新型软的响应性超材料具有广泛社会效益的潜力。

 

与人工智能结合在一起的自主工程机器一直是科幻小说的主要内容，经常出现在像《太空堡垒卡拉狄加》(Battlestar Galactica)中的赛昂人这样的反派角色中，他们是由生物和工程材料组成的生物。但是，如果这些自动的软件机器……有用呢?

 

这是宾夕法尼亚州立大学和美国空军研究人员在《自然通讯》杂志上最近发表的一篇论文中提出的设想。这些研究人员制造了一种柔软的、机械的

超材料，它可以“思考”力是如何作用于它的，并通过程序反应作出反应。该平台在从医疗到改善环境的各种应用方面具有巨大的潜力。

 

宾州州立大学James F. Will职业发展副教授Ryan Harne表示:“我们创造了具有柔性、导电聚合物网络的柔软、机械超材料，可以进行所有数字逻辑计算。”“我们的论文报告了一种在工程材料中创建决策功能的方法，这种方法可以支持未来的软的、自主工程系统，这些系统投资于生命形式的基本元素，但通过编程为人们提供有用的服务。这可能包括帮助维护可持续和强大的基础设施，监测空气和水传播的污染物和病原体，协助患者伤口愈合，等等。”

 

哈恩指出，人类的思维过程是基于逻辑的，这类似于数学中的布尔逻辑。这种方法使用二进制输入来处理二进制控制输出——只使用“开”和“关”序列来表示所有的思想和认知。该研究小组通过重新配置导电聚合物网络，创造了“think”软材料。机械力，施加在材料上，连接和重新连接网络。

 

通过对材料进行低压输入，研究团队创造了一种方法，让软材料根据重新配置的导电聚合物网络的输出电压信号来决定如何反应。

 

Harne和团队使用的逻辑类型超越了纯粹的机械逻辑，这是一种使用双稳态开关组合的方式——具有两种稳定状态的开关——来表示二进制数字序列的“0”和“1”。他们发现，当他们使用纯机械逻辑时，研究人员最终会陷入困境，因为某些逻辑运算无法构建。天富登录现场

 

Harne说:“你会碰到一个临界点，你实际上无法处理所有的八个逻辑门。”“你可以处理其中的四个，但你不能处理最后四个。我们发现了将电信号和机械信号结合起来的方法，使我们能够处理现代数字计算中使用的所有逻辑门。”

 

实现所有逻辑门的关键是将电子聚合物网络与软的、可变形的材料结合起来。研究人员通过同时重新配置软材料和导电网络，创造了逻辑运算。

 

这也确保二进制输出是在电的形式，这是需要驱动驱动机构，使材料响应应用的机械力。电子信号和机械信号的结合使机器能够移动，或者向某个方向推回去。

 

Harne和他的团队想要超越单一的材料，设计更复杂的东西。天富登录现场

 

“我有一个愿景，科学家和工程师可以创造工程生命系统，以帮助社会，”Harne说。“你所需要做的就是把生命形式的所有功能结合起来。当你这样做的时候，你就可以随意使用构建工程生命的积木了。”

 

虽然这一切看起来像是科幻小说，但哈恩相信它有巨大的潜力。

 

“这有点像科幻小说，我必须承认，而且我得说，有些同事认为我有点疯狂，”哈恩说。“但如果我们作为工程师和科学家了解构成生命的所有东西，为什么我们不尝试制造可以帮助人类的工程生物呢?”

 

参考:“软的、导电的机械超材料中的数字逻辑门”，作者:Charles El Helou, Philip R. Buskohl, Christopher E. Tabor和Ryan L. Harne，《自然通讯》，2021年3月12日

 

除了Harne，这项研究的其他作者还包括来自宾夕法尼亚州立大学的机械工程博士生Charles El Helou，以及来自美国空军研究实验室的Philip Buskohl和Christopher Tabor。