Lebhaftes buntes Gelee: Entscheidungsfindung auf Materialebene ohne CPU

Alles kann eine Inspiration für Wissenschaftler sein. Und wenn wir über Vertreter der Flora und Fauna sprechen, dann sind sie führend in der Liste der Musen, die große Köpfe dazu inspiriert haben, eine Vielzahl von Geräten, Maschinen und ganzen Technologien zu entwickeln. Heute werden wir eine Studie kennenlernen, die von einer Kreatur inspiriert ist, einem „Händedruck“, mit dem es einige Zeit dauern würde - einem Tintenfisch. Wissenschaftler der University of North Carolina haben beschlossen, ein Gerät zu entwickeln, das wie die Glieder eines Oktopus Informationen verarbeiten und Entscheidungen auf Materialebene und ohne zentralen Computer treffen kann. Woraus besteht dieses Gerät, welche Funktionen kann es bereits ausführen und welche Aussichten bestehen auf eine „weiche taktile Logik“? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Krake ist die versierteste wirbellose Molluske aus der Ordnung der Kopffüßer. Der weiche Körper des Oktopus ist mit acht Tentakeln ausgestattet, auf denen spezielle Saugnäpfe angebracht sind, die an der Oberfläche befestigt werden können, um die Beute zu halten und die Umgebung taktil zu untersuchen. Darüber hinaus befinden sich auf den Tentakeln Geschmacksknospen, mit denen der Tintenfisch die Essbarkeit dessen bestimmen kann, was er berührt (es wäre wahrscheinlich praktisch, Produkte auf dem Markt auszuwählen).



Die Tentakeln des Oktopus sind auch insofern einzigartig, als sich 2/3 aller Neuronen seines Körpers in ihnen befinden, wodurch die Tentakeln unabhängig voneinander wirken können, d. H. kein Signal vom Gehirn. Es ist lustig, dass die "Hände" des Oktopus so autonom sind, dass es ihm einige Unannehmlichkeiten bringt. Tatsache ist, dass unser achtarmiger Held die Position seiner Gliedmaßen nicht durch Empfindungen genau bestimmen kann, sondern nur durch direkte Beobachtung seiner Tentakel. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Oktopus keine vollständige Stereovorhersage hat, d.h. die Fähigkeit, Objekte durch Berühren zu erkennen (ihre Form, Größe usw.). Ein Oktopus kann einzelne Abschnitte der Textur eines Objekts erfassen, dieses Puzzle jedoch nicht zu einem einzigen Bild zusammenfügen. Mit anderen Worten, er weiß nur, welche Bewegungen von der einen oder anderen Hand gemacht wurden, wenn er sie mit eigenen Augen sah. Natürlich verursacht dies manchmal Unannehmlichkeiten, aber wenn die Tintenfische sprechen könnten, würden sie sich kaum beschweren.

Wissenschaftler in dieser "manuellen" Autonomie sahen die Zukunft und beschlossen, die anatomischen Merkmale des Oktopus mithilfe von Technologie zu implementieren. In ihrer Arbeit beschreiben sie ein kleines und (vorerst) einfaches Gerät aus darin eingebetteten Silikon- und geschmolzenen Metallketten, das von Wissenschaftlern als „weiche taktile Logik“ ( weiche taktile Logik ) bezeichnet wird.

Die Hauptmaterialien für die Vorrichtung sind eine Mischung aus niedrigschmelzendem Gallium (Ga, 75% der Gesamtmasse) und Indium (In, 25% der Gesamtmasse) sowie ein Elastomer Polydimethylsiloxan (PDMS).

Das Grundprinzip dieses Prototyps ist die Joule'sche Erwärmung, wenn Wärme durch den Stromfluss erzeugt wird. Mit diesem Effekt, der genau durch flüssiges Metall (Schmelzpunkt 15,7 ° C) im Elastomer realisiert wird, ist es möglich, eine Farbänderung des Prototyps aufgrund der Reaktion der eingebrachten Pigmente zu realisieren.

