Секрет инновации — в использовании уникального механического отклика мягких полимеров на наноуровне, то есть того, как структура меняется в результате приложении силы. Исследователи из Массачусетского технологического института задействовали этот отклик, чтобы создать крошечные механические устройства, которые с помощью перестраиваемого движения запоминают и обрабатывают информацию, имитируя поведение нейронов в мозге. Поскольку ключевые вычислительные функции встроены в собственные свойства мягкого полимерного материала, число необходимых компонентов сведено к минимуму. Так возникает компактная и универсальная платформа для обработки информации.
Как объясняет старший автор работы Фарназ Нируи, сложные и связанные наноразмерные явления открывают огромный потенциал для новых подходов к вычислениям и интеграции нескольких функций — вычислений, зондирования и приведения в действие, — позволяя достичь уровней энергоэффективности, автономности и перестраиваемости, которые трудно получить на обычных платформах.
Вдохновением для ученых послужили биологические системы, которые умеют использовать физические изменения — движение или деформацию — для эффективной обработки информации без центрального контроллера. Например, у осьминога около двух третей нейронов распределены по щупальцам, что позволяет ему локально воспринимать и обрабатывать информацию об окружающей среде и реагировать без участия центрального мозга.
«Осьминога можно рассматривать как непрерывную вычислительную материю, в которой вычисления, память, зондирование и приведение в действие распределены по всему телу», — добавляет Нируи.
Исследователи решили создать похожую платформу, способную вычислять с помощью механических преобразований. При этом команда уменьшила устройство до наномасштаба, так что даже мельчайшие механические трансформации приводят к резким изменениям свойств материала, что позволяет добиться сложных вычислений в энергоэффективной платформе, пишет MIT News.
Добиться обратимых наномеханических преобразований не просто — когда две поверхности сближаются, сильные адгезионные силы притягивают их друг к другу, и разъединить их становится невозможно. Чтобы обойти это, исследователи поместили между двумя металлическими электродами сверхтонкую пленку мягкого полимера полидиметилсилоксана. Этот мягкий разделитель уравновешивает адгезионные силы между металлическими поверхностями, не давая электродам схлопнуться. При подаче напряжения металлические пластины притягиваются, сжимая мягкий материал и изменяя электрический ток через устройство. После сжатия полимеру нужно время, чтобы вернуться в исходное состояние, поэтому устройство динамически «запоминает» историю приложенных сил и напряжений и преобразует ее в электрический отклик.
На базе этого устройства исследователи продемонстрировали искусственный нейрон. В мозге каждый нейрон накапливает электрический заряд понемногу, пока не достигнет порога и не «выстрелит», передавая информацию другим нейронам сети. Устройство ведет себя так же: по мере подачи напряжения оно накапливает стимул, пока электроды постепенно сжимают полимер, а после «выстреливает» как нейрон, прежде чем вернуться в исходное состояние.
По словам разработчиков, устройство может быть совместимо с биологическими системами — с умными протезами, быстро обрабатывающими тактильные данные, или маломощными носимыми пластырями, собирающими и анализирующими показатели здоровья в реальном времени.
