الهلام الملونة حية: صنع القرار على مستوى المواد دون وحدة المعالجة المركزية

أي شيء يمكن أن يكون مصدر إلهام للعلماء. وإذا تحدثنا عن ممثلي النباتات والحيوانات ، فإنهم قادة في قوائم الموسيقى التي ألهمت العقول العظيمة لإنشاء مجموعة واسعة من الأجهزة والآلات والتقنيات بالكامل. اليوم سنتعرف على دراسة مستوحاة من مخلوق ، "مصافحة" قد يستغرق الأمر بعض الوقت - الأخطبوط. قرر علماء من جامعة نورث كارولينا إنشاء جهاز ، مثل أطراف الأخطبوط ، سيكون قادرًا على معالجة المعلومات واتخاذ القرارات على مستوى المواد وبدون جهاز كمبيوتر مركزي. ما الذي يتكون عليه هذا الجهاز وما الوظائف التي يمكن أن يؤديها بالفعل وما هي احتمالات "منطق اللمس اللين"؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

الأخطبوط هو رخوة اللافقاريات الأكثر ذكاء من رتبة رأسيات الأرجل. تم تجهيز الجسم الناعم للأخطبوط بثمانية مخالب ، حيث توجد أكواب شفط خاصة ضرورية للتثبيت على السطح ، وإجراء الدراسة الفريسة واللمسية للبيئة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أيضًا براعم الذوق على المخالب ، والتي تتيح للأخطبوط تحديد مدى ملامسة ما (قد يكون من المناسب اختيار المنتجات في السوق).



مخالب الأخطبوط هي أيضًا فريدة من نوعها في أن ثلثي جميع الخلايا العصبية في جسمها موجودة فيها ، مما يسمح لمخالب بالتصرف بشكل مستقل ، أي لا توجد إشارة من الدماغ. إنه لأمر مضحك أن "أيدي" الأخطبوط تتمتع بالحكم الذاتي لدرجة أنها تجلب له بعض الإزعاج. والحقيقة هي أن بطلنا الثماني المسلح لا يستطيع تحديد موقع أطرافه بدقة من خلال الأحاسيس ، ولكن فقط من خلال الملاحظة المباشرة لمخالبه. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الأخطبوط لا يحتوي على تنبؤ استريو كامل ، أي القدرة على التعرف على الأشياء عن طريق اللمس (شكلها وحجمها وما إلى ذلك). يمكن للأخطبوط أن يستشعر المقاطع الفردية من نسيج كائن ما ، لكن لا يمكن تجميع هذا اللغز في صورة واحدة. بمعنى آخر ، إنه يعرف ما هي الحركات التي قامت بها يد أو أخرى إلا إذا رآها بعينيه. بالطبع ، هذا يسبب أحيانًا إزعاجًا ، لكن إذا تمكنت الأخطبوطات من الكلام ، فستكون بالكاد تشتكي.

رأى العلماء في هذا الاستقلال "اليدوي" المستقبل وقرروا تطبيق الميزة التشريحية للأخطبوط باستخدام التكنولوجيا. في عملهم ، يصفون جهازًا صغيرًا وبسيطًا إلى حد ما (في الوقت الحالي) مصنوع من السيليكون وسلاسل معدنية منصهرة مدمجة فيه ، يطلق عليها العلماء "منطق اللمس اللين" ( منطق اللمس اللين ).

المواد الرئيسية للجهاز هي مزيج من الغاليوم منخفض الانصهار (الجا ، 75 ٪ من الكتلة الكلية) والإنديوم (في ، 25 ٪ من الكتلة الكلية) ، وكذلك بولي إيثوميل سيلوكسان المطاط الصناعي (PDMS).

المبدأ الأساسي لهذا النموذج هو تسخين جول ، عندما يتم توليد الحرارة عن طريق تدفق التيار الكهربائي. باستخدام هذا التأثير ، الذي يتحقق بالتحديد بواسطة المعدن السائل (نقطة الانصهار 15.7 درجة مئوية) داخل المطاط الصناعي ، من الممكن تحقيق تغيير في لون النموذج الأولي بسبب استجابة الأصباغ المقدمة.

وبالتالي ، هناك جهاز ناعم ومرن بدرجة كافية يتغير لونه استجابة للضغط أو التمدد. لذلك ، تستمر هذه العملية دون مشاركة أي مركز تحكم ، ولكن مباشرة في مادة النموذج الأولي.

