Les solitons topologiques, partie intégrante de divers processus naturels et technologiques, sont exploités via des interactions non réciproques pour innover dans la science des matériaux et la robotique, offrant de nouvelles possibilités de mouvement automoteur et de fonctionnalités avancées. Crédit : Issues.fr.com
S’il marche comme une particule et parle comme une particule… ce n’est peut-être toujours pas une particule. Un soliton topologique est un type particulier d’onde ou de dislocation qui se comporte comme une particule : elle peut se déplacer mais ne peut pas s’étendre et disparaître comme on pourrait s’y attendre, par exemple, d’une ondulation à la surface d’un étang. Dans une nouvelle étude publiée dans Naturedes chercheurs de l’Université d’Amsterdam démontrent le comportement atypique de solitons topologiques dans un métamatériau robotique, qui pourrait à l’avenir être utilisé pour contrôler la façon dont les robots se déplacent, détectent leur environnement et communiquent.
Les solitons topologiques peuvent être trouvés à de nombreux endroits et à de nombreuses échelles de longueur différentes. Par exemple, ils prennent la forme de plis dans des cordons téléphoniques enroulés et de grosses molécules telles que des protéines. À une échelle très différente, un trou noir peut être compris comme un soliton topologique dans la structure de l’espace-temps. Les solitons jouent un rôle important dans les systèmes biologiques, étant importants pour le repliement des protéines et la morphogenèse – le développement de cellules ou d’organes.
Les caractéristiques uniques des solitons topologiques – qu’ils peuvent se déplacer mais conservent toujours leur forme et ne peuvent pas disparaître soudainement – sont particulièrement intéressantes lorsqu’elles sont combinées avec des interactions dites non réciproques. « Dans une telle interaction, un agent A réagit à un agent B différemment de la manière dont l’agent B réagit à l’agent A », explique Jonas Veenstra, doctorant à l’Université d’Amsterdam et premier auteur de la nouvelle publication.
Veenstra poursuit : « Les interactions non réciproques sont monnaie courante dans la société et les systèmes vivants complexes, mais ont longtemps été négligées par la plupart des physiciens car elles ne peuvent exister que dans un système hors d’équilibre. En introduisant des interactions non réciproques dans les matériaux, nous espérons brouiller la frontière entre les matériaux et les machines et créer des matériaux animés ou réalistes.
Le laboratoire de matériaux de machines où Veenstra effectue ses recherches est spécialisé dans la conception métamatériaux: matériaux artificiels et systèmes robotiques qui interagissent avec leur environnement de manière programmable. L’équipe de recherche a décidé d’étudier l’interaction entre les interactions non réciproques et les solitons topologiques il y a près de deux ans, lorsque Anahita Sarvi et Chris Ventura Meinersen, alors étudiants, ont décidé de poursuivre leur projet de recherche dans le cadre du cours de maîtrise « Compétences académiques pour la recherche ».
Le métamatériau robotique avec un soliton et un anti-soliton situés aux limites entre les sections de la chaîne inclinées à gauche et à droite. Chaque tige bleue est reliée à ses voisines par des élastiques roses, et un petit moteur sous chaque tige rend les interactions entre tiges voisines non réciproques. Crédit : Jonas Veenstra/UVA
Solitons se déplaçant comme des dominos
Le métamatériau hébergeant des solitons développé par les chercheurs est constitué d’une chaîne de tiges rotatives reliées entre elles par des bandes élastiques – voir la figure ci-dessous. Chaque tige est montée sur un petit moteur qui applique une petite force sur la tige, en fonction de son orientation par rapport à ses voisines. Il est important de noter que la force appliquée dépend du côté du voisin, ce qui rend les interactions entre les tiges voisines non réciproques. Enfin, les aimants sur les tiges sont attirés par des aimants placés à côté de la chaîne de telle sorte que chaque tige ait deux positions privilégiées, tournées soit vers la gauche, soit vers la droite.
Les solitons de ce métamatériau sont les endroits où se rencontrent les sections de la chaîne tournées à gauche et à droite. Les frontières complémentaires entre les sections de chaîne tournées à droite et à gauche sont alors appelées « anti-solitons ». Ceci est analogue aux plis d’un cordon téléphonique enroulé à l’ancienne, où les sections du cordon tournant dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse se rencontrent.
Lorsque les moteurs de la chaîne sont éteints, les solitons et anti-solitons peuvent être poussés manuellement dans les deux sens. Cependant, une fois les moteurs – et donc les interactions réciproques – allumés, les solitons et anti-solitons glissent automatiquement le long de la chaîne. Ils se déplacent tous deux dans la même direction, avec une vitesse fixée par l’anti-réciprocité imposée par les moteurs.
Veenstra : « De nombreuses recherches se sont concentrées sur le déplacement des solitons topologiques en appliquant des forces externes. Dans les systèmes étudiés jusqu’à présent, les solitons et les anti-solitons se déplacent naturellement dans des directions opposées. Cependant, si vous souhaitez contrôler le comportement des (anti-)solitons, vous souhaiterez peut-être les conduire dans la même direction. Nous avons découvert que les interactions non réciproques permettent exactement cela. Les forces non réciproques sont proportionnelles à la rotation provoquée par le soliton, de sorte que chaque soliton génère sa propre force motrice.
Le mouvement des solitons s’apparente à une chaîne de dominos tombant, chacun renversant son voisin. Cependant, contrairement aux dominos, les interactions non réciproques garantissent que le « renversement » ne peut se produire que dans une seule direction. Et même si les dominos ne peuvent tomber qu’une seule fois, un soliton se déplaçant le long du métamatériau prépare simplement la chaîne permettant à un anti-soliton de se déplacer dans la même direction. En d’autres termes, n’importe quel nombre de solitons et d’anti-solitons alternés peuvent se déplacer dans la chaîne sans qu’il soit nécessaire de les « réinitialiser ».
Contrôle de mouvement
Comprendre le rôle de la conduite non réciproque nous aidera non seulement à mieux comprendre le comportement des solitons topologiques dans les systèmes vivants, mais pourra également conduire à des avancées technologiques. Le mécanisme qui génère les solitons unidirectionnels autonomes découverts dans cette étude peut être utilisé pour contrôler le mouvement de différents types d’ondes (appelé guidage d’ondes) ou pour doter un métamatériau d’une capacité de base de traitement de l’information telle que le filtrage. .
Les futurs robots pourront également utiliser des solitons topologiques pour des fonctionnalités robotiques de base telles que le mouvement, l’envoi de signaux et la détection de leur environnement. Ces fonctionnalités ne seraient alors pas pilotées depuis un point central, mais émergeraient plutôt de la somme des parties actives du robot.
Dans l’ensemble, l’effet domino des solitons dans les métamatériaux, désormais une observation intéressante en laboratoire, pourrait bientôt commencer à jouer un rôle dans différentes branches de l’ingénierie et du design.
