นักวิจัยสร้างวัสดุใหม่ที่สามารถ 'คิด'

งานที่ตีพิมพ์ในวันนี้ (24 ส.ค.) ในNatureอิงจากนวนิยายทางเลือกที่กำหนดค่าใหม่ได้สำหรับวงจรรวม โดยทั่วไปแล้ว วงจรรวมจะประกอบด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์หลายชิ้นที่บรรจุอยู่ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชิ้นเดียว ซึ่งโดยปกติจะเป็นซิลิคอน และใช้ประกอบกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ทุกประเภท รวมถึงโทรศัพท์ รถยนต์ และหุ่นยนต์ วงจรรวมเป็นการรับรู้ของนักวิทยาศาสตร์ในการประมวลผลข้อมูลซึ่งคล้ายกับบทบาทของสมองในร่างกายมนุษย์ ตามที่นักวิจัยหลัก Ryan Harne, James F. Will Career Development รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่ Penn State วงจรรวมเป็นองค์ประกอบหลักที่จำเป็นสำหรับการคำนวณสัญญาณและข้อมูลที่สามารถปรับขนาดได้ แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยรับรู้มาก่อนในองค์ประกอบอื่นใดนอกจากซิลิคอน สารกึ่งตัวนำ การค้นพบของทีมของเขาเผยให้เห็นโอกาสที่วัสดุเกือบทุกชนิดรอบตัวเราจะทำหน้าที่เหมือนวงจรรวมของมันเอง: สามารถ "คิด" เกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นรอบตัวมันได้ Harne กล่าวว่า "เราได้สร้างตัวอย่างแรกของวัสดุทางวิศวกรรมที่สามารถรับรู้ คิด และดำเนินการกับความเครียดเชิงกลได้พร้อมๆ กัน โดยไม่ต้องมีวงจรเพิ่มเติมเพื่อประมวลผลสัญญาณดังกล่าว" Harne กล่าว "วัสดุโพลิเมอร์แบบอ่อนทำหน้าที่เหมือนสมองที่สามารถรับสายข้อมูลดิจิทัลที่ประมวลผลแล้ว ส่งผลให้เกิดลำดับข้อมูลดิจิทัลใหม่ที่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้" วัสดุเชิงกลที่อ่อนและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามีวงจรที่สามารถกำหนดค่าใหม่ได้ซึ่งสามารถรับรู้ตรรกะเชิงผสมได้: เมื่อวัสดุได้รับสิ่งเร้าจากภายนอก มันจะแปลอินพุตเป็นข้อมูลทางไฟฟ้าที่ประมวลผลแล้วเพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุต วัสดุนี้สามารถใช้แรงเชิงกลเพื่อคำนวณเลขคณิตที่ซับซ้อนตามที่ Harne และทีมงานของเขาแสดงให้เห็น หรือตรวจจับความถี่วิทยุเพื่อสื่อสารสัญญาณแสงที่เฉพาะเจาะจง ท่ามกลางตัวอย่างการแปลที่เป็นไปได้อื่นๆ Harne กล่าว เนื่องจากวงจรรวมสามารถตั้งโปรแกรมให้ทำสิ่งต่างๆ ได้มากมาย Harne กล่าวว่า "เราค้นพบวิธีการใช้คณิตศาสตร์และจลนพลศาสตร์ - องค์ประกอบแต่ละส่วนของระบบเคลื่อนที่อย่างไร - ในเครือข่ายเครื่องกลและไฟฟ้า" Harne กล่าว "สิ่งนี้ช่วยให้เราตระหนักถึงรูปแบบพื้นฐานของความชาญฉลาดในวัสดุวิศวกรรม โดยอำนวยความสะดวกในการประมวลผลข้อมูลที่ปรับขนาดได้อย่างเต็มที่ ซึ่งอยู่ภายในระบบวัสดุเนื้ออ่อน" ตามข้อมูลของ Harne วัสดุนี้ใช้กระบวนการ "คิด" คล้ายกับมนุษย์ และมีศักยภาพในการใช้งานในระบบค้นหาและกู้ภัยอัตโนมัติ ในการซ่อมแซมโครงสร้างพื้นฐาน และแม้กระทั่งในวัสดุไบโอไฮบริดที่สามารถระบุ แยก และต่อต้านเชื้อโรคในอากาศ วิศวกร “สิ่งที่ทำให้มนุษย์ฉลาดคือวิธีการสังเกตและคิดเกี่ยวกับข้อมูลที่เราได้รับผ่านประสาทสัมผัสของเรา