Somit gibt es eine weiche und ausreichend elastische Vorrichtung, die ihre Farbe als Reaktion auf Druck oder Dehnung ändert. Daher läuft dieser Prozess ohne Beteiligung eines Kontrollzentrums ab, sondern direkt im Material des Prototyps.

Forschungsergebnisse

Wissenschaftler stellen fest, dass die Farbänderung für diesen Prototyp aus einem Grund gewählt wurde: Erstens ist dies in dieser Phase der Technologieimplementierung eine großartige und einfache Möglichkeit, die Grundprinzipien des Geräts zu demonstrieren. Zweitens ist der Farbwechsel sowohl in der Natur als auch in der Technologie vorhanden. Vertreter der Tierwelt des Planeten Erde verwenden Farbwechsel, um sich vor Raubtieren zu verkleiden, ihre Toxizität zu demonstrieren, nach einem Partner zu suchen und sogar Emotionen zu zeigen, die den Menschen besonders innewohnen (roter vor Verlegenheit, blass vor Angst usw.). In der Technologiewelt ist Farbe ebenfalls wichtig, da das Ändern der Farbe einzelner Pixel, Pixelcluster und des gesamten Bilds auf dem Monitor eine Mensch-Maschine-Interaktionsmethode ist.

Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen Tieren und Technologie. Displays verwenden häufig „aktive Strategien“, die auf der Lichterzeugung basieren, und Tiere verwenden „passive Strategien“, wenn externes Licht von der Oberfläche reflektiert wird.

Laut Wissenschaftlern kann eine passive Strategie zur Änderung der Pigmentierung auf verschiedene Weise umgesetzt werden: thermochrome Flüssigkristalle, durch Mikrokanäle gepumpte farbige Flüssigkeiten, Interferenz in dünnen Filmen, dynamische photonische Kristalle und Plasmonstrukturen, magnetisch empfindliche Materialien und elektrochrome Moleküle. In dieser Arbeit wurden thermochrome Pigmente verwendet.


Bild Nr. 1

Abbildung 1a zeigt die Grundplattform des Prototyps: Flüssiges Metall, das sich zwischen zwei PDMS-Schichten befindet, von denen eine transparent ist und die andere thermochrome Partikel enthält. Für den Betrieb der Geräte wird keine transparente Schicht benötigt, sondern Sie können nur die Dynamik von Flüssigmetall im Forschungsprozess sorgfältig berücksichtigen. Der durch das flüssige Metall fließende Strom erzeugt eine Joule'sche Erwärmung, und thermochrome Partikel ändern ihre Farbe oberhalb kritischer Temperaturen aufgrund der Umlagerung der Molekülstruktur.

Um dieses Prinzip zu demonstrieren, ist die wärmeempfindliche Substanz TF-R1 rosarot. Diese Version des Geräts zeigt sofort eine rote Farbe, aber wenn die Temperatur 28 ° C und mehr erreicht, ändert sich die Farbe in Weiß (Video unten).


Wechseln Sie von rot nach weiß, wenn die Temperatur 28 ° C erreicht.

Das IR-Bild (Einschub in 1b ) zeigt Bereiche mit erhöhter Temperatur, die dem beobachteten visuellen Bild von Farbänderungen ( 1b ) entsprechen.

Ein ähnliches Prinzip kann natürlich mit jeder Farbe umgesetzt werden. Zum Beispiel verwendeten Wissenschaftler blaue Thermochrome, und das Gerät behielt bei Raumtemperatur eine blaue Farbe bei und wurde erst bei 37 ° C und darüber ( 1s ) weiß.


Die blaue Farbe ändert sich zu Weiß, wenn sie auf 37 ° C und darüber erhitzt wird.

In Bereichen, in denen sich die Farbe nicht ändert, sind Kupferdrähte vorhanden. Und da der spezifische Widerstand von Kupfer (1,68 × 10 ^–6 Ω · cm) niedriger ist als der spezifische Widerstand von flüssigem Metall (29,4 × 10 ^–6 Ω · cm), wird weniger Joule-Erwärmung erzeugt, die in Gegenwart von Kupfer ihre Farbe nicht ändert.

