Ktoś klepie cię w ramię. Zorganizowane receptory dotykowe w skórze wysyłają wiadomość do mózgu, który przetwarza informacje i kieruje wzrok w lewo, w kierunku kranu. Teraz naukowcy z Penn State i US Air Force wykorzystali to przetwarzanie informacji mechanicznych i zintegrowali je z materiałami inżynieryjnymi, które „myślą”.
Praca, opublikowana dzisiaj (24 sierpnia) w Nature, opiera się na nowatorskiej, rekonfigurowalnej alternatywie dla układów scalonych. Układy scalone składają się zazwyczaj z wielu elementów elektronicznych umieszczonych na jednym materiale półprzewodnikowym, zwykle krzemie, i obsługują wszystkie rodzaje nowoczesnej elektroniki, w tym telefony, samochody i roboty. Układy scalone to urzeczywistnienie przez naukowców przetwarzania informacji podobnego do roli mózgu w ludzkim ciele. Według głównego badacza Ryana Harne’a, profesora inżynierii mechanicznej James F. Will Career Development w Penn State, układy scalone są podstawowym składnikiem potrzebnym do skalowalnego przetwarzania sygnałów i informacji, ale nigdy wcześniej nie były realizowane przez naukowców w składzie innym niż krzem półprzewodniki.
Odkrycie jego zespołu ujawniło możliwość, że prawie każdy otaczający nas materiał zachowuje się jak własny układ scalony: jest w stanie „myśleć” o tym, co się wokół niego dzieje.
„Stworzyliśmy pierwszy przykład materiału inżynierskiego, który może jednocześnie wyczuwać, myśleć i działać na naprężenia mechaniczne bez konieczności dodatkowych obwodów przetwarzających takie sygnały” – powiedział Harne. „Miękki materiał polimerowy działa jak mózg, który może odbierać cyfrowe ciągi informacji, które są następnie przetwarzane, w wyniku czego powstają nowe sekwencje informacji cyfrowych, które mogą kontrolować reakcje”.
Miękki, przewodzący materiał mechaniczny zawiera rekonfigurowalne obwody, które mogą realizować logikę kombinacyjną: gdy materiał otrzymuje bodźce zewnętrzne, przekształca dane wejściowe na informacje elektryczne, które są następnie przetwarzane w celu wytworzenia sygnałów wyjściowych. Materiał może wykorzystywać siłę mechaniczną do obliczania złożonej arytmetyki, jak wykazali Harne i jego zespół, lub wykrywać częstotliwości radiowe w celu przekazywania określonych sygnałów świetlnych, między innymi potencjalnych przykładów translacji. Możliwości są ogromne, powiedział Harne, ponieważ układy scalone można zaprogramować tak, aby robiły tak wiele.
„Odkryliśmy, jak korzystać z matematyki i kinematyki – jak poruszają się poszczególne elementy systemu – w sieciach mechaniczno-elektrycznych” – powiedział Harne. „Pozwoliło nam to zrealizować podstawową formę inteligencji w materiałach inżynierskich, ułatwiając w pełni skalowalne przetwarzanie informacji nieodłącznie związane z systemem materiałów miękkich”.
Według Harne, materiał wykorzystuje podobny proces „myślenia” jak ludzie i ma potencjalne zastosowania w autonomicznych systemach poszukiwawczo-ratowniczych, w naprawach infrastruktury, a nawet w materiałach biohybrydowych, które mogą identyfikować, izolować i neutralizować patogeny w powietrzu.
„To, co czyni ludzi inteligentnymi, to nasze środki do obserwowania i myślenia o informacjach, które otrzymujemy za pomocą naszych zmysłów, zastanawiając się nad związkiem między tymi informacjami a tym, jak możemy zareagować” – powiedział Harne.
Chociaż nasze reakcje mogą wydawać się automatyczne, proces ten wymaga nerwów w ciele, aby zdigitalizować informacje sensoryczne, aby sygnały elektryczne mogły dotrzeć do mózgu. Mózg odbiera tę sekwencję informacyjną, ocenia ją i każe ciału odpowiednio zareagować.
Aby materiały mogły przetwarzać i myśleć o informacjach w podobny sposób, muszą wykonać te same skomplikowane obliczenia wewnętrzne, powiedział Harne. Kiedy naukowcy poddają swój materiał inżynieryjny informacjom mechanicznym – przyłożonej sile, która deformuje materiał – przetwarzają informacje na sygnały, które ich sieć elektryczna może rozwijać i oceniać.
Proces opiera się na wcześniejszych pracach zespołu nad miękkim, mechanicznym metamateriałem, który może „myśleć” o tym, jak działają na niego siły i reagować za pomocą zaprogramowanych reakcji, szczegółowo opisanych w Nature Communications w zeszłym roku. Według Harne’a ten wcześniejszy materiał ograniczał się tylko do bramek logicznych działających na binarnych sygnałach wejścia-wyjścia i nie miał możliwości obliczenia operacji logicznych wysokiego poziomu, które są kluczowe dla układów scalonych.
Badacze utknęli w miejscu, dopóki nie odkryli artykułu z 1938 r. opublikowanego przez Claude’a E. Shannona, który później stał się znany jako „ojciec teorii informacji”. Shannon opisał sposób na stworzenie układu scalonego, konstruując mechaniczno-elektryczne sieci przełączające, które są zgodne z prawami matematyki Boole’a – tymi samymi binarnymi bramkami logicznymi, których Harne używał wcześniej.
„Ostatecznie przemysł półprzewodnikowy nie przyjął tej metody wytwarzania układów scalonych w latach 60., decydując się zamiast tego na zastosowanie podejścia bezpośredniego montażu” – powiedział Harne. „Matematycznie ugruntowana filozofia projektowa Shannona została zagubiona w piaskach czasu, więc kiedy przeczytaliśmy artykuł, byliśmy zdumieni, że nasze wstępne prace dokładnie urzeczywistniały wizję Shannona”.
Jednak praca Shannona była hipotetyczna, powstała prawie 30 lat przed opracowaniem układów scalonych i nie dotyczyła skalowania sieci.
„Wprowadziliśmy znaczne modyfikacje w filozofii projektowania Shannona, aby nasze sieci mechaniczno-elektryczne były zgodne z rzeczywistością zasad montażu układów scalonych” – powiedział Harne. „Wyskoczyliśmy z naszej podstawowej filozofii projektowania bramek logicznych z badań z 2021 r. i w pełni zsynchronizowaliśmy zasady projektowania z zasadami sformułowanymi przez Shannona, aby ostatecznie uzyskać mechaniczne materiały obwodów scalonych – efektywny mózg ze sztucznej materii”.
Naukowcy opracowują teraz materiał do przetwarzania informacji wizualnych tak, jak przetwarza sygnały fizyczne.
„Obecnie tłumaczymy to na sposób „widzenia”, aby wzmocnić poczucie „dotykania”, które obecnie stworzyliśmy” – powiedział Harne. „Naszym celem jest opracowanie materiału, który zademonstruje autonomiczną nawigację w środowisku, widząc znaki, podążając za nimi i manewrując z dala od niekorzystnych sił mechanicznych, takich jak coś, co na niego nadepnie”.
Inni autorzy artykułu to Charles El Helou, doktorant inżynierii mechanicznej w Penn State, oraz Benjamin Grossman, Christopher E. Tabor i Philip R. Buskohl z Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych USA.
Badania te sfinansowały Harne’s National Science Foundation Early Career Development Award oraz amerykańskie siły powietrzne.