สถาบัน MIT พัฒนาแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กจากโพลิเมอร์ยืดหยุ่น จำลองระบบประสาทของหมึกยักษ์

ในท้องทะเลลึก หมึกยักษ์สามารถเปลี่ยนสีผิวหนังได้ทันที โดยไม่จำเป็นต้องส่งการตัดสินใจเล็กๆ น้อยๆ ทุกอย่างกลับไปยังสมองส่วนกลาง หนวดของมันทำการคิดในระดับท้องถิ่น ขณะนี้นักวิจัยจากสถาบัน MIT ได้แปลงเวทมนตร์แห่งความยืดหยุ่นและการกระจายศูนย์นี้ให้กลายเป็นนวัตกรรมคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ระดับนาโนที่ออกแบบใหม่นี้ใช้โพลิเมอร์ที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นในการประมวลผลข้อมูลภายในหน่วยจุลภาคเพียงหน่วยเดียว ที่น่าสังเกตคือ แพลตฟอร์มนี้เลียนแบบวิธีที่สมองชีวภาพใช้การเคลื่อนไหวทางกายภาพในการคำนวณ โดยย่อระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนให้เป็นบรรจุภัณฑ์ที่บางเฉียบและประหยัดพลังงาน ซึ่งอาจผลักดันการพัฒนาหุ่นยนต์อัจฉริยะ แผ่นแปะทางการแพทย์แบบสวมใส่ได้ และเซ็นเซอร์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ

แรงบันดาลใจทางเทคโนโลยีมาจากหมึกยักษ์

ได้รับแรงบันดาลใจจากระบบประสาทแบบกระจายของสิ่งมีชีวิต เช่น หมึกยักษ์ เทคโนโลยีนี้ใช้วัสดุโพลิเมอร์ที่อ่อนนุ่ม ซึ่งเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้า วัสดุจะถูกบีบอัดและเด้งกลับ เลียนแบบวิธีที่เซลล์ประสาทในสมองจัดเก็บและส่งข้อมูล การสร้างฟังก์ชันเหล่านี้ไว้ในวัสดุโดยตรงช่วยลดความจำเป็นในการใช้วงจรภายนอกที่เทอะทะและแหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่งานที่ง่าย ในความพยายามครั้งก่อนๆ วิศวกรรายอื่นพบอุปสรรคทางกายภาพเมื่อสร้างคอมพิวเตอร์เชิงกลในระดับนาโน เมื่อพื้นผิวโลหะสองชิ้นอยู่ใกล้กันมากเกินไป แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่รุนแรงจะทำให้พื้นผิวทั้งสองติดกันอย่างถาวร ส่งผลให้ส่วนประกอบติดขัดและอุปกรณ์ล้มเหลว

เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมงานของสถาบัน MIT ได้แทรกชั้นของพอลิไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) ที่บางเป็นพิเศษระหว่างขั้วโลหะทั้งสอง PDMS เป็นโพลิเมอร์ที่อ่อนนุ่มและมีความหยืดหยุ่นแบบหนืด

อุปกรณ์ระดับนาโนนี้ใช้ส่วนประกอบหลักสามส่วนทำงานร่วมกันเพื่อเลียนแบบการคำนวณทางชีวภาพ ขั้วโลหะรับสัญญาณไฟฟ้าขาเข้า และจะถูกบีบอัดเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า ชั้น PDMS ที่อ่อนนุ่มซึ่งอยู่ระหว่างขั้วทำหน้าที่เป็นสปริงนาโนที่มีความหยืดหยุ่นแบบหนืด ช่วยปรับสมดุลแรงยึดเหนี่ยว ทำให้ขั้วสามารถเคลื่อนที่กลับได้โดยไม่ติดถาวร การเด้งกลับของโพลิเมอร์อย่างค่อยเป็นค่อยไปสร้างหน่วยความจำเชิงกล ซึ่งสามารถรักษาประวัติของแรงที่เคยถูกใช้ไว้เมื่อเวลาผ่านไป "PDMS มีความหยืดหยุ่นแบบหนืด ซึ่งหมายความว่าหลังจากถูกบีบอัด มันต้องใช้เวลาในการกลับคืนสู่สภาพเดิม ทำให้อุปกรณ์สามารถจดจำประวัติของแรงและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับมันได้แบบไดนามิก และแปลงประวัตินั้นเป็นการตอบสนองทางไฟฟ้า" ปีเตอร์ ซัทเทอร์วิท ผู้ร่วมเขียนหลักกล่าว

กลไกการทำงานของอุปกรณ์

ประจุไฟฟ้าจะสะสมขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เมื่อถึงเกณฑ์ที่กำหนด อุปกรณ์จะยิงสัญญาณออกมา เช่นเดียวกับเซลล์ประสาททางชีวภาพ จากนั้นจึงคลายตัวเพื่อรีเซ็ต เซลล์ประสาททางชีวภาพจะสะสมสัญญาณไฟฟ้าจนกว่าจะถึงเกณฑ์ ซึ่งในขณะนั้นเซลล์จะยิงและส่งข้อมูล อุปกรณ์ของทีม MIT จำลองกลไกนี้: แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จะค่อยๆ บีบอัดชั้นโพลิเมอร์ จนกว่าจะเกินเกณฑ์ กระตุ้นให้เกิดการยิงสัญญาณในสไตล์ทางชีวภาพ จากนั้นจึงคลายตัวเพื่อรีเซ็ต ปัญญาประดิษฐ์สมัยใหม่ใช้พลังงานจำนวนมาก เนื่องจากฮาร์ดแวร์ต้องถ่ายโอนข้อมูลอยู่ตลอดเวลาระหว่างหน่วยความจำและหน่วยประมวลผลที่แยกจากกัน แพลตฟอร์มของ MIT ขจัดช่องทางนี้ไปโดยสิ้นเชิง

ความจำ การรับรู้ และตรรกะเกิดขึ้นในตำแหน่งเดียวกัน การรวมหน่วยความจำและการคำนวณเข้าไว้ในส่วนประกอบระดับนาโนเพียงหน่วยเดียวโดยตรง ช่วยลดความจำเป็นในการใช้วงจรหรือตัวเก็บประจุเพิ่มเติม

แนวโน้มการประยุกต์ใช้ในอนาคต

ฮาร์ดแวร์ที่ยืดหยุ่นและได้แรงบันดาลใจจากสมองนี้ เปิดประตูสู่ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นถัดไปที่ปรับตัวได้ในอนาคต ซึ่งรวมถึงการประมวลผลแบบเอดจ์พลังงานต่ำ อวัยวะเทียมอัจฉริยะ เครื่องมือตรวจสุขภาพแบบสวมใส่ได้ และเซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อมแบบอัตโนมัติ ขั้นต่อไป นักวิจัยวางแผนที่จะรวมการรับรู้เข้ากับหน่วยความจำและการคำนวณโดยตรง เพื่อสร้างระบบคอมพิวเตอร์เชิงกลระดับนาโนที่ปรับตัวได้อย่างสมบูรณ์ การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances