Ett mekaniskt integrerat kretsmaterial kan utföra beräkningsuppgifter som en dator utan att behöva datorn. Här utför exempelmaterialet aritmetik, jämför tal och omvandlar den digitala informationen till LED-displayform. Kredit:Charles El Helou/Penn State
Någon knackar på din axel. De organiserade beröringsreceptorerna i din hud skickar ett meddelande till din hjärna, som bearbetar informationen och dirigerar dig att titta åt vänster, i kranens riktning. Nu har forskare från Penn State och US Air Force utnyttjat denna bearbetning av mekanisk information och integrerat den i konstruerade material som "tänker".
Verket, publicerat idag i Nature , hänger på ett nytt, omkonfigurerbart alternativ till integrerade kretsar. Integrerade kretsar är vanligtvis sammansatta av flera elektroniska komponenter inrymda på ett enda halvledarmaterial, vanligtvis kisel, och de kör alla typer av modern elektronik, inklusive telefoner, bilar och robotar. Integrerade kretsar är forskarnas förverkligande av informationsbehandling som liknar hjärnans roll i människokroppen. Enligt huvudutredaren Ryan Harne, James F. Will Career Development Associate Professor of Mechanical Engineering vid Penn State, är integrerade kretsar den centrala beståndsdelen som behövs för skalbar beräkning av signaler och information, men har aldrig tidigare realiserats av forskare i någon annan sammansättning än kisel halvledare.
Hans teams upptäckt avslöjade möjligheten för nästan vilket material som helst runt omkring oss att fungera som sin egen integrerade krets:att kunna "tänka" på vad som händer runt omkring.
"Vi har skapat det första exemplet på ett tekniskt material som samtidigt kan känna av, tänka och agera på mekanisk stress utan att behöva ytterligare kretsar för att bearbeta sådana signaler," sa Harne. "Det mjuka polymermaterialet fungerar som en hjärna som kan ta emot digitala strängar av information som sedan bearbetas, vilket resulterar i nya sekvenser av digital information som kan styra reaktioner."
Det mjuka, ledande mekaniska materialet innehåller omkonfigurerbara kretsar som kan realisera kombinationslogik:när materialet tar emot externa stimuli översätter det inmatningen till elektrisk information som sedan bearbetas för att skapa utsignaler. Materialet kan använda mekanisk kraft för att beräkna komplex aritmetik, som Harne och hans team demonstrerade, eller detektera radiofrekvenser för att kommunicera specifika ljussignaler, bland andra potentiella översättningsexempel. Möjligheterna är expansiva, sa Harne, eftersom integrerade kretsar kan programmeras för att göra så mycket.
"Vi upptäckte hur man använder matematik och kinematik - hur de individuella beståndsdelarna i ett system rör sig - i mekaniska-elektriska nätverk," sa Harne. "Detta gjorde det möjligt för oss att förverkliga en grundläggande form av intelligens i tekniska material genom att underlätta fullt skalbar informationsbehandling som är inneboende i systemet med mjuka material."
Mekaniska integrerade kretsmaterial tillverkade av ledande och icke-ledande gummimaterial känner av och reagerar på hur krafter appliceras på dem. Kredit:Charles El Helou/Penn State
According to Harne, the material uses a similar "thinking" process as humans and has potential applications in autonomous search-and-rescue systems, in infrastructure repairs and even in bio-hybrid materials that can identify, isolate and neutralize airborne pathogens.
"What makes humans smart is our means to observe and think about information we receive through our senses, reflecting on the relationship between that information and how we can react," Harne said.
While our reactions may seem automatic, the process requires nerves in the body to digitize the sensory information so that electrical signals can travel to the brain. The brain receives this informational sequence, assesses it and tells the body to react accordingly.
For materials to process and think about information in a similar way, they must perform the same intricate internal calculations, Harne said. When the researchers subject their engineered material to mechanical information—applied force that deforms the material—it digitizes the information to signals that its electrical network can advance and assess.
The process builds on the team's previous work developing a soft, mechanical metamaterial that could "think" about how forces are applied to it and respond via programmed reactions, detailed in Nature Communications last year. This earlier material was limited to only logic gates operating on binary input-output signals, according to Harne, and had no way to compute high-level logical operations that are central to integrated circuits.
The researchers were stuck, until they rediscovered a 1938 paper published by Claude E. Shannon, who later became known as the "father of information theory." Shannon described a way to create an integrated circuit by constructing mechanical-electrical switching networks that follow the laws of Boolean mathematics—the same binary logic gates Harne used previously.
"Ultimately, the semi-conductor industry did not adopt this method of making integrated circuits in the 1960s, opting instead to use a direct-assembly approach," Harne said. "Shannon's mathematically grounded design philosophy was lost to the sands of time, so, when we read the paper, we were astounded that our preliminary work exactly realized Shannon's vision."
However, Shannon's work was hypothetical, produced nearly 30 years before integrated circuits were developed, and did not address how to scale the networks.
"We made considerable modifications to Shannon's design philosophy in order for our mechanical-electrical networks to comply to the reality of integrated circuit assembly rules," Harne said. "We leapt off our core logic gate design philosophy from the 2021 research and fully synchronized the design principles to those articulated by Shannon to ultimately yield mechanical integrated circuit materials—the effective brain of artificial matter."
The researchers are now evolving the material to process visual information like it does physical signals.
"We are currently translating this to a means of 'seeing' to augment the sense of 'touching' we have presently created," Harne said. "Our goal is to develop a material that demonstrates autonomous navigation through an environment by seeing signs, following them and maneuvering out of the way of adverse mechanical force, such as something stepping on it."
Other authors of the paper include Charles El Helou, doctoral student in mechanical engineering at Penn State, and Benjamin Grossman, Christopher E. Tabor and Philip R. Buskohl from the U.S. Air Force Research Laboratory. + Utforska vidare
