Нанорозмірна механіка відкриває шлях до обчислень за принципом роботи мозку

Дослідники Массачусетського технологічного інституту (MIT) створили нову обчислювальну платформу, яка дозволяє об'єднати процеси обчислення та пам'яті всередині єдиного нанорозмірного пристрою. Технологія, яка імітує роботу нейронів головного мозку за допомогою механічних трансформацій, відкриває широкі можливості для енергоефективного крайового обладнання (edge computing), інтерактивних медичних датчиків та адаптивної робототехніки.

Результати дослідження опубліковані в науковому журналі Science Advances.

У біологічних системах фізичні зміни (такі як рух або деформація) часто використовуються для обробки інформації на місці, без залучення центрального процесора. Наприклад, восьминоги мають розподілену нервову систему, де дві третини нейронів розміщені в мацаках, що дозволяє миттєво реагувати на довкілля та змінювати забарвлення шкіри.

Науковці з MIT відтворили цей принцип на нанорівні, використавши унікальні механічні властивості м'яких полімерів.

«Можна уявити восьминога як суцільну обчислювальну матерію, де обчислення, пам'ять, сенсори та приводи розподілені по всьому тілу. Складні нанорозмірні явища дають величезні можливості для нових підходів до обробки інформації та інтеграції кількох функцій в одному девайсі», - зазначає Фарназ Ніруї (Farnaz Niroui), доцентка кафедри електротехніки та комп'ютерних наук (EECS) в MIT та старша авторка дослідження.

Найбільшим викликом під час створення наномеханічних обчислювальних систем є адгезія: на таких мікроскопічних відстанях поверхні сильно притягуються та злипаються. Щоб уникнути цього, дослідники розмістили надтонку плівку м'якого полімеру полідиметилсилоксану (PDMS) між двома металевими електродами.

Полімерний шар утримує електроди від безповоротного злипання. Під дією напруги металеві пластини притягуються, стискаючи полімер та змінюючи електричний струм.

Завдяки в'язкопружним властивостям PDMS повільно повертається до початкової форми після стискання. Це дозволяє пристрою «пам'ятати» історію прикладених напруг та конвертувати її в електричний відгук.

Пристрій накопичує заряд через поступове стискання полімеру, і після досягнення певного порогу відбудеться «спалах» (генерація імпульсу), подібний до спрацьовування біологічного нейрона, після чого система повертається у вихідний стан.

Оскільки обчислення та збереження даних відбуваються всередині одного матеріалу без потреби в зовнішніх конденсаторах чи складних мікросхемах, платформа демонструє надзвичайно низьке енергоспоживання та мінімальні габарити.

У майбутньому розробники планують поєднати цю наномеханічну платформу безпосередньо із сенсорами. Це дозволить створити розумні протези, здатні миттєво обробляти тактильні дані, та компактні медичні пластирі для моніторингу стану здоров'я в режимі реального часу.