มีคนเคาะไหล่ของคุณ ตัวรับการสัมผัสที่ถูกจัดระเบียบในผิวหนังของคุณจะส่งข้อความไปยังสมองของคุณ ซึ่งจะประมวลผลข้อมูลและชี้ให้คุณมองไปทางซ้ายในทิศทางของการแตะ ตอนนี้นักวิจัยของ Penn State และ US Air Force ได้ควบคุมการประมวลผลข้อมูลทางกลนี้และรวมเข้ากับวัสดุทางวิศวกรรมที่ ‘คิด’
งานที่ตีพิมพ์ในวันนี้ (24 ส.ค.) ใน Natureอิงจากนวนิยายทางเลือกที่กำหนดค่าใหม่ได้สำหรับวงจรรวม วงจรรวมโดยทั่วไปจะประกอบด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์หลายชิ้นที่อยู่บนวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพียงชิ้นเดียว ซึ่งมักจะเป็นซิลิกอน และใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ทุกประเภท รวมทั้งโทรศัพท์ รถยนต์ และหุ่นยนต์ วงจรรวมคือการรับรู้ของนักวิทยาศาสตร์ในการประมวลผลข้อมูลที่คล้ายกับบทบาทของสมองในร่างกายมนุษย์ Ryan Harne ผู้วิจัยหลักกล่าวว่า James F. Will Career Development รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่ Penn State วงจรรวมเป็นองค์ประกอบหลักที่จำเป็นสำหรับการคำนวณสัญญาณและข้อมูลที่สามารถปรับขนาดได้ แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยรู้มาก่อนในองค์ประกอบอื่นใดนอกจากซิลิคอน เซมิคอนดักเตอร์
การค้นพบของทีมของเขาเผยให้เห็นถึงโอกาสที่วัสดุเกือบทุกชนิดรอบตัวเราจะทำตัวเหมือนวงจรรวมของตัวเอง นั่นคือสามารถ ‘คิด’ เกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นรอบ ๆ ตัวมันได้
“เราได้สร้างตัวอย่างแรกของวัสดุทางวิศวกรรมที่สามารถรับรู้ คิด และดำเนินการกับความเครียดทางกลได้พร้อมๆ กันโดยไม่ต้องใช้วงจรเพิ่มเติมในการประมวลผลสัญญาณดังกล่าว” Harne กล่าว “วัสดุพอลิเมอร์อ่อนทำหน้าที่เหมือนสมองที่สามารถรับสตริงข้อมูลดิจิทัลที่ประมวลผลได้ ส่งผลให้เกิดลำดับใหม่ของข้อมูลดิจิทัลที่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้”
วัสดุเชิงกลที่อ่อนนุ่มและเป็นสื่อนำไฟฟ้าประกอบด้วยวงจรที่กำหนดค่าใหม่ได้ซึ่งสามารถรับรู้ถึงตรรกะเชิงผสม: เมื่อวัสดุได้รับสิ่งเร้าภายนอก วัสดุนั้นจะแปลงข้อมูลอินพุตเป็นข้อมูลทางไฟฟ้าซึ่งจะถูกประมวลผลเพื่อสร้างสัญญาณเอาท์พุต วัสดุนี้สามารถใช้แรงทางกลในการคำนวณเลขคณิตที่ซับซ้อนได้ ดังที่ Harne และทีมของเขาได้แสดงให้เห็น หรือตรวจจับความถี่วิทยุเพื่อสื่อสารสัญญาณแสงที่เฉพาะเจาะจง รวมถึงตัวอย่างการแปลอื่นๆ ที่อาจเกิดขึ้น Harne กล่าวว่าความเป็นไปได้นั้นกว้างขวางเพราะวงจรรวมสามารถตั้งโปรแกรมให้ทำอะไรได้มากมาย
“เราค้นพบวิธีใช้คณิตศาสตร์และจลนศาสตร์ – องค์ประกอบของแต่ละระบบเคลื่อนที่อย่างไร – ในเครือข่ายเครื่องกล – ไฟฟ้า” Harne กล่าว “สิ่งนี้ช่วยให้เราตระหนักถึงรูปแบบพื้นฐานของความชาญฉลาดในวัสดุวิศวกรรมโดยอำนวยความสะดวกในการประมวลผลข้อมูลที่ปรับขยายได้อย่างเต็มที่ภายในระบบวัสดุที่อ่อนนุ่ม”
Harne กล่าวว่าวัสดุดังกล่าวใช้กระบวนการ ‘ความคิด’ ที่คล้ายคลึงกันกับมนุษย์และมีศักยภาพในการใช้งานในระบบค้นหาและกู้ภัยอิสระในการซ่อมแซมโครงสร้างพื้นฐานและแม้แต่ในวัสดุไบโอไฮบริดที่สามารถระบุแยกและต่อต้านเชื้อโรคในอากาศ
Harne กล่าวว่า “สิ่งที่ทำให้มนุษย์ฉลาดคือวิธีการสังเกตและคิดเกี่ยวกับข้อมูลที่เราได้รับผ่านประสาทสัมผัสของเรา ซึ่งสะท้อนถึงความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลดังกล่าวและวิธีที่เราสามารถโต้ตอบได้”
