Специалисты Массачусетского технологического института (MIT) разработали вычислительную платформу, которая может стать основой для интеллектуальной и адаптивной электроники нового поколения. Такие устройства способны одновременно выполнять несколько задач, например вычисления и хранение данных, в одном предельно компактном и энергоэффективном приборе. Платформа открывает возможности для маломощных вычислений на периферии, интерактивных систем медицинского и экологического мониторинга, а также для умных роботов.
В основе разработки лежит необычный механический отклик мягких полимеров на наномасштабе. Под механическим откликом понимают то, как структура меняется под действием приложенной силы. Исследователи использовали это свойство, чтобы создать крошечные механические устройства, которые за счёт перестраиваемого движения запоминают и обрабатывают информацию по принципу, напоминающему работу нейронов в мозге. Поскольку ключевые вычислительные функции заложены в сами свойства мягкого полимерного материала, число необходимых компонентов сводится к минимуму, что и обеспечивает компактность и универсальность платформы.
«Сложные и связанные явления на наномасштабе открывают огромные возможности для новых подходов к обработке информации и объединению нескольких функций, таких как вычисления, сенсорика и приведение в действие. Это может обеспечить уровни энергоэффективности, автономности и перестраиваемости наноустройств и систем, которых трудно достичь на обычных вычислительных платформах», — приводит слова Фарназ Нируи, доцента кафедры электротехники и информатики (EECS) и сотрудницы Исследовательской лаборатории электроники (RLE), сайт MIT. «Здесь мы используем собственные механические свойства материалов, чтобы проектировать динамику на уровне устройства, так что строительные блоки материала играют гораздо более активную роль в определении функциональности, чем принято считать».
Биологические системы умеют использовать физические изменения, например движение или деформацию, для эффективной обработки информации без обращения к центральному управляющему органу. К примеру, у осьминога сильно распределённая нервная система: около двух третей нейронов рассредоточено по щупальцам. Это позволяет ему воспринимать и обрабатывать информацию об окружающей среде на месте и реагировать без участия центрального мозга. В частности, осьминог может механически менять цветовые клетки кожи, что даёт быструю и зависящую от ситуации маскировку. «Осьминога можно представить как непрерывно вычисляющую материю, в которой вычисления, память, сенсорика и приведение в действие распределены по всему телу», — добавляет Нируи.
Вдохновлённые таким поведением, исследователи решили создать платформу, которая вычисляет с помощью механических преобразований на наномасштабе. В механических вычислениях расчёты выполняются через физические изменения — движение и сжатие. Хотя биоподобные механические вычислительные платформы уже создавались на микро- и макроуровне, специалисты MIT уменьшили своё устройство до наномасштаба. На таком уровне даже ничтожные механические изменения приводят к резкому изменению свойств материала, что позволяет вести сложные вычисления в энергоэффективной форме. Однако добиться обратимых наномеханических преобразований, необходимых для таких вычислений, принципиально сложно: когда две поверхности сближаются, между ними возникают сильные силы притяжения, которые склеивают их и не дают разъединить.
Чтобы преодолеть эту проблему, учёные собрали устройство, в котором сверхтонкая плёнка мягкого полимера полидиметилсилоксана (PDMS) зажата между двумя металлическими электродами. Этот мягкий разделитель уравновешивает силы притяжения между металлическими поверхностями и не даёт электродам необратимо сомкнуться. «Мягкий материал служит своего рода „нано-пружиной“, помогая сбалансировать силы и добиться механической перестройки на наномасштабе контролируемым и обратимым образом», — поясняет Нируи. При подаче напряжения металлические пластины притягиваются друг к другу, сжимают мягкий материал и меняют электрический ток, проходящий через устройство. «PDMS обладает вязкоупругостью, то есть после сжатия ему требуется время, чтобы вернуться в исходное состояние. Это позволяет устройствам динамически запоминать историю приложенных сил и напряжений и превращать её в электрический отклик», — говорит Сэттертуэйт. На основе такого поведения исследователи продемонстрировали искусственный нейрон.
В мозге каждый нейрон накапливает электрический заряд небольшими порциями, пока не достигнет порога и не сработает, передавая информацию другим нейронам сети. Устройство исследователей повторяет это поведение: по мере подачи напряжения оно накапливает стимул, пока электроды постепенно сжимают PDMS. Перешагнув порог, оно «срабатывает» как нейрон, а затем возвращается в исходное состояние. «Вся эта сложная функциональность, лежащая в основе биологических вычислений, заключена в одном наноразмерном устройстве», — отмечает Сэттертуэйт. Поскольку вычисления и память встроены в одно устройство и не требуют внешних компонентов вроде конденсаторов или сложных схем, платформа обеспечивает высокую энергоэффективность при малых размерах. «Работа во многом опирается на память, создаваемую мягким полимером. Мы можем целенаправленно проектировать её в широком диапазоне решений под требования нужных приложений», — говорит Спектор. Она добавляет, что устройство может быть совместимо с биологическими системами: например, оно пригодится в умных протезах, быстро обрабатывающих тактильные данные, или в маломощных носимых датчиках, собирающих и анализирующих показатели здоровья в реальном времени. В дальнейшем исследователи планируют расширить работу, объединив сенсорику с вычислениями и памятью, чтобы создать наномеханическую вычисляющую материю для интеллектуальных и адаптивных систем. Часть финансирования обеспечили Управление перспективных исследовательских проектов Минобороны США (DARPA), Национальный научный фонд США (NSF), стипендия MathWorks фонда EECS MIT и Нидерландская организация научных исследований. Изготовление устройств частично проводилось на оборудовании MIT.nano.