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.

Curving Crystals When a material with a different set of lattice parameters is grown on the surface of a crystal of a second material, the stresses at the interface can affect the growing crystal. Meng et al. (p. 634 ) studied the growth of colloidal crystals on top of a curved water droplet. Owing to the elastic stress caused by the bending of the crystal, strong distortions occurred in the growing crystal, but, nonetheless, large single-crystalline domains with no topological defects were formed.

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

Linear mechanical systems with time-modulated parameters can harbor oscillations with amplitudes that grow or decay exponentially with time due to the phenomenon of parametric resonance. While the resonance properties of individual oscillators are well understood, those of systems of coupled oscillators remain challenging to characterize. Here we determine the parametric resonance conditions for time-modulated mechanical systems by exploiting the internal symmetries arising from the real-valued and symplectic nature of classical mechanics. We also determine how these conditions are further constrained when the system exhibits external symmetries. In particular, we analyze systems with space-time symmetry where the system remains invariant after a combination of discrete translation in both space and time. For such systems, we identify a combined space-time translation operator that provides more information about the dynamics of the system than the Floquet operator does and use it to derive conditions for one-way amplification of traveling waves. Our exact theoretical framework based on symmetries enables the design of exotic responses such as nonreciprocal transport and one-way amplification in dynamic mechanical metamaterials and is generalizable to all physical systems that obey space-time symmetry.

Range expansions are common in natural populations. They can take such forms as an invasive species spreading into a new habitat or a virus spreading from host to host during a pandemic. When the expanding species is capable of dispersing offspring over long distances, population growth is driven by rare but consequential long-range dispersal events that seed satellite colonies far from the densely occupied core of the population. These satellites accelerate growth by accessing unoccupied territory, and also act as reservoirs for maintaining neutral genetic variation present in the originating population, which would ordinarily be lost to drift. Prior theoretical studies of dispersal-driven expansions have shown that the sequential establishment of satellites causes initial genetic diversity to be either lost or maintained to a level determined by the breadth of the distribution of dispersal distances. If the tail of the distribution falls off faster than a critical threshold, diversity is steadily eroded over time; by contrast, broader distributions with a slower falloff allow some initial diversity to be maintained for arbitrarily long times. However, these studies used lattice-based models and assumed an instantaneous saturation of the local carrying capacity after the arrival of a founder. Real-world populations expand in continuous space with complex local dynamics, which potentially allow multiple pioneers to arrive and establish within the same local region. Here, we evaluate the impact of local dynamics on the population growth and the evolution of neutral diversity using a computational model of range expansions with long-range dispersal in continuous space, with explicit local dynamics that can be controlled by altering the mix of local and long-range dispersal events. We found that many qualitative features of population growth and neutral genetic diversity observed in lattice-based models are preserved under more complex local dynamics, but quantitative aspects such as the rate of population growth, the level of maintained diversity, and the rate of decay of diversity all depend strongly on the local dynamics. Besides identifying situations in which modeling the explicit local population dynamics becomes necessary to understand the population structure of jump-driven range expansions, our results show that local dynamics affects different features of the population in distinct ways, and can be more or less consequential depending on the degree and form of long-range dispersal as well as the scale at which the population structure is measured.

Range expansions lead to distinctive patterns of genetic variation in populations, even in the absence of selection. These patterns and their genetic consequences have been well-studied for populations advancing through successive short-ranged migration events. However, most populations harbor some degree of long-range dispersal, experiencing rare yet consequential migration events over arbitrarily long distances. Although dispersal is known to strongly affect spatial genetic structure during range expansions, the resulting patterns and their impact on neutral diversity remain poorly understood. Here, we systematically study the consequences of long-range dispersal on patterns of neutral variation during range expansion in a class of dispersal models which spans the extremes of local (effectively short-ranged) and global (effectively well-mixed) migration. We find that sufficiently long-ranged dispersal leaves behind a mosaic of monoallelic patches, whose number and size are highly sensitive to the distribution of dispersal distances. We develop a coarse-grained model which connects statistical features of these spatial patterns to the evolution of neutral diversity during the range expansion. We show that growth mechanisms that appear qualitatively similar can engender vastly different outcomes for diversity: depending on the tail of the dispersal distance distribution, diversity can either be preserved (i.e. many variants survive) or lost (i.e. one variant dominates) at long times. Our results highlight the impact of spatial and migratory structure on genetic variation during processes as varied as range expansions, species invasions, epidemics, and the spread of beneficial mutations in established populations.

Adaptation in extended populations often occurs through multiple independent mutations responding in parallel to a common selection pressure. As the mutations spread concurrently through the population, they leave behind characteristic patterns of polymorphism near selected loci -- so-called soft sweeps -- which remain visible after adaptation is complete. These patterns are well-understood in two limits of the spreading dynamics of beneficial mutations: the panmictic case with complete absence of spatial structure, and spreading via short-ranged or diffusive dispersal events, which tessellates space into distinct compact regions each descended from a unique mutation. However, spreading behaviour in most natural populations is not exclusively panmictic or diffusive, but incorporates both short-range and long-range dispersal events. Here, we characterize the spatial patterns of soft sweeps driven by dispersal events whose jump distances are broadly distributed, using lattice-based simulations and scaling arguments. We find that mutant clones adopt a distinctive structure consisting of compact cores surrounded by fragmented "haloes" which mingle with haloes from other clones. As long-range dispersal becomes more prominent, the progression from diffusive to panmictic behaviour is marked by two transitions separating regimes with differing relative sizes of halo to core. We analyze the implications of the core-halo structure for the statistics of soft sweep detection in small genomic samples from the population, and find opposing effects of long-range dispersal on the expected diversity in global samples compared to local samples from geographic subregions of the range. We also discuss consequences of the standing genetic variation induced by the soft sweep on future adaptation and mixing.