來自匹斯堡大學(xué)斯旺工程學(xué)院的研究人員們，設(shè)計(jì)了一種反應(yīng)混合材料，可以根據(jù)環(huán)境或動(dòng)作變化進(jìn)行計(jì)算，甚至可能應(yīng)對人類生命體征做出反應(yīng)，這使得距離“可計(jì)算材料”和穿在袖子上的電腦的可能性更進(jìn)一步。該材料系統(tǒng)足夠小和柔性，它可能最終被集成到織物或嵌入鞋中。

    化學(xué)和石油工程杰出教授Anna C. Balazs，和Steven P. Levitan博士，以及電氣和計(jì)算機(jī)工程系的的John A.Jurenko教授，整合了模型，用于自激振蕩聚合物凝膠和壓電微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，來設(shè)計(jì)出能夠進(jìn)行計(jì)算，而無需外部能源的接入，放大或計(jì)算機(jī)調(diào)解的新活性物質(zhì)的系統(tǒng)。

    他們這項(xiàng)研究，“實(shí)現(xiàn)與活性混合材料的同步：耦合自激振蕩凝膠和壓電（PZ）的電影”，發(fā)表在6月24日的Nature的子刊雜志《Scientific Reports》上。這些研究與Balazs的研究結(jié)合在一起，其研究的是Belousov-Zhabotinsky（BZ）凝膠，一種在沒有外界刺激下震蕩的物質(zhì)，同時(shí)也和Levitan的計(jì)算機(jī)建模和基于振蕩器的計(jì)算系統(tǒng)的專業(yè)知識相結(jié)合。通過與化工和石油工程系的研究助理教授Victor V. Yashin博士一起工作，他同時(shí)也是本文的主要作者，研究人員開發(fā)出了一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則用來創(chuàng)建混合“BZ-PZ”材料。

    “該BZ反應(yīng)可以驅(qū)動(dòng)周期性氧化和還原，因而被錨定到凝膠的金屬催化劑；這樣反過來，會(huì)使凝膠膨脹和收縮。我們把一個(gè)薄的壓電（PZ）懸臂放置在凝膠上，使得當(dāng)PZ由振蕩凝膠而彎曲時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢（電壓）。反之，施加給PZ懸臂的電勢會(huì)使其彎曲，”Balazs說道。 “因此，當(dāng)單個(gè)的BZ-PZ單元被連接到另一個(gè)這樣的單元，振蕩BZ凝膠在第一單元的膨脹會(huì)偏轉(zhuǎn)壓電懸臂梁，它從而產(chǎn)生一個(gè)電壓。反過來產(chǎn)生的電壓導(dǎo)致懸臂的偏轉(zhuǎn)會(huì)作用在第二單元；這種偏轉(zhuǎn)強(qiáng)加給底層BZ凝膠，會(huì)修改其振蕩力產(chǎn)生的”拉鋸式“振蕩，從而允許各單位之間的信息交流和溝通。

    多個(gè)BZ-PZ單元可以被串聯(lián)連接或并聯(lián)起來，從而允許更復(fù)雜的可以產(chǎn)生并存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)的振蕩圖案。實(shí)際上，這些不同的振蕩模式形成一種”存儲(chǔ)器“，允許該材料被用于計(jì)算。Levitan補(bǔ)充道，然而，計(jì)算不是一般目的，而是特定于模式匹配和識別，或其他非布爾運(yùn)算。

    ”想象一下一組管風(fēng)琴，每一個(gè)都是不同的和弦。當(dāng)你引入一個(gè)新的和弦，其會(huì)與特定的模式產(chǎn)生共鳴，“Levitan說。 ”同樣，如果你有一組振蕩器，他們每個(gè)都有一個(gè)振蕩的模式。每個(gè)振蕩器對一個(gè)特定的模式響應(yīng)，然后你引入一個(gè)新的外部的模式，那么該材料本身會(huì)識別該圖案，并作出相應(yīng)的反應(yīng)，從而表現(xiàn)出實(shí)際計(jì)算的結(jié)果。“

    開發(fā)所謂的”計(jì)算材料“解決了固有的對于目前研究人員們使用的系統(tǒng)的限制，來表現(xiàn)為化學(xué)計(jì)算或者基于振蕩的計(jì)算。化學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，是由缺乏內(nèi)部電源系統(tǒng)，和擴(kuò)散的速率擴(kuò)散到整個(gè)系統(tǒng)中的化學(xué)波共同限制，使得僅有局部耦合。此外，振蕩型計(jì)算還沒有被轉(zhuǎn)換成潛在的耐磨材料。先前從未提出的混合BZ-PZ模型解決了這些問題，并指向設(shè)計(jì)自供電的合成材料系統(tǒng)的潛在可能性。

    Balazs和Levitan注意到，目前BZ-PZ凝膠模型振蕩中只能持續(xù)幾十秒，這可以允許簡單的非布爾操作，或模式識別像人類的運(yùn)動(dòng)模式。Balazs和Levitan博士的下一步是，為模式識別增加一個(gè)輸入層，以完成在其它技術(shù)，但將首次被應(yīng)用到自振蕩凝膠和壓電膜。


 

責(zé)任編輯：王元

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