能够“思考”的新型机械集成电路材料

软导电机械超材料可实现触觉信息的逻辑分析

有人拍了拍你的肩膀。皮肤中组织有序的触觉感受器会向大脑发送信息，大脑会处理信息并引导您向左看，朝敲击的方向看。现在，宾夕法尼亚州立大学和美国空军的研究人员已经利用这种机械信息处理技术，并将其整合到能够“思考”的工程材料中。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员使用导电和非导电橡胶材料制造机械集成电路材料，这些材料可以感知触觉输入并对其做出反应，例如力。

这项工作于今天（8 月 24 日）在Nature上发表，它依赖于一种新颖的、可重构的集成电路替代方案。集成电路通常由封装在单一半导体材料（通常是硅）上的多个电子元件组成，它们运行所有类型的现代电子产品，包括电话、汽车和机器人。集成电路是科学家对信息处理的实现，类似于大脑在人体中的作用。根据宾夕法尼亚州立大学机械工程系首席研究员 Ryan Harne 和 James F. Will 职业发展副教授的说法，集成电路是信号和信息的可扩展计算所需的核心组成部分，但在除硅之外的任何成分中，科学家们从未实现过半导体。

软导电机械超材料中电网切换的压缩原理。a引入由具有导电 Ag-TPU 迹线的 C 2晶胞组成的超材料。b C 2超材料与电源和 LED 阵列串联以说明开关功能。未压缩：开路，LED 熄灭。紧凑型：闭路，LED 亮。

他的团队的发现揭示了我们周围几乎所有材料都有机会像自己的集成电路一样发挥作用：能够“思考”周围发生的事情。

“我们创造了第一个工程材料的例子，它可以同时感知、思考和作用于机械应力，而不需要额外的电路来处理这些信号，”Harne 说。“这种软聚合物材料就像一个大脑，可以接收数字信息串，然后进行处理，从而产生可以控制反应的新数字信息序列。”

柔软的导电机械材料包含可重构电路，可以实现组合逻辑：当材料接收到外部刺激时，它将输入转换为电信息，然后经过处理以产生输出信号。该材料可以使用机械力来计算复杂的算术，正如 Harne 和他的团队所展示的那样，或者检测无线电频率以传达特定的光信号，以及其他潜在的翻译示例。哈恩说，可能性是广泛的，因为集成电路可以通过编程来做很多事情。

机械集成电路材料将机械力（例如挤压）转换为产生计算结果的电信号。

“我们发现了如何在机电网络中使用数学和运动学——系统的各个组成部分如何移动，”哈恩说。“这使我们能够通过促进软材料系统固有的完全可扩展的信息处理来实现工程材料中一种基本的智能形式。”

宾夕法尼亚州立大学的工程师与美国空军研究人员合作，创造了第一个柔软的聚合物材料的例子，这种材料的作用就像大脑一样，可以同时感知、思考和作用于机械应力，而无需额外的电路来处理这些信号。

根据 Harne 的说法，该材料使用与人类相似的“思考”过程，并在自主搜索和救援系统、基础设施维修甚至可以识别、隔离和中和空气传播病原体的生物混合材料中具有潜在应用。

“让人类变得聪明的是我们观察和思考我们通过感官接收到的信息的方式，反映这些信息与我们如何反应之间的关系，”哈恩说。

虽然我们的反应似乎是自动的，但这个过程需要身体中的神经将感觉信息数字化，以便电信号可以传播到大脑。大脑接收到这个信息序列，对其进行评估并告诉身体做出相应的反应。

Harne 说，对于以类似方式处理和思考信息的材料，它们必须执行相同的复杂内部计算。当研究人员让他们的工程材料接受机械信息（使材料变形的施加力）时，它将信息数字化为信号，其电网可以推进和评估。

该过程建立在该团队之前开发的一种柔软的机械超材料的基础上，该材料可以“思考”如何将力施加到它上并通过程序化反应做出反应，这在去年的《自然通讯》中有详细介绍。根据 Harne 的说法，这种早期材料仅限于对二进制输入输出信号进行操作的逻辑门，并且无法计算对集成电路至关重要的高级逻辑操作。

研究人员被困住了，直到他们重新发现了Claude E. Shannon 于 1938 年发表的一篇论文，后者后来被称为“信息论之父”。Shannon 描述了一种通过构建遵循布尔数学定律的机电开关网络来创建集成电路的方法——Harne 之前使用的相同的二进制逻辑门。

“最终，半导体行业在 1960 年代没有采用这种制造集成电路的方法，而是选择使用直接组装方法，”Harne 说。“香农以数学为基础的设计理念已被时间流逝，因此，当我们阅读论文时，我们惊讶地发现我们的初步工作完全实现了香农的愿景。”

然而，香农的工作是假设性的，在集成电路开发前近 30 年就已经完成，并没有解决如何扩展网络。

“我们对香农的设计理念进行了相当大的修改，以使我们的机电网络符合集成电路组装规则的现实，”哈恩说。“我们从 2021 年的研究中跳出了我们的核心逻辑门设计理念，并将设计原则与香农阐明的原则完全同步，最终产生机械集成电路材料——人造物质的有效大脑。”

研究人员现在正在改进这种材料，以像处理物理信号一样处理视觉信息。

“我们目前正在将其转化为一种‘观看’的方式，以增强我们目前创造的‘触摸’感，”哈恩说。“我们的目标是开发一种材料，通过看到标志、跟随标志并避开不利的机械力（例如踩到它的东西）来展示在环境中的自主导航。”