แม้ว่าปฏิกิริยาของเราอาจดูเหมือนเป็นไปโดยอัตโนมัติ แต่กระบวนการนี้ต้องใช้เส้นประสาทในร่างกายเพื่อแปลงข้อมูลทางประสาทสัมผัสให้เป็นดิจิทัล เพื่อให้สัญญาณไฟฟ้าสามารถเดินทางไปยังสมองได้ สมองได้รับลำดับข้อมูลนี้ ประเมินและบอกให้ร่างกายตอบสนองตามนั้น
สำหรับวัสดุที่จะประมวลผลและคิดเกี่ยวกับข้อมูลในลักษณะเดียวกัน พวกเขาต้องทำการคำนวณภายในที่ซับซ้อนเหมือนกัน Harne กล่าว เมื่อนักวิจัยนำวัสดุทางวิศวกรรมของตนไปใช้กับข้อมูลทางกล ซึ่งใช้แรงที่ทำให้วัสดุเสียรูป มันจะแปลงข้อมูลเป็นดิจิทัลเพื่อส่งสัญญาณว่าเครือข่ายไฟฟ้าของมันสามารถก้าวหน้าและประเมินได้
กระบวนการนี้ต่อยอดจากงานก่อนหน้าของทีมที่พัฒนา metamaterial เชิงกลที่อ่อนนุ่ม ซึ่งสามารถ ‘คิด’ เกี่ยวกับวิธีการที่แรงถูกนำไปใช้กับมันและตอบสนองผ่านปฏิกิริยาที่ตั้งโปรแกรมไว้ ซึ่งมีรายละเอียดใน Nature Communications เมื่อปีที่แล้ว วัสดุก่อนหน้านี้จำกัดเฉพาะลอจิกเกตที่ทำงานบนสัญญาณอินพุต-เอาท์พุตไบนารี ตามข้อมูลของ Harne และไม่มีวิธีคำนวณการดำเนินการเชิงตรรกะระดับสูงที่เป็นศูนย์กลางของวงจรรวม
นักวิจัยติดอยู่ จนกระทั่งพวกเขาค้นพบ กระดาษปี 1938 ที่ตีพิมพ์โดย Claude E. Shannonอีกครั้ง ซึ่งต่อมากลายเป็นที่รู้จักในนาม “บิดาแห่งทฤษฎีสารสนเทศ” แชนนอนอธิบายวิธีสร้างวงจรรวมโดยการสร้างเครือข่ายสวิตชิ่งเครื่องกล-ไฟฟ้าที่เป็นไปตามกฎของคณิตศาสตร์บูลีน ซึ่งเป็นประตูตรรกะไบนารีแบบเดียวกับที่ฮาร์นใช้ก่อนหน้านี้
“ในที่สุด อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไม่ได้ใช้วิธีการนี้ในการสร้างวงจรรวมในปี 1960 โดยเลือกใช้วิธีการประกอบโดยตรงแทน” Harne กล่าว “ปรัชญาการออกแบบที่มีพื้นฐานทางคณิตศาสตร์ของแชนนอนหายไปจากกาลเวลา ดังนั้น เมื่อเราอ่านบทความนี้ เรารู้สึกประหลาดใจที่งานเบื้องต้นของเราได้ตระหนักถึงวิสัยทัศน์ของแชนนอนอย่างแท้จริง”
อย่างไรก็ตาม งานของแชนนอนเป็นงานสมมุติ โดยผลิตขึ้นเมื่อเกือบ 30 ปีก่อนที่วงจรรวมจะได้รับการพัฒนา และไม่ได้กล่าวถึงวิธีการปรับขนาดเครือข่าย
Harne กล่าวว่า “เราได้ปรับเปลี่ยนปรัชญาการออกแบบของ Shannon อย่างมาก เพื่อให้เครือข่ายเครื่องกล-ไฟฟ้าของเราสอดคล้องกับความเป็นจริงของกฎการประกอบวงจรรวม “เราก้าวข้ามปรัชญาการออกแบบประตูลอจิกหลักของเราจากการวิจัยในปี 2564 และประสานหลักการออกแบบเข้ากับหลักการที่แชนนอนพูดอย่างชัดแจ้ง เพื่อให้ได้วัสดุวงจรรวมทางกลในที่สุด ซึ่งเป็นสมองที่มีประสิทธิภาพของสสารประดิษฐ์”
ขณะนี้นักวิจัยกำลังพัฒนาวัสดุเพื่อประมวลผลข้อมูลภาพเหมือนที่ทำกับสัญญาณทางกายภาพ
“ขณะนี้เรากำลังแปลสิ่งนี้เป็นวิธีการ ‘มองเห็น’ เพื่อเพิ่มความรู้สึกของ ‘สัมผัส’ ที่เราสร้างขึ้นในปัจจุบัน” Harne กล่าว “เป้าหมายของเราคือการพัฒนาวัสดุที่แสดงให้เห็นการนำทางอัตโนมัติผ่านสภาพแวดล้อมโดยเห็นสัญญาณ ติดตามพวกเขา และหลบหลีกให้พ้นทางของแรงทางกลที่ไม่พึงประสงค์ เช่น บางสิ่งที่เหยียบอยู่บนนั้น”
ผู้เขียนบทความคนอื่นๆ ได้แก่ Charles El Helou นักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมเครื่องกลที่ Penn State และ Benjamin Grossman, Christopher E. Tabor และ Philip R. Buskohl จากห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศสหรัฐฯ
รางวัลการพัฒนาอาชีพในช่วงต้นของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของ Harne และกองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้ให้ทุนสนับสนุนการวิจัยนี้
