Tarkka kuin hämähäkin seitti

TU Delftin tutkijaryhmä onnistui suunnittelemaan yhden maailman tarkimmista mikrosiruantureista; laite voi toimia huoneenlämmössä – kvanttiteknologioiden ja tunnistusten "pyhänä graalin maljana".

Suurempi kuva

Yhdistämällä nanoteknologiaa ja koneoppimista luonnon hämähäkinseiteistä he pystyivät saamaan nanomekaanisen anturin värisemään äärimmäisen erillään jokapäiväisestä tohinasta.

Yksi suurimmista haasteista tutkittaessa värähteleviä objekteja pienimmässä mittakaavassa, kuten niitä joita käytetään antureissa tai kvanttilaitteistoissa, on se, kuinka estää ympäristön lämpökohinan vaikutus niihin.

Delftin tutkijat loivat hämähäkkiverkkomaisen mikrosiruanturin, joka resonoi erittäin hyvin huonelämpötilan häiritsemättä. Muiden sovellusten ohella tutkijoiden löytö tekee kvanttilaitteiden rakentamisesta paljon edullisempaa.

Miten he saivat idean käyttää hämähäkinverkkoja mallina? Richard Norte: ”Olen tehnyt tätä työtä jo vuosikymmenen, ja nyt koronarajoitusten aikana huomasin terassillani paljon hämähäkinseittejä. Keksin, että hämähäkinseitit ovat todella hyviä värähtelyilmaisimia, koska niillä halutaan mitata värähtelyä verkon sisältä löytyvästä saalista, mutta ei sen ulkopuolelta kuten tuulen aiheuttamaa värisyttelyä.

Koska tutkijatiimi ei tiennyt mitään hämähäkinseittien monimutkaisuudesta, he antoivat koneoppimisen ohjata löytöprosessia. Miguel Bessa: "Tiesimme, että kokeet ja simulaatiot olivat kalliita ja aikaa vieviä, joten päätimme ryhmäni kanssa käyttää Bayesin optimointina kutsuttua algoritmia löytääksemme hyvän suunnitelman muutamalla yrityskerralla."

Tutkijan yllätykseksi algoritmi ehdotti 150 erilaisesta hämähäkkien seittimallista suhteellisen yksinkertaista verkkoa, joka koostuu vain kuudesta harhaanjohtavan yksinkertaisella tavalla kootusta säikeestä. Bessa: ”Dongil Shin tietokonesimulaatiot osoittivat, että tämä laite voisi toimia huoneenlämmössä, jossa atomit värähtelevät paljon, mutta päästäen silti ympäristöstä vuotamaan sisään uskomattoman vähän energiaa – toisin sanoen korkeampi laatutekijä.

Tutkijat rakensivat mikrosiruanturin perustuen nanometrin paksuiseen keraamiseen piinitridikalvoon. Sen kokeellisesti saavutettu laatutekijä (Qm) on yli 1 miljardin huonelämpöisissä ympäristöissä.

Hämähäkkiverkkopohjaisella sensorillaan tutkijat osoittavat, kuinka tämä monitieteinen strategia avaa tien uusille läpimurroille tieteessä yhdistämällä bioinspiroituneita malleja, koneoppimista ja nanoteknologiaa.

Tällä uudella paradigmalla on mielenkiintoisia vaikutuksia kvantti-internetiin, anturiin, mikrosiruteknologiaan ja perusfysiikkaan: tutkitaan esimerkiksi erittäin pieniä voimia, kuten painovoimaa tai pimeää ainetta, joita on tunnetusti vaikea mitata.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitason mittauksia

Hämähäkin aisteja autonomisille koneille