Da verschiedene thermochrome Substanzen unterschiedliche Reaktionstemperaturen (Aktivierungstemperaturen) haben, entsteht durch Mischen in einem Gerät ein neues System, das drei Farben anzeigt ( 1d ).

Die Temperaturdynamik bei 1d zeigt auch, wie sich die Farben von einer zur anderen ändern: Magenta zu Blau (T <28 ° C, da kein Rot vorhanden ist) und dann zu Weiß (T> 37 ° C, es gibt kein Blau und Rot). In einer solchen Vorrichtung beträgt die Breite des Flüssigmetallkanals 0,4 mm.


Farbänderung, wenn sich der Strom ändert.

Der Prozess selbst ist durchaus verständlich, es musste jedoch noch festgestellt werden, bei welchen Leistungsindikatoren eine Farbänderung auftritt. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass während Joule eine Heizleistung ( P ) basierend auf dem angelegten Strom ( I ) und dem Widerstand des flüssigen Metalls ( R ) gemäß P = I ² R erzeugt wird.

Da der Widerstand umgekehrt proportional zur Breite des Kanals ist, wurden Experimente durchgeführt, bei denen die Geometrie der Vorrichtung immer gleich blieb, sich jedoch die Breite der Kanäle änderte (Einfügen bei 1e ). Wie in der Grafik 1e zu sehen ist, ist die Temperatur eine lineare Funktion des Quadrats des Stroms. Bei einem gegebenen Strom erhöhte eine Abnahme der Breite des flüssigen Metalls die Temperaturänderung aufgrund einer Zunahme der Joule'schen Erwärmung. Das heißt, eine Erhöhung des Stroms erhöht nicht nur die maximale Oberflächentemperatur, sondern auch den Bereich, in dem erhöhte Oberflächentemperaturen auftreten.

Es wurden Messungen der Breite des Farbänderungsbereichs jeder Vorrichtung durchgeführt, um eine Beziehung zwischen dem Strom und der Breite des Farbänderungsbereichs herzustellen. Eine Zunahme der Stromdichte (aufgrund einer Zunahme des Stroms oder aufgrund einer Abnahme der Breite des flüssigen Metalls) verursachte die Ausdehnung der Bereiche der Farbänderung.

Das Ändern der Pigmentierungsfarbe im Tierreich ist am häufigsten mit Tarnung verbunden, d.h. mit der Fähigkeit, sich visuell in die Umgebung einzufügen. Auch das untersuchte Gerät ist dazu in der Lage.

Abbildung 1f zeigt den Vorgang des Änderns der Farbe des Geräts entsprechend dem Hintergrund. Dieser Effekt wird durch Einstellen des Stroms in den Kanälen des flüssigen Metalls erreicht.


Adaptiver Farbwechsel (Tarnung).

Sie können auch nicht nur die monochromatische Farbe des Geräts erzielen, sondern auch verschiedene Kombinationen verschiedener Farben (1 g ). Wenn einige Farben mit zunehmendem Strom zu verblassen beginnen, werden andere heller.


Dynamische Änderung Adaptive Farbänderung.

Wie wir bereits verstanden haben, spielt eine ungewöhnliche Art von Leiter - flüssiges Metall - eine große Rolle für den Erfolg des Prototyps, das seine Form ändern kann, d. H. elastisch sein, was es ermöglicht, dynamische Eigenschaften der Joule'schen Erwärmung aufgrund von Verformungen zu erhalten. Mit anderen Worten, ein solches System kann thermochrom über den Zustand der Vorrichtung (Druck, Spannung usw.) berichten.

Die Forscher vergleichen diesen Effekt mit der Mechanochemie in der weichen Robotik, wenn die Farbänderung einem bestimmten Verformungsgrad entspricht, und warnen vor einem möglichen Zusammenbruch. Im Fall eines Flüssigmetallleiters ist jedoch keine Chemie erforderlich, und die Anzahl der kolorimetrischen Ausgänge ist viel größer. Angesichts der Tatsache, dass die Farbänderung, obwohl sie durch Wärmeeinwirkung verursacht wird, immer noch mechanisch aktiviert wird, nannten die Wissenschaftler diesen Prozess Thermomechanochromie.