نتائج البحوث

يلاحظ العلماء أنه تم اختيار تغيير اللون لهذا النموذج الأولي لسبب ما: أولاً ، في هذه المرحلة من تطبيق التكنولوجيا ، هذه طريقة رائعة وسهلة لإظهار المبادئ الأساسية للجهاز ؛ ثانياً ، تغير اللون موجود في الطبيعة وفي التكنولوجيا. يستخدم ممثلو عالم الحيوان في كوكب الأرض تغيير اللون لإخفاء أنفسهم من الحيوانات المفترسة ، لإثبات سميتهم ، والبحث عن شريك وحتى لإظهار المشاعر ، المتأصلة بشكل خاص في الناس (أكثر احمرارًا مع الإحراج ، والشحوب بالخوف ، وما إلى ذلك). في عالم التكنولوجيا ، يعد اللون مهمًا أيضًا ، لأن تغيير لون وحدات البكسل الفردية ومجموعات البكسل والصورة بأكملها على الشاشة هي طريقة تفاعل بين الإنسان والآلة.

ومع ذلك ، هناك فرق بين الحيوانات والتكنولوجيا. غالبًا ما تستخدم شاشات العرض "استراتيجيات نشطة" تعتمد على توليد الضوء ، وتستخدم الحيوانات "استراتيجيات سلبية" عندما ينعكس الضوء الخارجي على السطح.

وفقًا للعلماء ، يمكن تنفيذ إستراتيجية سلبية لتغيير التصبغ بعدة طرق: البلورات السائلة الحرارية ، والسوائل الملونة التي يتم ضخها من خلال القنوات الصغيرة ، والتداخل في الأفلام الرقيقة ، والبلورات الضوئية الديناميكية وهياكل البلازما ، والمواد الحساسة للمغناطيسية والجزيئات الكهربية. في هذا العمل ، تم استخدام أصباغ بالحرارة.


الصورة رقم 1

يوضح الشكل 1 أ المنصة الأساسية للنموذج الأولي: المعدن السائل ، الواقع بين طبقتين من PDMS ، إحداها شفافة ، والأخرى تحتوي على جزيئات حرارية. ليست هناك حاجة إلى طبقة شفافة لتشغيل الأجهزة ، ولكن يسمح لك فقط بالنظر بعناية في ديناميات المعدن السائل في عملية البحث. يولد التيار الذي يمر عبر المعدن السائل تسخين جول ، وتغير جزيئات الحرارة الحرارية لونها فوق درجات الحرارة الحرجة بسبب إعادة ترتيب التركيب الجزيئي.

لإثبات هذا المبدأ ، تكون المادة الحساسة للحرارة TF-R1 حمراء اللون. يعرض هذا الإصدار من الجهاز على الفور لونًا أحمر ، ولكن عندما تصل درجة الحرارة إلى 28 درجة مئوية وما فوق ، يتحول اللون إلى اللون الأبيض (فيديو أدناه).


التغيير من الأحمر إلى الأبيض عندما تصل درجة الحرارة إلى 28 درجة مئوية.

تُظهر صورة الأشعة تحت الحمراء (المُدرجة في 1 ب ) مناطق درجة الحرارة المرتفعة المقابلة للصورة المرئية المُلاحَظة لتغييرات الألوان ( 1 ب ).

بطبيعة الحال ، يمكن تنفيذ مبدأ مماثل مع أي لون. على سبيل المثال ، استخدم العلماء ألواناً زرقاء حرارية ، واحتفظ الجهاز بلون أزرق في درجة حرارة الغرفة ، ليصبح لونه أبيض فقط عند 37 درجة مئوية وما فوق ( 1 ثانية ).


يتغير اللون الأزرق إلى اللون الأبيض عند تسخينه إلى 37 درجة مئوية وما فوق.

في المناطق التي لا يتغير فيها اللون ، توجد الأسلاك النحاسية. ونظرًا لأن المقاومة المحددة للنحاس (1.68 × 10 ⁻⁶ Ω · cm) أقل من المقاومة المحددة للمعادن السائلة (29.4 × 10 ⁻⁶ Ω سم) ، يتم إنشاء تدفئة Joule أقل ، مما لا يغير اللون في وجود النحاس.

بالنظر إلى أن المواد الحرارية المختلفة لها درجات حرارة استجابة مختلفة (التنشيط) ، فإن مزجها في جهاز واحد يخلق نظامًا جديدًا يعرض ثلاثة ألوان ( 1 د ).

