Физики из Нидерландов и Великобритании продемонстрировали, что хаотические колебания в роботизированном метаматериале могут организовываться в кристалл времени самостоятельно, без необходимости внешнего ритма.
Физики из Амстердамского университета, Лейденского университета и британских научных учреждений продемонстрировали, что кристалл времени может образовываться сам по себе, без внешне заданного ритма. Исследование, проведенное под руководством Йонаса Венстра из Амстердамского университета, было опубликовано в журнале Nature 14 октября.
Кристаллом времени называют состояние вещества, в котором его компоненты повторяют одно и то же движение через строго равные промежутки времени. Атомы обычного кристалла формируют повторяющуюся решетку в пространстве. Кристалл времени же воспроизводит себя во времени, как запись, которую можно наложить на саму себя с регулярным сдвигом. Обычно такой порядок задается извне, например, ритмическими импульсами. Новое исследование описывает систему, которая упорядочивается самостоятельно.
Ученые создали с помощью 3D-принтера плоский метаматериал, напоминающий пчелиные соты. Это искусственная структура, свойства которой определяются ее конструкцией, а не составом. Решетка состоит из 37 связанных ячеек, в каждой из которых размещены три упругих шестиугольника с датчиками, приводами и электронными контроллерами. Ячейки взаимодействуют несимметрично: когда один шестиугольник сжимается, его сосед по часовой стрелке также сжимается, а сосед против часовой стрелки расширяется. Физики называют такие связи невзаимными, так как один элемент влияет на другой, но не получает аналогичного ответа.
Сначала материал колебался хаотично, примерно 30 раз в секунду. Постепенно крупные волны подавляли мелкие, а длина волны, период и амплитуда колебаний увеличивались. В итоге вся структура начала двигаться синхронно. Авторы назвали этот процесс волновым огрублением (wave coarsening). В другом эксперименте ученые собрали упругое кольцо с 24 моторами и поместили его на воздушный стол, где трение почти отсутствует. Колебания кольца проходили через все более простые многоугольные формы, и короткие волны уступали место длинным.
Математическое моделирование показало, что синхронные колебания устойчивы к случайным возмущениям. По расчетам, порядок должен сохраняться даже в системе практически бесконечного размера. «Активные упругие метаматериалы — это золотая жила новой физики. Мы наблюдали новый способ, которым их движения изменяются и растут, подобно волнам, приводя к спонтанному образованию кристалла времени. Небольшие случайные изменения не нарушают порядок в нашей системе», — отметил соавтор исследования, почетный профессор теоретической физики Лейденского университета Вим ван Сарлос.
Авторы рассматривают волновое огрубление как образцовый путь к кристаллизации во времени. По их мнению, полученные результаты могут быть полезны в акустике, мягкой робототехнике и оптомеханике. В Лейденском университете считают, что данная работа является шагом к многофункциональным роботам, устроенным по образцу живых организмов. Части таких машин смогут двигаться согласованно без необходимости внешних управляющих сигналов.
Фото: hi-tech.mail.ru