Nanoszkopikus mesterséges neuront fejlesztettek az MIT kutatói

Egy puha polimer végzi a kulcsfeladatokat

Az MIT új számítási platformja a puha polimerek nanoszkopikus mechanikai tulajdonságaira épít. A kutatók egy rendkívül vékony, polidimetil-sziloxánból, röviden PDMS-ből készült réteget két fémelektróda közé helyeztek. Ez a puha réteg egyfajta nanoszkopikus rugóként egyensúlyozza ki a fémelektródák között fellépő tapadóerőket.

Erre azért van szükség, mert amikor két felület nagyon közel kerül egymáshoz, az erős adhéziós erők összeránthatják őket, és a szerkezet visszafordíthatatlanul összetapadhat. A PDMS ezt segít elkerülni, miközben lehetővé teszi a mechanikai átrendeződést.

Feszültség alkalmazásakor a két fémlap vonzani kezdi egymást, összenyomja a polimert, és megváltoztatja az eszközön átfolyó elektromos áramot. A PDMS viszkoelasztikus anyag, ezért az összenyomás után időbe telik, amíg visszatér eredeti állapotába. Így az eszköz megőrzi az alkalmazott erők és feszültségek előzményeit, majd ezt elektromos válasszá alakítja.

A működés egy neuron tüzelését utánozza

Az emberi agyban a neuron fokozatosan elektromos töltést halmoz fel. Amikor a töltés elér egy küszöbértéket, a neuron tüzel, és továbbítja az információt a hálózat többi elemének. Az MIT eszköze hasonlóan működik: a feszültség időbeli alkalmazása fokozatosan összenyomja a PDMS-réteget, és az eszköz felhalmozza az ingert.

A küszöb átlépése után a szerkezet a neuronhoz hasonlóan „tüzel”, majd visszatér eredeti állapotához. A kutatók szerint a biológiai számítás alapjául szolgáló összetett működés egyetlen nanoszkopikus eszközben valósul meg.

A megoldás egyik fontos jellemzője, hogy a számítás és a memória ugyanabban az eszközben kap helyet. Így nincs szükség külső alkatrészekre, például kondenzátorokra vagy összetett áramkörökre. A kutatók szerint ez kis helyigényű és energiahatékony információfeldolgozó platformot eredményezhet.

Alkalmazkodó eszközök és elosztott számítás

A kutatók az élő rendszerek információfeldolgozásából merítettek ihletet. A forrás példaként a polipot említi, amelynek idegsejtjei közül körülbelül kétharmad a karjaiban található. Emiatt az állat a környezetéről szóló információ egy részét helyben érzékeli és dolgozza fel, központi vezérlőre támaszkodás nélkül.

Az ilyen, elosztott működéshez hasonlóan az új eszközben a mechanikai változások segítik az információ feldolgozását. A platformot a kutatók alacsony fogyasztású peremhálózati számítási alkalmazásokhoz, interaktív orvosi és környezeti megfigyelőrendszerekhez, valamint intelligens robotokhoz tartják használhatónak.

Sarah Spector, a tanulmány egyik vezető szerzője szerint az eszköz a biológiai rendszerekkel is kompatibilis lehet. Lehetséges alkalmazásként olyan intelligens protéziseket említ, amelyek gyorsan dolgozzák fel a tapintási adatokat, illetve alacsony fogyasztású viselhető tapaszokat, amelyek valós időben gyűjtik és elemzik az egészségi állapotra utaló jeleket.

A következő lépés az érzékelés integrálása

Az MIT kutatói a jövőben tovább szeretnék bővíteni a munkát, és az érzékelést is szorosabban össze akarják kapcsolni a számítással és a memóriával. Céljuk olyan nanomechanikai számítási anyag létrehozása, amely intelligens és alkalmazkodó rendszerekben használható.

A kutatók szerint a puha polimer által biztosított memória tulajdonságai széles tervezési tartományban alakíthatók az adott alkalmazás követelményeihez. A tanulmány a Science Advances folyóiratban jelent meg. A kutatást részben a DARPA, az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványa, egy MIT EECS MathWorks Fellowship és a Holland Tudományos Kutatási Szervezet támogatta. Az eszközök gyártásához részben az MIT.nano létesítményeit használták.