Alguém toca seu ombro. Os receptores de toque organizados em sua pele enviam uma mensagem ao seu cérebro, que processa a informação e o direciona para olhar para a esquerda, na direção da torneira. Agora, pesquisadores da Penn State e da Força Aérea dos EUA aproveitaram esse processamento de informações mecânicas e o integraram em materiais de engenharia que “pensam”.
A obra, publicada hoje na Nature , depende de uma nova e reconfigurável alternativa aos circuitos integrados. Os circuitos integrados são normalmente compostos por vários componentes eletrônicos alojados em um único material semicondutor, geralmente silício, e executam todos os tipos de eletrônicos modernos, incluindo telefones, carros e robôs. Os circuitos integrados são a percepção dos cientistas do processamento de informações semelhante ao papel do cérebro no corpo humano. De acordo com o investigador principal Ryan Harne, James F. Will Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira de Engenharia Mecânica na Penn State, os circuitos integrados são o componente central necessário para a computação escalável de sinais e informações, mas nunca antes foram realizados por cientistas em qualquer composição que não o silício. semicondutores.

A descoberta de sua equipe revelou a oportunidade de quase qualquer material ao nosso redor agir como seu próprio circuito integrado:ser capaz de "pensar" sobre o que está acontecendo ao seu redor.

"Criamos o primeiro exemplo de um material de engenharia que pode sentir, pensar e agir simultaneamente sobre o estresse mecânico sem a necessidade de circuitos adicionais para processar esses sinais", disse Harne. “O material de polímero macio age como um cérebro que pode receber sequências digitais de informações que são processadas, resultando em novas sequências de informações digitais que podem controlar reações”.

O material mecânico macio e condutor contém circuitos reconfiguráveis ​​que podem realizar a lógica combinacional:quando o material recebe estímulos externos, ele traduz a entrada em informações elétricas que são processadas para criar sinais de saída. O material pode usar força mecânica para calcular aritmética complexa, como Harne e sua equipe demonstraram, ou detectar frequências de rádio para comunicar sinais de luz específicos, entre outros exemplos de tradução em potencial. As possibilidades são amplas, disse Harne, porque os circuitos integrados podem ser programados para fazer muito.

"Descobrimos como usar matemática e cinemática - como os componentes individuais de um sistema se movem - em redes mecânico-elétricas", disse Harne. "Isso nos permitiu realizar uma forma fundamental de inteligência em materiais de engenharia, facilitando o processamento de informações totalmente escalável intrínseco ao sistema de materiais macios".

Segundo Harne, o material usa um processo de "pensamento" semelhante ao humano e tem aplicações potenciais em sistemas autônomos de busca e resgate, em reparos de infraestrutura e até em materiais bio-híbridos que podem identificar, isolar e neutralizar patógenos no ar.

“O que torna os humanos inteligentes são nossos meios de observar e pensar sobre as informações que recebemos através de nossos sentidos, refletindo sobre a relação entre essas informações e como podemos reagir”, disse Harne.

While our reactions may seem automatic, the process requires nerves in the body to digitize the sensory information so that electrical signals can travel to the brain. The brain receives this informational sequence, assesses it and tells the body to react accordingly.

For materials to process and think about information in a similar way, they must perform the same intricate internal calculations, Harne said. When the researchers subject their engineered material to mechanical information—applied force that deforms the material—it digitizes the information to signals that its electrical network can advance and assess.

The process builds on the team's previous work developing a soft, mechanical metamaterial that could "think" about how forces are applied to it and respond via programmed reactions, detailed in Nature Communications last year. This earlier material was limited to only logic gates operating on binary input-output signals, according to Harne, and had no way to compute high-level logical operations that are central to integrated circuits.

The researchers were stuck, until they rediscovered a 1938 paper published by Claude E. Shannon, who later became known as the "father of information theory." Shannon described a way to create an integrated circuit by constructing mechanical-electrical switching networks that follow the laws of Boolean mathematics—the same binary logic gates Harne used previously.

"Ultimately, the semi-conductor industry did not adopt this method of making integrated circuits in the 1960s, opting instead to use a direct-assembly approach," Harne said. "Shannon's mathematically grounded design philosophy was lost to the sands of time, so, when we read the paper, we were astounded that our preliminary work exactly realized Shannon's vision."

However, Shannon's work was hypothetical, produced nearly 30 years before integrated circuits were developed, and did not address how to scale the networks.

"We made considerable modifications to Shannon's design philosophy in order for our mechanical-electrical networks to comply to the reality of integrated circuit assembly rules," Harne said. "We leapt off our core logic gate design philosophy from the 2021 research and fully synchronized the design principles to those articulated by Shannon to ultimately yield mechanical integrated circuit materials—the effective brain of artificial matter."

The researchers are now evolving the material to process visual information like it does physical signals.

"We are currently translating this to a means of 'seeing' to augment the sense of 'touching' we have presently created," Harne said. "Our goal is to develop a material that demonstrates autonomous navigation through an environment by seeing signs, following them and maneuvering out of the way of adverse mechanical force, such as something stepping on it."

Other authors of the paper include Charles El Helou, doctoral student in mechanical engineering at Penn State, and Benjamin Grossman, Christopher E. Tabor and Philip R. Buskohl from the U.S. Air Force Research Laboratory. + Explorar mais

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