Nanoskaalan mekaniikka voisi mahdollistaa aivojen inspiroiman laskennan

MIT:n tutkijat ovat luoneet uuden laskenta-alustan, jota voitaisiin käyttää älykkään ja mukautuvan seuraavan sukupolven elektroniikan kehittämiseen. Tämä elektroniikka pystyy samanaikaisesti suorittamaan useita toimintoja, kuten laskentaa ja muistia, kaikki yhdessä erittäin kompaktissa ja energiatehokkaassa rakenteessa.

Biologiset järjestelmät voivat hyödyntää fyysisiä muutoksia, kuten liikettä tai muodonmuutosta, informaation tehokkaaseen käsittelyyn ilman keskusohjaimen tarvetta.

Esimerkiksi mustekalalla on laajalle levinnyt hermosto, jossa noin kaksi kolmasosaa sen hermosoluista on levinnyt sen eri lonkeroihin. Tämän ansiosta mustekala voi aistia ja käsitellä informaatiota ympäristöstään paikallisesti ja tuottaa vasteita ilman, että se tarvitsee pääsyä keskusaivoihin.

Tällaisen suorituskyvyn inspiroimina tutkijat pyrkivät kehittämään alustan, joka pystyy laskemaan käyttämällä nanomittakaavan mekaanisia muunnoksia. Mekaanisessa laskennassa laskelmat suoritetaan fyysisten muunnosten, kuten liikkeen ja puristuksen, avulla.

Nanomittakaavassa jopa pienet mekaaniset muutokset voivat johtaa materiaalin ominaisuuksien dramaattisiin muutoksiin. Tämä voi mahdollistaa monimutkaisen laskennan energiatehokkaalla alustalla.

Mutta tällaisen laskennan edellyttämien palautuvien nanomekaanisten muutosten saavuttaminen on perustavanlaatuinen haaste. Kun kaksi pintaa tulee hyvin lähelle toisiaan, ne kohtaavat voimakkaita adheesiovoimia, jotka vetävät pintoja yhteen, jolloin niiden irrottaminen toisistaan on mahdotonta.

Tämän perustavanlaatuisen haasteen ratkaisemiseksi tutkijat kokosivat rakenteen, jossa kahden metallielektrodin välissä on erittäin ohut pehmeästä polydimetyylisiloksaanista (PDMS) koostuva kalvo. Tämä pehmeä välikappale tasapainottaa kahden metallipinnan välisiä tarttumisvoimia estäen elektrodeja jumittumasta toisiinsa peruuttamattomalla tavalla.

Kun tutkijat kohdistavat rakenteeseen jännitteen, kaksi metallilevyä vetävät toisiaan puoleensa, puristaen pehmeää materiaalia ja muuttaen rakenteen läpi kulkevaa sähkövirtaa.

PDMS kalvon puristumisen jälkeen sen palautuminen alkuperäiseen tilaansa vie aikaa. Tämä mahdollistaa sen, että rakenne muistaa dynaamisesti siihen kohdistetun voimien ja jännitteiden historian ja muuntavat tämän historian sähköiseksi vasteeksi.

Koska laskenta ja muisti on näin integroitu yhteen rakenteeseen ilman ulkoisia komponentteja, kuten kondensaattoreita tai monimutkaisia piirejä, tämä alusta voi saavuttaa korkean energiatehokkuuden pienellä pinta-alallaan kertovat tutkijat tiedotteessaan.

Tutkijoiden mukaa rakenne voi olla yhteensopiva myös biologisten järjestelmien kanssa. Esimerkiksi siitä voisi olla hyötyä sovelluksissa, kuten älykkäissä proteeseissa, jotka pystyvät käsittelemään nopeasti tuntotietoa, tai vähän virtaa kuluttavissa puetuissa laastareissa, jotka keräävät ja analysoivat terveysindikaattoreita reaaliajassa.

Aiheesta aiemmin:

Fysiikkaan perustuva tekoäly tehostaa uusien materiaalien löytämistä

Mekaanista kvanttitekniikkaa