Konstruerad, autonoma maskiner i kombination med artificiell intelligens har länge varit en häftklammer i science fiction, och ofta i rollen som skurk som Cylons i omstarten av "Battlestar Galactica", varelser sammansatta av biologiska och konstruerade material. Men tänk om dessa autonoma mjuka maskiner var ... hjälpsamma?

Detta är visionen för ett team av Penn State och U.S.A. Air Force-forskare, beskrivs i en ny tidning i Naturkommunikation . Dessa forskare producerade en mjuk, mekaniskt metamaterial som kan "tänka" om hur krafter appliceras på det och reagerar via programmerade reaktioner. Denna plattform har stor potential för en mängd olika tillämpningar från medicinska behandlingar till förbättring av miljön.

"Vi skapade mjuka, mekaniska metamaterial med flexibla, ledande polymernätverk som kan beräkna alla digitala logiska beräkningar, "sa Ryan Harne, James F. Will Karriärutveckling Docent, Penn State. "Vårt papper rapporterar ett sätt att skapa beslutsfattande funktionalitet i konstruerade material på ett sätt som kan stödja framtida mjuka, autonoma konstruerade system som investeras i de grundläggande elementen i livsformer men som ändå är programmerade att utföra användbara tjänster för människor. Dessa kan innefatta att hjälpa till att upprätthålla en hållbar och robust infrastruktur, övervakning av luftburna och vattenburna föroreningar och patogener, hjälpa patientens sårläkning, och mer."

Mänskliga tankeprocesser bygger på logik, Harne noterar, vilket liknar boolsk logik från matematik. Detta tillvägagångssätt använder binära ingångar för att bearbeta utgångar från binära kontroller - endast med "på" och "av" sekvenser för att representera all tanke och kognition. De mjuka materialen som forskargruppen skapade "tänker" med hjälp av omkonfigurering av de ledande polymernätverken. Mekanisk kraft, appliceras på materialen, ansluter, och ansluter nätverket igen.

Genom att använda en lågspänningsingång i materialen, forskargruppen skapade ett sätt för det mjuka materialet att bestämma hur det ska reagera enligt utspänningssignalen från det omkonfigurerade ledande polymernätverket.

Den typ av logik som Harne och teamet använder går utöver ren mekanisk logik, vilket är ett sätt att använda kombinationer av bistabila omkopplare – omkopplare med två stabila tillstånd – för att representera "0:orna" och "1orna" i en binär talsekvens. De fann att när de använde ren mekanisk logik, det slutade med att forskarna fastnade eftersom vissa logiska operationer inte kan konstrueras.

"Du når en punkt där du faktiskt inte kan bearbeta alla de åtta logiska grindarna, "Harne sa." Du kan bearbeta fyra av dem, men du kan inte bearbeta de fyra sista. Vi upptäckte sättet att införliva elektriska signaler tillsammans med mekaniska signaler, så att vi kan bearbeta alla logikportar som används i modern digital dator. "

Nyckeln till att förverkliga alla logiska grindar låg i kombinationen av det elektriska polymernätverket med det mjuka, deformerbart material. Forskarna skapade logikoperationerna genom att samtidigt omkonfigurera det mjuka materialet och det elektriskt ledande nätverket.

Detta säkerställer också att den binära utmatningen är i form av elektricitet, som behövs för att driva en aktiveringsmekanism som får materialet att reagera på den applicerade mekaniska kraften. Kombinationen av elektriska och mekaniska signaler gör att maskinen kan röra sig för att komma ur vägen eller trycka tillbaka i en viss riktning.

Harne och teamet vill gå längre än ett enda material och designa något mer komplext.

"Jag har en vision om hur forskare och ingenjörer kan skapa konstruerade levande system som hjälper samhället, "Harne sa." Allt du behöver göra är att sammanföra alla livsformers funktioner. Och när du gör det, du har till ditt förfogande byggstenarna i det tekniska livet."

Även om allt detta verkar som science fiction, Harne tror att det har en enorm potential.

"Det är lite sci-fi, Det måste jag erkänna, och jag kommer att säga, Jag har fått kollegor att tro att jag är lite galen, "Harne sa." Men om vi som ingenjörer och forskare förstår alla saker som utgör livet, varför försöker vi inte göra konstruerade levande varelser som kan hjälpa människor?"