Metamaterialul moale și mecanic care poate „gândi” oferă potențialul utilajelor „vii” utile în viitor

Noile metamateriale moi și mecanice se pot „gândi” la modul în care forțele sunt aplicate asupra lor și răspund prin reacții pre-programate. Credit: Elizabeth Flores-Gomez Murray / Penn State

Noul metamaterial moale și receptiv deține potențialul pentru o varietate de beneficii sociale.

Mașinile create, autonome, combinate cu inteligența artificială au fost mult timp un element cheie al științifico-ficțional și adesea în rolul ticălosului ca Cyloni în repornirea “Battlestar Galactica”, creaturi compuse din materiale biologice și construite. Dar dacă aceste mașini autonome moi ar fi … utile?

Aceasta este viziunea unei echipe de cercetători din Penn State și a Forțelor Aeriene din SUA, descrisă într-o lucrare recentă în Comunicări despre natură. Acești cercetători au produs un metamaterial moale, mecanic, care ar putea „gândi” la modul în care forțele sunt aplicate asupra acestuia și răspund prin reacții programate. Această platformă deține un mare potențial pentru o varietate de aplicații, de la tratamente medicale până la îmbunătățirea mediului.

„Am creat metamateriale moi, mecanice, cu rețele polimerice flexibile, conductori care pot calcula toate calculele logice digitale”, a declarat Ryan Harne, profesor asociat la James F. Will Career Development, Penn State. „Lucrarea noastră raportează o modalitate de a crea funcționalități de luare a deciziilor în materiale create într-un mod care poate sprijini viitoarele sisteme moi și autonome, care sunt investite cu elementele de bază ale formelor de viață, dar sunt programate pentru a presta servicii” Acestea pot include ajutarea oamenilor mențineți o infrastructură stabilă și robustă, monitorizând contaminanții și agenții patogeni ai aerului și apei, ajutând la vindecarea rănii unui pacient și așa mai departe. “

Procesele gândirii umane se bazează pe logică, notează Harne, care este similară cu logica booleană în matematică. Această abordare utilizează intrări binare pentru a procesa rezultatele controlului binar – folosind doar secvențele „pornit” și „oprit” pentru a reprezenta toate gândurile și recunoașterea. Materialele moi create de echipa de cercetare „gândesc” folosind reconfigurarea rețelelor conductive de polimeri. Forța mecanică, aplicată materialelor, conectează și reconectează rețeaua.

Folosind o intrare de joasă tensiune în material, echipa de cercetare a creat o modalitate pentru ca materialul moale să decidă cum să reacționeze în conformitate cu semnalul de tensiune de ieșire din rețeaua polimerică conductivă reconfigurată.

Tipul de logică pe care Harne și echipa îl utilizează depășesc logica mecanică pură, care este o modalitate de a utiliza combinații de comutatoare bistabile – comutatoare cu două stări – pentru a reprezenta „0” și „1” ale unei secvențe binare de numere. Au descoperit că atunci când au folosit logica mecanică pură, cercetătorii au ajuns blocați, deoarece unele operații logice nu au putut fi construite.

„Ai atins un punct în care chiar nu poți procesa toate cele opt porți logice”, a spus Harne. „Puteți prelucra patru dintre ele, dar nu le puteți prelucra pe ultimele patru. Am descoperit modul de a include semnale electrice împreună cu semnale mecanice, permițându-ne să procesăm toate porțile logice utilizate în calculul digital modern. “

Cheia realizării tuturor porților logice a fost în combinarea rețelei electrice polimerice cu materialul moale și deformabil. Cercetătorii au creat operațiunile logice reconfigurând simultan materialul moale și rețeaua de conducere electrică.

Acest lucru asigură, de asemenea, că ieșirea binară este sub formă de electricitate, care este necesară pentru a conduce un mecanism de activare care face ca materialul să răspundă la forța mecanică aplicată. Combinația de semnale electrice și mecanice permite mașinii să se deplaseze pentru a ieși din cale sau pentru a împinge înapoi într-o anumită direcție.

Harne și echipa vor să depășească un singur material și să proiecteze ceva mai complex.

„Am o viziune asupra modului în care oamenii de știință și inginerii pot crea sisteme de viață încorporate care să ajute societatea”, a spus Harne. „Tot ce trebuie să faceți este să combinați toate funcțiile formelor de viață. Și când o faci, ai la dispoziție elementele de bază ale vieții elaborate. “

În timp ce toate acestea par a fi science fiction, Harne crede că are un potențial extraordinar.

“Oarecum oarecum științifico-științific, trebuie să recunosc acest lucru și voi spune că am avut colegi care cred că sunt un pic nebun”, a spus Harne. “Dar dacă noi, ca ingineri și oameni de știință, înțelegem toate lucrurile care alcătuiesc viața, de ce nu încercăm să facem lucruri concepute pentru a putea ajuta oamenii?”

Referință: „Porți logice digitale în metamateriale moi, conductive” de Charles El Helou, Philip R. Buskohl, Christopher E. Tabor și Ryan L. Harne, 12 martie 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21920

Alături de Harne, alți autori ai studiului includ de la Penn State Charles El Helou, doctorand în inginerie mecanică, și de la Laboratorul de Cercetare al Forțelor Aeriene din SUA, Philip Buskohl și Christopher Tabor.

Premiul pentru cariera timpurie a Fundației Naționale a Științei Harne și Forțele Aeriene din SUA au finanțat această cercetare.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.