تُظهر ديناميات درجة الحرارة عند 1d أيضًا كيف تتغير الألوان من واحدة إلى أخرى: أرجواني إلى أزرق (T <28 ° C ، حيث لا يوجد أحمر) ، ثم إلى أبيض (T> 37 ° C ، لا يوجد أزرق وأحمر). في مثل هذا الجهاز ، يبلغ عرض قناة المعدن السائل 0.4 مم.


تغيير اللون عند التغييرات الحالية.

العملية نفسها مفهومة تمامًا ، لكن كان لا يزال من الضروري تحديد مؤشرات القوة التي يحدث فيها تغيير اللون. تحقيقًا لهذه الغاية ، اقترح العلماء أنه خلال جول تسخين الطاقة ( P ) يتم إنشاؤها بناءً على التيار المطبق ( I ) ومقاومة المعدن السائل ( R ) وفقًا P = I ² R.

نظرًا لأن المقاومة تتناسب عكسياً مع عرض القناة ، فقد تم إجراء التجارب التي بقيت فيها هندسة الجهاز دائمًا كما هي ، لكن تم تغيير عرض القنوات (أدخل في 1e ). كما يتبين من الرسم البياني 1e ، فإن درجة الحرارة هي وظيفة خطية لمربع التيار. بالنسبة للتيار المعطى ، أدى انخفاض عرض المعدن السائل إلى زيادة التغير في درجة الحرارة بسبب الزيادة في تسخين جول. وهذا يعني أن الزيادة في التيار لا تزيد فقط من أقصى درجة حرارة السطح ، ولكن أيضًا تزيد من المنطقة التي تعاني من ارتفاع درجات حرارة السطح.

تم إجراء قياسات لعرض منطقة تغيير اللون لكل جهاز لتأسيس علاقة بين التيار وعرض منطقة تغيير اللون. تسببت الزيادة في كثافة التيار (بسبب الزيادة في التيار أو بسبب انخفاض في عرض المعدن السائل) في توسيع مناطق تغيير اللون.

غالبًا ما يرتبط تغيير لون التصبغ في مملكة الحيوانات بالتمويه ، أي مع القدرة على المزج البصري مع البيئة. الجهاز قيد التحقيق قادر أيضا على ذلك.

يوضح الشكل 1 و عملية تغيير لون الجهاز وفقًا للخلفية. يتحقق هذا التأثير عن طريق ضبط التيار في قنوات المعدن السائل.


تغيير لون التكيف (التمويه).

يمكنك أيضًا تحقيق ليس فقط اللون أحادي اللون للجهاز ، ولكن يمكنك أيضًا الحصول على مجموعات مختلفة من الألوان المختلفة ( 1 جرام ). عندما تبدأ بعض الألوان في التلاشي مع زيادة التيار ، تصبح الألوان أكثر إشراقًا.


تغيير ديناميكي تغيير لون التكيف.

كما فهمنا بالفعل ، فإن الدور الهائل في نجاح النموذج الأولي يلعبه نوع غير عادي من الموصلات - المعدن السائل ، والذي يمكنه تغيير شكله ، أي تكون مرنة ، مما يسمح بالحصول على خصائص ديناميكية لتسخين جول بسبب التشوهات. بمعنى آخر ، يمكن لهذا النظام الإبلاغ حراريًا عن حالة الجهاز (الضغط ، التوتر ، إلخ).

يقارن الباحثون هذا التأثير بالكيمياء الميكانيكية في الروبوتات اللينة ، عندما يقابل تغير اللون مستوى معين من التشوه ، محذرين من حدوث انهيار محتمل. ومع ذلك ، في حالة الموصل السائل المعدني ، ليست هناك حاجة إلى كيمياء ، وعدد المخرجات اللونية أكبر بكثير. بالنظر إلى أن تغير اللون ، على الرغم من التعرض الحراري ، لا يزال نشطًا ميكانيكياً ، إلا أن العلماء أطلقوا على هذه العملية اسم الميكانيكا الحرارية.

كيف يعمل هذا كله؟ يعطي الباحثون مثالًا بسيطًا - توتر القناة المعدنية السائلة. في هذه الحالة ، يزداد طول القناة ، ولكن تقل مساحة المقطع العرضي. نتيجة ذلك هي زيادة في المقاومة ، وبالتالي زيادة في تسخين جول ( 2 أ ).


