Natuurkundigen creëren ‘ademende golf’ in robotisch materiaal

Een bijzonder soort golfverschijnsel, dat soms voorkomt in ondiep water, is nu nagebootst in een robotisch materiaal. Dit maakt het mogelijk om deze ‘ademende’ golven beter te bestuderen.

Een solitonische golf, of soliton, is een enkele golf die over lange afstanden beweegt en daarbij zijn snelheid en vorm behoudt. Dit in tegenstelling tot normale golven die zich verspreiden, zoals bijvoorbeeld de golven die ontstaan als je een steen in een vijver gooit.

Het bestaan van solitonen werd al in 1834 beschreven door de Schotse ingenieur John Scott Russell. Hij zag hoe de boeggolf van een langsvarende boot met vrijwel dezelfde snelheid en vorm door een kanaal bleef bewegen. Pas in 1895 werd dit verschijnsel wiskundig verklaard, door de Nederlandse wiskundigen Diederik Korteweg en Gustav de Vries.

LEES OOK

'Door naar influencers te luisteren, ga je verkeerde keuzes maken'

Hoe herken je medische misinformatie die wordt verspreid door influencers? Yvette Linders doet onderzoek naar de rol van deze nieuwe 'gezondheidsadvis ...

Het bijzondere golfverschijnsel komt niet alleen voor in ondiep water, maar ook bij lichtgolven en magneetvelden en op andere plekken waar golven een rol spelen. En nu hebben natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam stabiele solitonen opgewekt in een keten van mechanische oscillatoren. Ze publiceerden hun werk in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review X.

Een keten van oscillatoren waarin solitonische golven ontstaan die een lange tijd blijven bestaan. Beeld: Universiteit van Amsterdam, Machine Materials Lab.

Kink in telefoonsnoer

De Amsterdamse onderzoekers ontwikkelden hiervoor een actief metamateriaal: een kunstmatig materiaal met aandrijving, dat programmeerbaar reageert op zijn omgeving. In dit geval bestaat het systeem uit een reeks roterende staven (de oscillatoren) die met elastiekjes aan elkaar vastzitten. Elk staafje zit vast op een motortje. De kracht die het motortje uitoefent, is afhankelijk van de stand van het staafje ten opzichte van zijn buren. Naburige magneten trekken de staafjes naar hun voorkeurspositie: loodrecht op de rij.

De onderzoekers publiceerden in maart 2024 ook al over een vergelijkbaar systeem waarbij ze een andere vorm solitonen nabootsten. Het belangrijkste verschil was dat de magneten er toen voor zorgden dat de staafjes naar links of naar rechts gedraaid stonden. Dat resulteerde in zogeheten topologische solitonen, zegt natuurkundige Jonas Veenstra van de Universiteit van Amsterdam. Die verschillen van de niet-topologische solitonen die ze nu hebben opgewekt.

‘Topologische solitonen kun je vergelijken met een knik in een ouderwets, gedraaid telefoonsnoer’, zegt Veenstra. Aan de ene kant daarvan draait het snoer linksom en aan de andere kant rechtsom. Je kunt die kink verplaatsen over het snoer. En je kunt de onregelmatigheid weghalen door hem naar een van de uiteinden van het snoer te schuiven. In het metamateriaal waren de solitonen de plekken waar een naar links en een naar rechts gedraaid deel van de staafjesrij elkaar tegenkomen.

Tsunami’s

Nu hebben de onderzoekers het systeem zo aangepast dat er niet-topologische solitonen in ontstaan. Dit zijn ‘ademende’ solitonen die hun vorm en snelheid behouden. Ook dit golfverschijnsel komt ‘in het wild’ voor. De golf die Russell zag in een Schots kanaal, was er een voorbeeld van, net als tsunami’s.

In het metamateriaal zorgde de beweging van een staafje ervoor dat het staafje ernaast ook in beweging kwam. Het materiaal is zo ontworpen dat de reactie van de staafjes asymmetrisch was. Daardoor werd de beweging van een staafje alleen naar rechts of naar links doorgegeven, en niet beide kanten op. Dat uitte zich in een golfbeweging door het materiaal die naar links of naar rechts schoof. De golf – het wiebelen van de staafjes – bleef even sterk en bewoog met een constante snelheid in een richting. De golf behield dus zijn vorm en snelheid.

In de echte wereld zorgt wrijving ervoor dat dit soort golven uitdoven. Daardoor bestaan ze meestal niet lang. Maar in het lab werd er energie in het materiaal gestopt via de motortjes. Daardoor doofde deze ademende soliton niet uit.

‘Dankzij de magneten en de asymmetrische reactie van de oscillatoren konden we voorkomen dat de golf zich beide kanten op verspreidde en uitdoofde’, zegt teamlid en natuurkundige Corentin Coulais. Het was niet eenvoudig om dit voor elkaar te krijgen. Coulais: ‘Je moet de onderdelen in het materiaal precies goed op elkaar afstemmen. Het was best een uitdaging om golven te creëren die in één richting bewegen, met dezelfde snelheid, dezelfde amplitude en zonder dat ze uit elkaar drijven.’ Dat maakt deze solitonen lastiger dan de topologische. Als je niets doet blijven die namelijk, net als een kink in een telefoonsnoer, netjes op hun plek, zonder te verplaatsen of uit te doven.

Energietransport

Dit soort langlevende solitonen hebben verschillende toepassingen. Ze stellen onderzoekers bijvoorbeeld in staat dit bijzondere golfverschijnsel beter te bestuderen. Verder kunnen dit soort golven, bijvoorbeeld als lichtgolven, gebruikt worden voor het efficiënt transporteren van informatie of zelfs energie. Dit soort toepassingen willen de natuurkundigen verder gaan bestuderen in vervolgonderzoek.