Topological mechanical metamaterials are artificial structures whose unusual properties are protected very much like their electronic and optical counterparts. Here, we present an experimental and theoretical study of an active metamaterial -- comprised of coupled gyroscopes on a lattice -- that breaks time-reversal symmetry. The vibrational spectrum of these novel structures displays a sonic gap populated by topologically protected edge modes which propagate in only one direction and are unaffected by disorder. We present a mathematical model that explains how the edge mode chirality can be switched via controlled distortions of the underlying lattice. This effect allows the direction of the edge current to be determined on demand. We envision applications of these edges modes to the design of loss-free, one-way, acoustic waveguides and demonstrate this functionality in experiment.

Mechanical metamaterials are artificial structures whose properties originate from their geometry. In such structures, it is now shown that topological modes can exist that are robust against a range of structural deformations. Mechanical metamaterials are artificial structures with unusual properties, such as negative Poisson ratio, bistability or tunable vibrational properties, that originate in the geometry of their unit cell1,2,3,4,5. Often at the heart of such unusual behaviour is a soft mode: a motion that does not significantly stretch or compress the links between constituent elements. When activated by motors or external fields, soft modes become the building blocks of robots and smart materials. Here, we demonstrate the existence of topological soft modes that can be positioned at desired locations in a metamaterial while being robust against a wide range of structural deformations or changes in material parameters6,7,8,9,10. These protected modes, localized at dislocations in deformed kagome and square lattices, are the mechanical analogue of topological states bound to defects in electronic systems11,12,13,14. We create physical realizations of the topological modes in prototypes of kagome lattices built out of rigid triangular plates. We show mathematically that they originate from the interplay between two Berry phases: the Burgers vector of the dislocation and the topological polarization of the lattice. Our work paves the way towards engineering topologically protected nanomechanical structures for molecular robotics or information storage and read-out.

Out of equilibrium, a lack of reciprocity is the rule rather than the exception. Non-reciprocity occurs, for instance, in active matter1–6, non-equilibrium systems7–9, networks of neurons10,11, social groups with conformist and contrarian members12, directional interface growth phenomena13–15 and metamaterials16–20. Although wave propagation in non-reciprocal media has recently been closely studied1,16–20, less is known about the consequences of non-reciprocity on the collective behaviour of many-body systems. Here we show that non-reciprocity leads to time-dependent phases in which spontaneously broken continuous symmetries are dynamically restored. We illustrate this mechanism with simple robotic demonstrations. The resulting phase transitions are controlled by spectral singularities called exceptional points21. We describe the emergence of these phases using insights from bifurcation theory22,23 and non-Hermitian quantum mechanics24,25. Our approach captures non-reciprocal generalizations of three archetypal classes of self-organization out of equilibrium: synchronization, flocking and pattern formation. Collective phenomena in these systems range from active time-(quasi)crystals to exceptional-point-enforced pattern formation and hysteresis. Our work lays the foundation for a general theory of critical phenomena in systems whose dynamics is not governed by an optimization principle. A theoretical study of non-reciprocity in collective phenomena reveals the emergence of time-dependent phases heralded by exceptional points in contexts ranging from synchronization and flocking to pattern formation.

Networks of rigid bars connected by joints, termed linkages, provide a minimal framework to design robotic arms and mechanical metamaterials built out of folding components. Here, we investigate a chain-like linkage that, according to linear elasticity, behaves like a topological mechanical insulator whose zero-energy modes are localized at the edge. Simple experiments we performed using prototypes of the chain vividly illustrate how the soft motion, initially localized at the edge, can in fact propagate unobstructed all the way to the opposite end. We demonstrate using real prototypes, simulations and analytical models that the chain is a mechanical conductor, whose carriers are nonlinear solitary waves, not captured within linear elasticity. Indeed, the linkage prototype can be regarded as the simplest example of a topological metamaterial whose protected mechanical excitations are solitons, moving domain walls between distinct topological mechanical phases. More practically, we have built a topologically protected mechanism that can perform basic tasks such as transporting a mechanical state from one location to another. Our work paves the way towards adopting the principle of topological robustness in the design of robots assembled from activated linkages as well as in the fabrication of complex molecular nanostructures.

Abstract We study the hydrodynamics of fluids composed of self-spinning objects such as chiral grains or colloidal particles subject to torques. These chiral active fluids break both parity and time-reversal symmetries in their non-equilibrium steady states. As a result, the constitutive relations of chiral active media display a dissipationless linear-response coefficient called odd (or equivalently, Hall) viscosity. This odd viscosity does not lead to energy dissipation, but gives rise to a flow perpendicular to applied pressure. We show how odd viscosity arises from non-linear equations of hydrodynamics with rotational degrees of freedom, once linearized around a non-equilibrium steady state characterized by large spinning speeds. Next, we explore odd viscosity in compressible fluids and suggest how our findings can be tested in the context of shock propagation experiments. Finally, we show how odd viscosity in weakly compressible chiral active fluids can lead to density and pressure excess within vortex cores.

States of self-stress, tensions and compressions of structural elements that result in zero net forces, play an important role in determining the load-bearing ability of structures ranging from bridges to metamaterials with tunable mechanical properties. We exploit a class of recently introduced states of self-stress analogous to topological quantum states to sculpt localized buckling regions in the interior of periodic cellular metamaterials. Although the topological states of self stress arise in the linear response of an idealized mechanical frame of harmonic springs connected by freely-hinged joints, they leave a distinct signature in the nonlinear buckling behaviour of a cellular material built out of elastic beams with rigid joints. The salient feature of these localized buckling regions is that they are indistinguishable from their surroundings as far as material parameters or connectivity of their constituent elements are concerned. Furthermore, they are robust against a wide range of structural perturbations. We demonstrate the effectiveness of this topological design through analytical and numerical calculations as well as buckling experiments performed on two- and three-dimensional metamaterials built out of stacked kagome lattices.

Origami and kirigami have emerged as potential tools for the design of mechanical metamaterials whose properties such as curvature, Poisson ratio, and existence of metastable states can be tuned using purely geometric criteria. A major obstacle to exploiting this property is the scarcity of tools to identify and program the flexibility of fold patterns. We exploit a recent connection between spring networks and quantum topological states to design origami with localized folding motions at boundaries and study them both experimentally and theoretically. These folding motions exist due to an underlying topological invariant rather than a local imbalance between constraints and degrees of freedom. We give a simple example of a quasi-1D folding pattern that realizes such topological states. We also demonstrate how to generalize these topological design principles to two dimensions. A striking consequence is that a domain wall between two topologically distinct, mechanically rigid structures is deformable even when constraints locally match the degrees of freedom.Received 5 August 2015DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.135501© 2016 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasCompressive strengthContinuum mechanicsPhysical SystemsMetamaterialsCondensed Matter, Materials & Applied PhysicsInterdisciplinary Physics