الصورة رقم 2

يؤدي التشوه ( ɛ = ( L - L ₀ ) L _0-1 ، حيث L هو الطول) إلى زيادة المقاومة الأولية (R ₀ ) وفقًا للمعادلة التالية:

R = R ₀ ( ɛ +1) ² .

بالنظر إلى هذا الأساس النظري ، ابتكر الباحثون مستشعرًا يتغير لونه استجابةً للجهد. كما هو متوقع ، تزداد مقاومة القناة المعدنية السائلة مع استطالة ( 2b ). في لحظة التمدد ، تم تطبيق تيار مباشر قدره 0.2 A (الفيديو أدناه).


مظاهرة ميكانيكي.

عند حدوث تشوه صفري ، لا يكفي هذا التيار لتنشيط تغيير اللون ، ولكن عندما تكون القناة ممدودة (تشوه فعلي) ، يبدأ تسخين الجول في الزيادة ، مما يؤدي إلى تغيير اللون.

تُظهر الصورة 2c صورًا للقنوات المعدنية السائلة بسمك 0.2 مم في مختلف الفولتية. يتغير الجهاز من اللون البنفسجي إلى الأزرق بسبب نقص اللون الأحمر (عند درجات حرارة تزيد عن 28 درجة مئوية) ويتحول بالإضافة إلى ذلك من اللون الأزرق إلى الأبيض بتشوه بنسبة 60٪ بسبب تنشيط المكونات الحرارية الزرقاء. ثم يتحول الجهاز مرة أخرى إلى اللون الأرجواني عندما يعود إلى تشوه بنسبة 0٪ بسبب المعالجة الحرارية العكسية.

يمكن استخدام تأثير مماثل لتحديد درجة التشوه وتوطينه من خلال تقييم لون ومساحة تغييرات الألوان على الجهاز.

من أجل فهم كيفية تغير اللون في ظل التوتر ، وكنتيجة لذلك ، لضبط تفاعل اللون مع التشوه ، قام العلماء بدمج صيغتين مهمتين لهذا العمل ( P = I ² R و R = R ₀ ( ɛ +1) ² ) وحصلوا على ما يلي :

dP / d ( ɛ +1) = 2 I ² R ₀ ( ɛ +1).

توضح هذه الصيغة أن التغير في القدرة ( P ) مع التشوه ( ɛ ) يعتمد على التيار ( I ، في هذه التجارب يكون ثابتًا) وعلى المقاومة الأولية ( R ₀ ). اتضح أن القناة ذات المقاومة المبدئية الأعلى ستكون أكثر حساسية للتمدد. لتأكيد هذه النظرية ، ابتكر الباحثون موصلًا خطيًا بطول 35 ملم ، وارتفاعه 0.05 ملم وعرض X ملم (حيث كان X 0.2 ، 0.3 ، 0.4 ، 0.5 و 1.0 mm) ، وبعد ذلك قاموا بقياس عرض منطقة تغيير اللون عند تطبيق التيار المباشر.


رسم بياني لنتائج تجربة مقاومة مختلفة.

كنتيجة للتجربة ، تبين أن الأجهزة ذات القناة المعدنية السائلة الأضيق تغير لونها عند مقاومة أقل. على العكس من ذلك ، فإن الجهاز الأوسع لا يتحول إلى اللون الأبيض حتى عند تشوه بنسبة 180٪ بسبب مقاومته الأولية المنخفضة. وهذا يشير إلى أنه يمكنك تكوين الجهاز عن طريق ضبط المقاومة الأولية بحيث يحدث تغيير اللون عند قيمة جهد معينة.

بالإضافة إلى المقاومة ، هناك عامل مهم آخر في تغيير اللون الحالي. أثناء التجربة ، تم تطبيق تيار يبلغ 0.2 و 0.3 و 0.4 A على جهاز بعرض قناة 1 ملم.


رسم بياني لنتائج تجربة التيارات المختلفة.

لا يغير الجهاز اللون إلى اللون الأبيض عندما يكون ممدودًا باستخدام 0.2 أ. بعد زيادة التيار إلى 0.4 أ ، يمكن للجهاز تغيير اللون بتشوه منخفض (≈ 50٪). تؤكد هذه الملاحظة أنه يمكن استخدام التيار للتحكم في التشوه في أماكن تغيير اللون.

بالإضافة إلى التمدد ، هناك عدد من الأنواع الأخرى من التشوه ، أحدها الضغط. يؤدي الضغط على الجهاز أيضًا إلى تغيير في حجم القنوات المعدنية السائلة. أي تغيير في المنطقة المستعرضة للقناة في هذه اللحظة يمكن أن يتسبب في تغيرات محلية في اللون عن طريق تغييرات محلية في المقاومة (إذا كان التيار ثابتًا ، بالطبع).

