로봇 메타물질: 끝없는 도미노 효과

입자처럼 걷고 입자처럼 말한다면… 여전히 입자가 아닐 수도 있습니다. 토폴로지 솔리톤은 입자처럼 행동하는 특수한 유형의 파동 또는 전위입니다. 이리저리 이동할 수는 있지만 연못 표면의 잔물결처럼 퍼지거나 사라질 수는 없습니다. 에 발표된 새로운 연구에서 자연, 암스테르담 대학의 연구원들은 로봇 메타물질에서 토폴로지 솔리톤의 비정형 동작을 보여줍니다. 이는 미래에 로봇이 움직이고, 주변을 감지하고, 통신하는 방법을 제어하는 ​​데 사용될 수 있습니다.

위상학적 솔리톤은 여러 위치에서 다양한 길이 규모로 발견될 수 있습니다. 예를 들어, 전화 코드가 감겨 있는 꼬임 형태와 단백질과 같은 큰 분자의 형태를 취합니다. 매우 다른 규모에서 블랙홀은 시공간 구조의 위상학적 솔리톤으로 이해될 수 있습니다. 솔리톤은 생물학적 시스템에서 중요한 역할을 하며 단백질 접힘 및 형태 형성(세포 또는 기관의 발달)과 관련이 있습니다.

이동할 수 있지만 항상 모양을 유지하고 갑자기 사라지지 않는 위상학적 솔리톤의 고유한 특징은 소위 비상호적 상호작용과 결합될 때 특히 흥미롭습니다. “이러한 상호 작용에서 에이전트 A는 에이전트 B가 에이전트 A에 반응하는 방식과 다르게 에이전트 B에 반응합니다.”라고 암스테르담 대학의 박사 과정 학생이자 새 출판물의 첫 번째 저자인 Jonas Veenstra는 설명합니다.

Veenstra는 계속해서 다음과 같이 말합니다. “비상호 상호 작용은 사회와 복잡한 생활 시스템에서 흔히 볼 수 있지만 평형 상태가 아닌 시스템에서만 존재할 수 있기 때문에 대부분의 물리학자들에 의해 오랫동안 간과되어 왔습니다. 재료에 비가역 상호 작용을 도입함으로써 우리는 재료와 기계 사이의 경계를 허물고 살아 있거나 실물과 같은 재료를 만드는 것입니다.”

Veenstra가 연구를 수행하는 기계 재료 연구소는 프로그래밍 가능한 방식으로 환경과 상호 작용하는 인공 재료 및 로봇 시스템인 메타물질 설계를 전문으로 합니다. 연구팀은 거의 2년 전 당시 학생이었던 Anahita Sarvi와 Chris Ventura Meinersen이 석사 과정 ‘연구를 위한 학업 기술’에 대한 연구 프로젝트를 후속 조치하기로 결정했을 때 비상호적 상호 작용과 위상학적 솔리톤 간의 상호 작용을 연구하기로 결정했습니다.

도미노처럼 움직이는 솔리톤

연구진이 개발한 솔리톤 호스팅 메타물질은 탄성 밴드로 서로 연결된 회전 막대 체인으로 구성됩니다. 각 막대는 이웃 막대에 대한 방향에 따라 막대에 작은 힘을 가하는 작은 모터에 장착됩니다. 중요한 것은 적용되는 힘이 이웃이 어느 쪽에 있는지에 따라 달라지므로 이웃 막대 사이의 상호 작용이 상호적이지 않게 된다는 것입니다. 마지막으로 막대에 있는 자석은 체인 옆에 배치된 자석에 의해 끌어당겨져 각 막대가 왼쪽이나 오른쪽으로 회전하는 두 가지 선호 위치를 갖게 됩니다.

이 메타물질의 솔리톤은 체인의 왼쪽 및 오른쪽 회전 부분이 만나는 위치입니다. 오른쪽과 왼쪽으로 회전하는 사슬 부분 사이의 보완적인 경계는 소위 ‘반솔리톤’입니다. 이는 코드의 시계 방향과 시계 반대 방향 회전 부분이 만나는 구식 코일형 전화 코드의 꼬임과 유사합니다.

체인의 모터가 꺼지면 솔리톤과 안티솔리톤을 수동으로 어느 방향으로든 밀 수 있습니다. 그러나 모터와 이에 따른 상호 작용이 켜지면 솔리톤과 안티 솔리톤이 자동으로 체인을 따라 미끄러집니다. 둘 다 모터에 의해 부과된 반상반성에 의해 설정된 속도로 동일한 방향으로 움직입니다.

Veenstra: “많은 연구가 외부 힘을 적용하여 위상학적 솔리톤을 이동시키는 데 중점을 두었습니다. 지금까지 연구한 시스템에서는 솔리톤과 안티 솔리톤이 자연스럽게 반대 방향으로 이동하는 것으로 나타났습니다. 그러나 (안티의 동작을 제어하려는 경우) -)솔리톤, 같은 방향으로 구동하고 싶을 수도 있습니다. 우리는 비가역적 상호 작용이 정확히 이를 달성한다는 것을 발견했습니다. 비상역 힘은 솔리톤에 의해 발생하는 회전에 비례하므로 각 솔리톤은 자체 추진력을 생성합니다. .”

솔리톤의 움직임은 일련의 도미노가 떨어져서 각 도미노가 옆의 도미노를 쓰러뜨리는 것과 유사합니다. 그러나 도미노와 달리 비상호적 상호작용으로 인해 ‘넘어짐’이 한 방향으로만 발생할 수 있습니다. 그리고 도미노는 한 번만 넘어질 수 있지만, 메타물질을 따라 이동하는 솔리톤은 단순히 안티 솔리톤이 같은 방향으로 이동할 수 있도록 체인을 설정합니다. 즉, 교대하는 솔리톤과 안티 솔리톤의 수는 ‘재설정’할 필요 없이 체인을 통해 이동할 수 있습니다.

동작 제어

비가역 구동의 역할을 이해하는 것은 살아있는 시스템에서 토폴로지 솔리톤의 동작을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기술 발전으로 이어질 수도 있습니다. 본 연구에서 밝혀진 자율 구동 단방향 솔리톤을 생성하는 메커니즘은 다양한 유형의 파동(도파 유도라고 함)의 움직임을 제어하거나 필터링과 같은 기본 정보 처리 기능을 메타물질에 부여하는 데 사용될 수 있습니다. .

미래의 로봇은 움직임, 신호 보내기, 주변 감지와 같은 기본적인 로봇 기능을 위해 토폴로지 솔리톤을 사용할 수도 있습니다. 그러면 이러한 기능은 중앙 지점에서 제어되는 것이 아니라 로봇의 활성 부품의 합계에서 나타납니다.

전체적으로 현재 실험실에서 흥미로운 관찰이 되고 있는 메타물질의 솔리톤의 도미노 효과는 곧 엔지니어링 및 설계의 다양한 분야에서 역할을 하기 시작할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240320122615.htm