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無需計(jì)算機(jī)就能執(zhí)行計(jì)算任務(wù)！研究人員設(shè)計(jì)出會“思考”的新材料

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2022-08-25 14:46:25

有人拍了拍你的肩膀，皮膚中組織有序的觸覺感受器會向大腦發(fā)送信息，大腦會處理信息并引導(dǎo)您向左看，朝敲擊的方向看。現(xiàn)在，賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國空軍的研究人員已經(jīng)利用這種機(jī)械信息處理并將其集成到“思考”的工程材料中。

機(jī)械集成電路材料可以像計(jì)算機(jī)一樣執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，而無需計(jì)算機(jī)。在這里，示例材料執(zhí)行算術(shù)，比較數(shù)字，并將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為 LED 顯示形式。圖片來源：Charles El Helou/賓夕法尼亞州立大學(xué)

發(fā)表在《自然》雜志上的這項(xiàng)工作取決于一種新穎的、可重新配置的集成電路替代方案。集成電路通常由封裝在單一半導(dǎo)體材料（通常是硅）上的多個(gè)電子元件組成，它們運(yùn)行所有類型的現(xiàn)代電子產(chǎn)品，包括電話、汽車和機(jī)器人。集成電路是科學(xué)家實(shí)現(xiàn)的類似于大腦在人體中的作用的信息處理. 根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程系首席研究員 Ryan Harne 和 James F. Will 職業(yè)發(fā)展副教授的說法，集成電路是信號和信息的可擴(kuò)展計(jì)算所需的核心組成部分。

他的團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)揭示了我們周圍幾乎所有材料都可以像集成電路一樣發(fā)揮作用：能夠“思考”周圍發(fā)生的事情。

“我們創(chuàng)造了第一個(gè)工程材料的例子，它可以同時(shí)感知、思考和作用于機(jī)械應(yīng)力，而不需要額外的電路來處理這些信號，”Harne 說：“這種柔軟的聚合物材料就像一個(gè)大腦，可以接收數(shù)字信息串，然后進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生可以控制反應(yīng)的新數(shù)字信息序列。”

柔軟的導(dǎo)電機(jī)械材料包含可重構(gòu)電路，可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯：當(dāng)材料接收到外部刺激時(shí)，它將輸入轉(zhuǎn)換為電信息，然后經(jīng)過處理以產(chǎn)生輸出信號。正如 Harne 和他的團(tuán)隊(duì)所展示的那樣，這種材料可以使用機(jī)械力來計(jì)算復(fù)雜的算術(shù)，或者檢測無線電頻率以傳達(dá)特定的光信號，以及其他潛在的翻譯示例。哈恩說，可能性是廣泛的，因?yàn)榧呻娐房梢酝ㄟ^編程來做很多事情。

“我們發(fā)現(xiàn)了如何在機(jī)電網(wǎng)絡(luò)中使用數(shù)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)——系統(tǒng)的各個(gè)組成部分如何移動(dòng)，”哈恩說：“這使我們能夠通過促進(jìn)軟材料系統(tǒng)固有的完全可擴(kuò)展的信息處理來實(shí)現(xiàn)工程材料中一種基本的智能形式。”

由導(dǎo)電和非導(dǎo)電橡膠材料制成的機(jī)械集成電路材料可以感知力并對其施加的力作出反應(yīng)。圖片來源：Charles El Helou/賓夕法尼亞州立大學(xué)

根據(jù) Harne 的說法，這種材料使用與人類相似的“思考”過程，并在自主搜索和救援系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施維修甚至可以識別、隔離和中和空氣傳播病原體的生物混合材料中具有潛在應(yīng)用。

“讓人類變得聰明的是我們觀察和思考我們通過感官接收到的信息的方式，反映這些信息與我們?nèi)绾畏磻?yīng)之間的關(guān)系，”哈恩說。

雖然我們的反應(yīng)似乎是自動(dòng)的，但這個(gè)過程需要身體中的神經(jīng)將感覺信息數(shù)字化，以便電信號可以傳播到大腦。大腦接收到這個(gè)信息序列，對其進(jìn)行評估并告訴身體做出相應(yīng)的反應(yīng)。

Harne 指出，對于以類似方式處理和思考信息的材料，它們必須執(zhí)行相同的復(fù)雜內(nèi)部計(jì)算。當(dāng)研究人員將他們的工程材料置于機(jī)械信息（使材料變形的作用力）下時(shí)，它會將信息數(shù)字化為信號，其電網(wǎng)可以推進(jìn)和評估。

該過程建立在該團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)一種柔軟的機(jī)械超材料的工作基礎(chǔ)上，該材料可以“思考”如何將力施加到它上并通過程序化反應(yīng)做出反應(yīng)，去年的《自然通訊》中有詳細(xì)介紹。根據(jù) Harne 的說法，這種早期材料僅限于對二進(jìn)制輸入輸出信號進(jìn)行操作的邏輯門，并且無法計(jì)算對集成電路至關(guān)重要的高級邏輯操作。

該論文的其他作者包括賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程博士生 Charles El Helou，以及美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的 Benjamin Grossman、Christopher E. Tabor 和 Philip R. Buskohl。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_515311.html
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