โดยสะท้อนความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลนั้นและวิธีที่เราสามารถตอบสนองได้” Harne กล่าว แม้ว่าปฏิกิริยาของเราอาจดูเหมือนเป็นไปโดยอัตโนมัติ แต่กระบวนการนี้ต้องใช้เส้นประสาทในร่างกายเพื่อแปลงข้อมูลทางประสาทสัมผัสให้เป็นดิจิทัล เพื่อให้สัญญาณไฟฟ้าสามารถเดินทางไปยังสมองได้ สมองได้รับลำดับข้อมูลนี้ ประเมินและบอกให้ร่างกายตอบสนองตามนั้น Harne กล่าวว่าสำหรับวัสดุที่จะประมวลผลและคิดเกี่ยวกับข้อมูลในลักษณะเดียวกัน จะต้องทำการคำนวณภายในที่ซับซ้อนเช่นเดียวกัน เมื่อนักวิจัยยัดวัสดุวิศวกรรมของตนเข้ากับข้อมูลเชิงกล ซึ่งใช้แรงที่ทำให้วัสดุเปลี่ยนรูป มันจะแปลงข้อมูลเป็นดิจิทัลเพื่อส่งสัญญาณว่าเครือข่ายไฟฟ้าสามารถเลื่อนและประเมินได้ กระบวนการนี้สร้างขึ้นจากงานก่อนหน้าของทีมในการพัฒนาวัสดุเชิงกลเชิงกลที่อ่อนนุ่มซึ่งสามารถ "คิด" เกี่ยวกับวิธีการใช้แรงกับมันและตอบสนองผ่านปฏิกิริยาที่ตั้งโปรแกรมไว้ซึ่งมีรายละเอียดในNature Communicationsปีที่แล้ว ข้อมูลก่อนหน้านี้จำกัดเฉพาะลอจิกเกตที่ทำงานบนสัญญาณไบนารีอินพุต-เอาท์พุตเท่านั้น ตามข้อมูลของ Harne และไม่มีทางที่จะคำนวณการดำเนินการทางลอจิคัลระดับสูงที่เป็นศูนย์กลางของวงจรรวมได้ นักวิจัยติดอยู่จนกระทั่งค้นพบเอกสารในปี 1938 ที่ตีพิมพ์โดย Claude E. Shannon ซึ่งต่อมากลายเป็นที่รู้จักในฐานะ "บิดาแห่งทฤษฎีสารสนเทศ" แชนนอนอธิบายวิธีสร้างวงจรรวมโดยการสร้างเครือข่ายสวิตชิ่งเครื่องกล-ไฟฟ้าที่เป็นไปตามกฎของคณิตศาสตร์บูลีน ซึ่งเป็นไบนารี่ลอจิกเกตแบบเดียวกับที่ Harne ใช้ก่อนหน้านี้ Harne กล่าวว่า "ในที่สุด อุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำก็ไม่ได้ใช้วิธีนี้ในการสร้างวงจรรวมในทศวรรษที่ 1960 โดยเลือกที่จะใช้วิธีประกอบโดยตรงแทน" Harne กล่าว "ปรัชญาการออกแบบที่มีพื้นฐานทางคณิตศาสตร์ของแชนนอนสูญหายไปกับกาลเวลา ดังนั้นเมื่อเราอ่านบทความนี้ เราประหลาดใจที่งานเบื้องต้นของเราทำให้วิสัยทัศน์ของแชนนอนเป็นจริงได้" อย่างไรก็ตาม งานของ Shannon เป็นเพียงสมมุติฐาน ซึ่งผลิตขึ้นเกือบ 30 ปีก่อนที่วงจรรวมจะได้รับการพัฒนา และไม่ได้กล่าวถึงวิธีการปรับขนาดเครือข่าย Harne กล่าวว่า "เราได้ปรับเปลี่ยนปรัชญาการออกแบบของ Shannon อย่างมากเพื่อให้เครือข่ายเครื่องกลและไฟฟ้าของเราสอดคล้องกับความเป็นจริงของกฎการประกอบวงจรรวม" Harne กล่าว "เราดึงเอาหลักการออกแบบลอจิกเกตหลักของเราจากการวิจัยปี 2021 และประสานหลักการออกแบบเข้ากับหลักการออกแบบของแชนนอนอย่างเต็มที่ เพื่อให้ได้วัสดุวงจรรวมเชิงกล ซึ่งเป็นสมองที่มีประสิทธิภาพของวัตถุประดิษฐ์" ขณะนี้นักวิจัยกำลังพัฒนาวัสดุเพื่อประมวลผลข้อมูลภาพเช่นเดียวกับสัญญาณทางกายภาพ “ขณะนี้เรากำลังแปลสิ่งนี้เป็นวิธีการ 'เห็น' เพื่อเพิ่มความรู้สึก 'สัมผัส' ที่เราสร้างขึ้นในปัจจุบัน” Harne กล่าว "เป้าหมายของเราคือการพัฒนาวัสดุที่แสดงการนำทางอัตโนมัติผ่านสภาพแวดล้อมโดยการมองเห็นสัญญาณ ติดตาม และหลบหลีกจากแรงทางกลที่ไม่พึงประสงค์ เช่น มีบางอย่างเหยียบเข้า"