만약 그것이 입자처럼 걷고, 입자처럼 이야기한다면… 그것은 여전히 입자가 아닐 수도 있습니다. 위상 솔리톤은 입자처럼 행동하는 특별한 유형의 파동 또는 전위입니다: 그것은 움직일 수 있지만, 예를 들어, 연못 표면의 잔물결로부터 여러분이 기대하는 것처럼 퍼지고 사라질 수는 없습니다. 네이처에 게재된 새로운 연구에서, 암스테르담 대학의 연구원들은 로봇 메타물질에서 위상 솔리톤의 비정형적인 행동을 보여주는데, 이것은 미래에 로봇이 어떻게 움직이고, 주변 환경을 감지하고, 의사소통하는지를 제어하는 데 사용될 수 있습니다.
위상학적 솔리톤은 많은 장소와 다양한 길이 척도에서 발견될 수 있습니다. 예를 들어, 그것들은 감긴 전화 코드와 단백질과 같은 큰 분자의 꼬임 형태를 갖습니다. 매우 다른 척도에서 블랙홀은 시공간 구조에서 위상학적 솔리톤으로 이해될 수 있습니다. 솔리톤은 단백질 접힘과 형태 형성, 즉 세포나 장기의 발달과 관련된 생물학적 시스템에서 중요한 역할을 합니다.
위상적 솔리톤의 독특한 특징들 – 그것들은 움직일 수 있지만 항상 그들의 모양을 유지하고 갑자기 사라질 수 없다는 – 은 소위 비상호적인 상호작용과 결합될 때 특히 흥미롭습니다. “이러한 상호작용에서, 에이전트 A는 에이전트 B와 에이전트 A가 반응하는 방식에 다르게 반응합니다”라고 암스테르담 대학의 박사과정 학생이자 새로운 출판물의 첫 번째 저자인 조나스 빈스트라가 설명합니다.
빈스트라는 계속합니다: “비 상호 작용은 사회와 복잡한 생명 시스템에서 흔히 볼 수 있지만 평형을 벗어난 시스템에서만 존재할 수 있기 때문에 대부분의 물리학자들이 오랫동안 간과해 왔습니다. 물질에 비 상호 작용을 도입함으로써, 우리는 물질과 기계 사이의 경계를 모호하게 만들고 동물적이거나 실물과 같은 물질을 만들기를 희망합니다.”
빈스트라가 그의 연구를 하는 기계 재료 연구소는 프로그래밍 가능한 방식으로 환경과 상호 작용하는 인공 재료와 로봇 시스템과 같은 메타 물질을 설계하는 것을 전문으로 합니다. 연구팀은 거의 2년 전 당시 학생이었던 아나히타 사르비(Anahita Sarvi)와 크리스 벤추라 마이너센(Chris Ventura Meinersen)이 MSC 과정 ‘연구를 위한 학문적 기술’을 위한 연구 프로젝트를 후속 연구하기로 결정했을 때 상호 작용하지 않는 상호 작용과 위상적 솔리톤 사이의 상호 작용을 연구하기로 결정했습니다.
도미노처럼 움직이는 솔리톤
연구원들이 개발한 솔리톤 호스팅 메타물질은 서로 탄성 밴드로 연결된 회전 막대 사슬로 구성되어 있습니다. 각 막대는 작은 모터에 장착되어 막대가 이웃에 대해 어떻게 배향되는지에 따라 작은 힘을 가합니다. 중요한 것은 가해지는 힘이 이웃이 어느 쪽에 있는지에 따라 달라지므로 이웃 막대 사이의 상호 작용이 상호 작용하지 않는다는 것입니다. 마지막으로 막대 위의 자석은 각 막대가 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하여 선호하는 두 위치를 갖는 방식으로 사슬 옆에 배치된 자석에 의해 끌립니다.
이 메타물질에서 솔리톤은 사슬의 왼쪽과 오른쪽으로 회전하는 부분이 만나는 곳입니다. 그렇다면 오른쪽과 왼쪽으로 회전하는 사슬 부분 사이의 보완적인 경계는 이른바 ‘반솔리톤’입니다. 이것은 시계방향과 시계 반대방향으로 회전하는 부분이 만나는 구식 코일 전화 코드의 꼬임과 유사합니다.
사슬의 모터가 꺼지면, 솔리톤과 반-솔리톤은 어느 방향으로든 수동으로 밀어질 수 있습니다. 하지만 모터가 켜지면, 그리고 그에 따라 상호작용이 일어나면서 솔리톤과 반-솔리톤은 자동으로 사슬을 따라 미끄러집니다. 그들은 모두 같은 방향으로 움직이고, 모터에 의해 부과된 반-호혜성에 의해 설정된 속도로 움직입니다.
빈스트라: “많은 연구가 외부 힘을 가하여 위상학적 솔리톤을 이동시키는 데 초점을 맞추고 있습니다. 지금까지 연구된 시스템에서 솔리톤과 반 솔리톤은 자연스럽게 반대 방향으로 이동하는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 만약 여러분이 반(反) 솔리톤의 행동을 제어하고 싶다면, 여러분은 그들을 같은 방향으로 몰아가는 것이 좋을 것입니다. 우리는 비 상호 작용이 정확히 이것을 달성한다는 것을 발견했습니다. 비 상호 작용은 솔리톤에 의한 회전에 비례하므로 각 솔리톤은 자체 구동력을 생성합니다.”
솔리톤의 움직임은 도미노 연쇄가 떨어지는 것과 비슷하고, 각각의 도미노가 이웃을 넘어뜨립니다. 하지만 도미노와 달리 비상호적인 상호작용은 ‘도미노가 한 방향으로만 떨어질 수 있도록 보장합니다. 그리고 도미노는 한 번만 넘어질 수 있지만, 메타물질을 따라 이동하는 솔리톤은 반솔리톤이 같은 방향으로 이동할 수 있도록 사슬을 만들어줍니다. 즉, 몇 개의 솔리톤과 반솔리톤이 교대로 연결된 사슬을 ‘재설정’할 필요 없이 이동할 수 있습니다.
모션컨트롤
비상호 구동의 역할을 이해하는 것은 생명체 시스템에서 위상 솔리톤의 행동을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기술 발전을 이끌 수 있습니다. 이 연구에서 밝혀진 자율 주행, 단방향 솔리톤을 생성하는 메커니즘은 다양한 유형의 파동의 움직임을 제어하거나 메타 물질에 필터링과 같은 기본 정보 처리 기능을 부여하는 데 사용될 수 있습니다.
미래의 로봇은 또한 이동, 신호 전송 및 주변 감지와 같은 기본적인 로봇 기능을 위해 토폴로지 솔리톤을 사용할 수 있습니다. 그런 다음 이러한 기능은 중심점에서 제어되는 것이 아니라 로봇의 활성 부분의 합에서 나옵니다.
대체적으로, 이제 연구실에서 흥미로운 관찰이 되고 있는 메타물질에서 솔리톤의 도미노 효과는 곧 공학과 디자인의 다양한 분야에서 역할을 하기 시작할 것입니다.