Представьте себе лист резины, который способен производить математические расчёты без единого электронного компонента. Звучит как научная фантастика? Тем не менее, исследователи из Нидерландского института атомной и молекулярной физики AMOLF превратили эту идею в реальность, создав мягкий гибкий материал, выполняющий сложные вычисления через собственные деформации.
Когда движение становится расчётом
В основе изобретения лежит концепция так называемых «вялых режимов» — типов движения, которые практически не требуют энергии для своего осуществления. Учёные разработали эластичный метаматериал с тщательно продуманной повторяющейся структурой, где каждая ячейка способна преобразовывать входные механические воздействия в выходные сигналы согласно заданной математической функции.
Как именно это работает? Материал представляет собой резиновый лист, разрезанный по специальному узору. Входные данные подаются в виде горизонтальных или вертикальных смещений по краям листа, а результаты вычислений проявляются как движения на других краях. По сути, материал физически выполняет операцию умножения матрицы на вектор — ключевую операцию в машинном обучении и обработке данных.
Каждая небольшая ячейка материала преобразует два входных параметра в два выходных. Углы наклона балок внутри ячейки определяют коэффициенты матрицы и могут быть как положительными, так и отрицательными. Балки и соединения ограничивают движение двумя вялыми модами, которые, комбинируясь, создают нужное преобразование данных.
Зачем нужны вычисления в материалах?
Традиционные компьютеры работают по принципу разделения: физические явления — движение, свет, звук — сначала преобразуются в электрические сигналы, затем отправляются процессору и в память. Этот подход был оправдан в эпоху громоздких и энергоёмких машин. Однако каждый этап преобразования потребляет энергию, вносит задержку и теряет часть информации из исходного сигнала.
Что если обойти эти преобразования и вычислять непосредственно в материалах? Именно эту задачу решают исследователи по всему миру, разрабатывая оптические системы и резистивные массивы. Механические системы, особенно на основе мягких материалов, предлагают энергоэффективную альтернативу, хотя контроль над их движением представляет определённую сложность.
Исследование показало, что производительность механического метаматериала ограничена соотношением сторон балок — отношением их длины к ширине. В реальных материалах большие углы, способные создать более весомые коэффициенты матрицы, одновременно делают входной путь жёстче, уменьшая движение на выходе. Расчёты показывают: при текущих возможностях микрофабрикации можно точно изготовить матрицы размером до 64×64 элементов — этого достаточно для задач вроде обработки речевых признаков.
Команда протестировала прототип, вырезанный из 6-миллиметровой резины. Шаговые двигатели прикладывали небольшие граничные смещения, которые отслеживались камерами. Отдельные ячейки следовали ожидаемому линейному преобразованию с погрешностью около 20 процентов для малых входных данных. При больших входных значениях наблюдалось насыщение с сигмоидной характеристикой. Ячейки также проявляли гистерезис — эффект запаздывания, который уменьшался при более медленных скоростях деформации благодаря вязкоупругим свойствам резины.
Интересная особенность разработки — возможность перепрограммирования уже после изготовления. Коэффициенты матрицы можно корректировать с помощью бистабильных балок переменной жёсткости, позволяя переключать отдельные элементы между положительными, отрицательными и нулевыми значениями.
Это открытие прокладывает путь к созданию более совершенных мягких роботов, миниатюрных механических сенсоров и передовых устройств, обрабатывающих информацию непосредственно внутри материалов. Речь идёт о новых рубежах в области вычислений на мягких средах — направлении, которое может кардинально изменить подход к проектированию интеллектуальных систем.
Подробности исследования опубликованы в журнале Advanced Intelligent Systems.