للتحقق من ذلك ، تم إجراء تجربة تم فيها تطبيق تيار من 0.1 A على الجهاز وتم تطبيق ضغط 100 و 200 و 300 و 400 كيلو باسكال (الفترة الزمنية بين الضغوط 15 ثانية) على مساحة 1 × 1 سم. كما هو متوقع ، تغير اللون تمامًا في مكان تطبيق الضغط.

تحول اللون الأزرق الأولي إلى اللون الأرجواني عند ضغط 100 كيلو باسكال ، ثم ظهر اللون الأبيض عند 200 كيلو باسكال (الفيديو أدناه).


مظاهرة استجابة الجهاز للضغط.

بعد ذلك ، قرر العلماء أن يوضحوا كيف يؤثر التيار والعرض لقناة المعدن السائل على تغيير اللون أثناء الضغط. لهذا ، تم تصنيع قناة معدنية سائلة بطول 50 مم ، وارتفاعها 0.05 ملم وعرض X مم (حيث X = 0.2 ، 0.3 ، 0.4 ، 0.5 و 1.0 mm). تم تطبيق تيار يبلغ 0.1 و 0.2 و 0.3 A على الجهاز بعرض قناة 1 مم ، وبعد ذلك تم قياس تغير اللون كدالة للضغط ( 2e ). تتزايد نطاقات قيم الضغط التي توجد فيها ألوان أرجوانية وزرقاء مع زيادة التيار.

لاحظ الباحثون أن الأجهزة المعروضة في 2d و 2e تحتوي على قناة واحدة فقط موصل. وبالتالي ، يؤدي النقر فوقه إلى حدوث تغيير محلي في المقاومة وزيادة في الكثافة الحالية ، حيث يجب أن يمر التيار عبر المنطقة المضغوطة. ولكن يمكنك إنشاء أنظمة مع العديد من القنوات لمرور التيار. يمكن استخدام هذا المفهوم لإعادة توزيع الطاقة في الدائرة وإجراء عمليات منطقية بسيطة دون استخدام أشباه الموصلات.


الصورة رقم 3

لإظهار هذا المفهوم ، تم إنشاء نموذج أولي ( 3a ) ، يتكون من منطقتين "إدخال" ( A و B في الصورة) ومنطقة "عرض" واحدة ( C في الصورة).

إشارة الدخل في هذه الحالة هي الضغط. مثل جهد العتبة في الترانزستور ، هناك ضغط عتبة ضروري لحث ما يكفي من التيار للتسبب في تغيير اللون في "منطقة العرض". باتباع لغة المنطق الثنائي ، تسمى قيم الضغط فوق العتبة "1" ، والقيم أدناه تسمى "0".

تم تطبيق تيار يبلغ 0.4 A على الجهاز وتم تطبيق إشارات الضغط المختلفة "1" و "0" في المناطق A و B. استجابةً للإشارات ، تفاعلت منطقة العرض مع تغيير اللون ( 3b ).


"منطق اللمس اللين."

تحدث تغييرات اللون هذه بسبب إعادة توجيه التيار الكهربائي إلى المنطقة C بناءً على المدخلات المادية. هذا الجهاز البسيط هو عملية منطقية تشبه NAND ، على الرغم من أن الإخراج معقد من خلال ثلاث حالات إخراج بدلاً من حالتين.


الجهاز مع 10 قنوات متوازية.

يمكن توسيع هذا المفهوم عن طريق إنشاء قنوات متوازية داخل الجهاز ، والتي ستعيد توزيع التيار عند الضغط عليه.


استخدام "منطق اللمس اللين" في الأجهزة الإلكترونية.

بالإضافة إلى تسخين Joule ، يمكن للتيار المعاد توزيعه تنشيط بعض عناصر الدوائر (المصابيح في الفيديو أعلاه) أو عناصر ميكانيكية (المروحة في الفيديو أدناه).


استخدام "منطق اللمس اللين" في الأجهزة الميكانيكية.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

في هذه الدراسة ، أظهر العلماء أجهزة نموذجية تتكون من المطاط الصناعي مع واحد أو أكثر من القنوات الموصلة من المعدن السائل. . , ( ): , , .

, . , , / , . , . , , , .. .

, — . .



شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