محققان موسسه فیزیک اتمی و مولکولی FOM در هلند یک نوع جدید از ماده نرم و انعطافپذیر ساختهاند که قادر است محاسبات پیچیدهای را انجام دهد.
به گزارش تکناک در اخبار فناوری، این ماده بهگونهای طراحی شده است که میتواند عملیات مشابه با ضرب ماتریس-وکتور را انجام دهد، چیزی که در کامپیوترها معمولاً برای انجام محاسبات پیچیده استفاده میشود. برخلاف دستگاههای الکترونیکی معمولی که سخت و ثابت هستند، این ماده الاستیک از «حالتهای نرم» استفاده میکند؛ حرکتهایی که به انرژی کمی نیاز دارند و میتوانند محاسبات را بهطور مؤثر انجام دهند.
این پیشرفت علمی میتواند زمینهساز توسعه رباتهای نرم هوشمندتر، حسگرهای مکانیکی کوچک و دستگاههای پیشرفتهای باشد که اطلاعات را به صورت مستقیم در داخل مواد پردازش میکنند. به طور کلی، این ماده نرم قادر به انجام محاسبات پیچیده بدون نیاز به تبدیل دادهها به سیگنالهای الکتریکی است، که معمولاً در دستگاههای الکترونیکی معمولی انجام میشود. این ویژگی میتواند راهی جدید را برای انجام محاسبات در فناوریهای نوظهور، بهویژه در زمینه رباتیک نرم و محاسبات مواد نرم باز کند.
در فناوریهای سنتی، دنیای فیزیکی از پردازش دیجیتال جدا میشود. به عنوان مثال، نور، صدا یا حرکت ابتدا به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میشوند و سپس این سیگنالها به پردازندهها ارسال میگردند تا پردازش شوند. این فرایند بهویژه در کامپیوترهای قدیمی منطقی بود، چرا که دستگاهها بزرگ، پرمصرف و گرانقیمت بودند. با وجود این، هر یک از مراحل تبدیل، انرژی مصرف میکند و ممکن است باعث تأخیر در پردازش و از دست رفتن اطلاعات شود. محققان اکنون به دنبال راهحلهایی برای انجام محاسبات به صورت مستقیم در مواد هستند، که به این تبدیلهای انرژیبر نیاز نداشته باشند.
در این راستا، این گروه تحقیقاتی موفق به طراحی یک ماده الاستیک شدهاند که میتواند ضرب ماتریس-وکتور را انجام دهد. ضرب ماتریس-وکتور یکی از عملیاتهای اساسی در یادگیری ماشین است و در سیستمهای مبتنی بر هوش مصنوعی کاربردهای زیادی دارد. این ماده به طور خاص از «حالتهای نرم» استفاده میکند، به این معنا که حرکات آن تقریباً هیچ انرژی مصرف نمیکنند. با این ویژگی، قادر است محاسباتی مشابه محاسبات کامپیوترهای معمولی انجام دهد، بدون اینکه نیاز به انرژی زیاد یا تبدیل دادهها به سیگنالهای الکتریکی باشد.
بیشتر بخوانید: کوچکترین موتور روی تراشه در تاریخ ساخته شد
ماده مورد استفاده در این تحقیق یک ورق لاستیکی است که به شکل یک الگوی تکراری برش خورده است. ورودیها به این ورق به صورت تغییرات افقی یا عمودی در لبههای آن اعمال میشود و خروجیها بهصورت حرکات در لبههای دیگر ظاهر میگردد. این حرکات نتیجه اعمال ماتریس به وکتور ورودی را نشان میدهند. ورق از کاشیهای کوچکی ساخته شده است، که هرکدام دو ورودی را به دو خروجی مربوط میکنند. زاویههای خاص در هر کاشی میتوانند وزنهای آن را تنظیم کنند و این وزنها میتوانند مثبت یا منفی باشند. پرتوها و مفاصل، حرکت را به دو حالت نرم محدود میکنند، که این حالتها با هم ترکیب میشوند تا نگاشت نهایی را تولید کنند.
این طراحی به گونهای است که تغییرات خم شدن و کشیدگی در آن شبیهسازی میشود. شبیهسازیها با استفاده از مدلسازی اجزای محدود، به طور دقیق محاسبات را انجام میدهند و با استفاده از مشتقگیری خودکار و سادهسازیهایی که تمرکز بر مرزهای ماده دارند، محاسبات با کمترین مصرف انرژی صورت میگیرند.
بیشتر بخوانید: کاهش ۱۰ برابری مصرف انرژی تراشههای حافظه با کشف ماده جدید
در آزمایشهایی که محققان انجام دادند، یک نمونه از این ماده از لاستیک 6 میلیمتری ساخته شد و موتورهای پلهای حرکات مرزی کوچکی به آن اعمال کردند. دوربینها این حرکات را ردیابی کردند و نتایج نشان داد که این ماده نرم میتواند به طور دقیق محاسبات پیچیده را انجام دهد. همچنین محققان دریافتند که این ماده دارای ویژگیهای هیسترزیس است، یعنی هنگامی که سرعت حرکات کم میشود، اثر هیسترزیس کاهش مییابد. این ویژگی به دلیل خاصیت ویسکوالاستیک لاستیک است.
یکی از ویژگیهای جالب ماده نرم این است که میتوان وزنهای ماتریس را پس از ساخت تنظیم کرد. محققان این امکان را فراهم کردهاند که با استفاده از پرتوهای با استحکام متغیر، ورودیهای ماتریس بتوانند به حالتهای مثبت، منفی یا صفر تغییر کنند. این ویژگی به طراحان این امکان را میدهد که ماتریسها را به طور دقیقتر و بهینهتر طراحی کنند. با استفاده از شبیهسازیها و تحلیلهای اجزای محدود، این تیم تحقیقاتی قادر به طراحی مؤثری برای ایجاد این مواد با ویژگیهای مطلوب شدهاند.
نتایج این تحقیق نشان میدهند که مواد نرم قادر هستند محاسبات پیچیده را به طور مستقیم از طریق حرکت انجام دهند، بدون اینکه نیازی به تبدیل دادهها به سیگنالهای الکتریکی باشد. این پیشرفت میتواند به ایجاد سیستمهای هوشمند میکروالکترومکانیکی کمک کند و زمینهساز توسعه رباتهای هوشمند و دستگاههایی باشد که میتوانند اطلاعات را به صورت مستقیم در داخل مواد پردازش کنند. این دستاورد علمی علاوه بر محاسبات پیچیده برای کاربردهای مختلف در رباتیک و فناوریهای نوین بسیار حیاتی خواهد بود.
