Разработана платформа, способную выполнять вычисления с помощью механических преобразований на наноуровне

Такая платформа открывает возможности для периферийных вычислений с низким энергопотреблением, интерактивных систем мониторинга окружающей среды и умных роботов.

Исследователи добились этого, используя уникальную механическую реакцию мягких полимеров на наноуровне. Механическая реакция — это изменение структуры под воздействием силы. Ученые  использовали эту реакцию для создания крошечных механических устройств, которые с помощью реконфигурируемого движения запоминают и обрабатывают информацию, имитируя поведение нейронов в мозге. Поскольку ключевые вычислительные функции встроены в свойства самого материала, количество компонентов, необходимых для их выполнения, сведено к минимуму, что позволяет создать компактную и универсальную платформу для обработки информации

Биологические системы могут использовать физические изменения, такие как движение или деформация, для эффективной обработки информации без необходимости доступа к центральному контроллеру.

Например, у осьминога очень распределенная нервная система: около двух третей нейронов расположены в щупальцах. Это позволяет осьминогу воспринимать и обрабатывать информацию об окружающей среде локально и генерировать ответные реакции без необходимости доступа к центральному мозгу.

Вдохновившись такой эффективностью, исследователи решили разработать платформу, способную выполнять вычисления с помощью механических преобразований на наноуровне. В механических вычислениях вычисления выполняются посредством физических преобразований, таких как движение и сжатие.

В то время как биомиметические механические вычислительные платформы разрабатывались на микро- и макроуровнях, исследователи из Массачусетского технологического института уменьшили свое устройство до наномасштаба. На таком уровне даже незначительные механические преобразования могут привести к радикальным изменениям свойств материала. Это может стать основой для сложных вычислений на энергоэффективной платформе.

Однако достижение обратимых наномеханических преобразований, необходимых для таких вычислений, является фундаментальной проблемой. Когда две поверхности оказываются очень близко друг к другу, между ними возникают сильные адгезионные силы, которые притягивают их друг к другу, и разъединить их становится невозможно.

Чтобы решить эту фундаментальную проблему, исследователи создали устройство со сверхтонкой пленкой из мягкого полимера полидиметилсилоксана (ПДМС), зажатой между двумя металлическими электродами. Эта мягкая прокладка уравновешивает силы сцепления между двумя металлическими поверхностями, предотвращая необратимое столкновение электродов. Когда исследователи подают на устройство напряжение, две металлические пластины притягиваются друг к другу, сжимая мягкий материал и изменяя электрический ток, проходящий через устройство.

В мозге каждый нейрон постепенно накапливает электрический заряд, пока не достигнет порогового значения и не активируется, передавая информацию другим нейронам в сети.

Устройство, разработанное исследователями, имитирует такое поведение. При подаче напряжения с течением времени оно накапливает стимул, поскольку электроды постепенно сжимают полидиметилсилоксан. После достижения порогового значения устройство «возбуждается», как нейрон, а затем возвращается в исходное состояние.

Поскольку вычислительные ресурсы и память объединены в одном устройстве без необходимости использования внешних компонентов, таких как конденсаторы или сложные схемы, эта платформа может обеспечить высокую энергоэффективность при небольших размерах.

Устройство также может быть совместимо с биологическими системами Например, оно может быть полезно в таких областях, как «умные» протезы, способные быстро обрабатывать тактильные данные, или маломощные носимые устройства, которые собирают и анализируют показатели здоровья в режиме реального времени.