise ‘anti-solitonlar’ olarak adlandırılır. Bu, eski moda sarmal bir telefon kablosunda, kablonun saat yönünde ve saat yönünün tersine dönen bölümlerinin buluştuğu kıvrımlara benzer.
Zincirdeki motorlar kapatıldığında, solitonlar ve anti-solitonlar her iki yönde de elle itilebilir. Ancak, motorlar ve dolayısıyla karşılıklı etkileşimler açıldığında, solitonlar ve anti-solitonlar zincir boyunca otomatik olarak kayar. Her ikisi de aynı yönde hareket eder ve hızları motorlar tarafından uygulanan anti-karşılıklılık tarafından belirlenir.
Veenstra: “Pek çok araştırma, dış kuvvetler uygulayarak topolojik solitonları hareket ettirmeye odaklanmıştır. Şimdiye kadar incelenen sistemlerde, solitonların ve anti-solitonların doğal olarak zıt yönlerde hareket ettiği görüldü. Ancak, (anti-)solitonların davranışını kontrol etmek istiyorsanız, onları aynı yönde hareket ettirmek isteyebilirsiniz. Karşılıklı olmayan etkileşimlerin tam olarak bunu başardığını keşfettik. Karşılıklı olmayan kuvvetler solitonun neden olduğu rotasyonla orantılıdır, öyle ki her soliton kendi itici kuvvetini üretir.”
Solitonların hareketi, her biri komşusunu deviren bir domino taşı zincirinin düşmesine benzer. Ancak domino taşlarının aksine, karşılıklı olmayan etkileşimler ‘devrilmenin’ yalnızca bir yönde gerçekleşmesini sağlıyor. Domino taşları yalnızca bir kez devrilebilirken, metamalzeme boyunca hareket eden bir soliton, aynı yönde hareket edecek bir anti-soliton için zinciri oluşturuyor. Başka bir deyişle, herhangi bir sayıda alternatif soliton ve anti-soliton, ‘sıfırlamaya’ gerek kalmadan zincir boyunca hareket edebilir.
Hareket kontrolü
Karşılıklı olmayan sürüşün rolünü anlamak sadece canlı sistemlerdeki topolojik solitonların davranışını daha iyi anlamamıza yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda teknolojik ilerlemelere de yol açabilecektir. Bu çalışmada ortaya çıkarılan kendi kendine giden, tek yönlü solitonları üreten mekanizma, farklı dalga türlerinin hareketini kontrol etmek (dalga kılavuzlama olarak bilinir) veya bir metamalzemeye filtreleme gibi temel bir bilgi işleme yeteneği kazandırmak için kullanılabilir.
Geleceğin robotları topolojik solitonları hareket, sinyal gönderme ve çevrelerini algılama gibi temel robotik işlevler için de kullanabilir. Bu işlevler daha sonra merkezi bir noktadan kontrol edilmeyecek, bunun yerine robotun aktif parçalarının toplamından ortaya çıkacaktır.
Sonuç olarak, metamalzemelerdeki solitonların domino etkisi, şu anda laboratuvarda ilginç bir gözlem olmakla birlikte, yakında mühendislik ve tasarımın farklı dallarında rol oynamaya başlayabilir.
*Bu yazı Robotic metamaterial: An endless domino effect başlıklı yazıdan çevrilmiştir.