Wie funktioniert das alles? Die Forscher geben ein einfaches Beispiel - die Spannung des Flüssigmetallkanals. In dieser Situation nimmt die Kanallänge zu, aber die Querschnittsfläche nimmt ab. Die Folge davon ist eine Erhöhung des Widerstands und folglich eine Erhöhung der Joule'schen Erwärmung ( 2a ).


Bild Nr. 2

Die Verformung ( ɛ = ( L - L ₀ ) L _0-1 , wobei L die Länge ist) führt zu einer Erhöhung des Anfangswiderstands (R ₀ ) gemäß der folgenden Formel:

R = R ₀ ( ɛ +1) ² .

Auf dieser theoretischen Grundlage entwickelten die Forscher einen Sensor, der als Reaktion auf die Spannung seine Farbe ändert. Wie erwartet nimmt der Widerstand des Flüssigmetallkanals mit der Dehnung zu ( 2b ). Zum Zeitpunkt des Streckens wurde ein Gleichstrom von 0,2 A angelegt (Video unten).


Demonstration der Mechanochromie.

Bei einer Verformung von Null reicht dieser Strom nicht aus, um eine Farbänderung zu aktivieren, aber wenn der Kanal verlängert wird (tatsächliche Verformung), beginnt die Joule-Erwärmung zuzunehmen, was zu einer Farbänderung führt.

Bild 2c zeigt Bilder von 0,2 mm dicken Flüssigmetallkanälen bei verschiedenen Spannungen. Das Gerät wechselt aufgrund des Mangels an Rot (bei Temperaturen> 28 ° C) die Farbe von Magenta zu Blau und wechselt bei 60% Verformung aufgrund der Aktivierung der blauen thermochromen Komponenten zusätzlich von Blau zu Weiß. Dann wird das Gerät wieder lila, wenn es aufgrund der reversiblen Thermochromie wieder zu 0% Verformung zurückkehrt.

Ein ähnlicher Effekt kann verwendet werden, um den Grad der Verformung und deren Lokalisierung zu bestimmen, indem die Farbe und der Bereich der Farbänderungen auf dem Gerät bewertet werden.

Um zu verstehen, wie sich die Farbe unter Spannung ändert, und um infolgedessen die Farbreaktion auf Verformung einstellen zu können, kombinierten die Wissenschaftler zwei für diese Arbeit wichtige Formeln ( P = I ² R und R = R ₀ ( ɛ +1) ² ) und erhielten Folgendes ::

dP / d ( ɛ +1) = 2 I ² R ₀ ( ɛ +1).

Diese Formel zeigt, dass die Änderung der Leistung ( P ) mit der Verformung ( ɛ ) vom Strom ( I , in diesen Experimenten ist er konstant) und vom Anfangswiderstand ( R ₀ ) abhängt. Es stellt sich heraus, dass der Kanal mit einem höheren Anfangswiderstand empfindlicher gegen Dehnung ist. Um diese Theorie zu bestätigen, erstellten die Forscher einen linearen Leiter mit einer Länge von 35 mm, einer Höhe von 0,05 mm und einer Breite von X mm (wobei X 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 und 1,0 mm betrug), wonach sie die Breite des Farbänderungsbereichs beim Anlegen von Gleichstrom maßen.


Diagramm der Ergebnisse eines Experiments mit unterschiedlichem Widerstand.

Als Ergebnis des Experiments wurde festgestellt, dass Vorrichtungen mit einem engeren Flüssigmetallkanal bei einem niedrigeren Widerstand ihre Farbe ändern. Umgekehrt wird die breiteste Vorrichtung aufgrund ihres geringen Anfangswiderstands selbst bei 180% Verformung niemals weiß. Dies legt nahe, dass Sie das Gerät konfigurieren können, indem Sie den Anfangswiderstand so einstellen, dass die Farbänderung bei einem bestimmten Spannungswert auftritt.

Neben dem Widerstand ist der Strom ein weiterer wichtiger Faktor bei der Farbänderung. Während des Experiments wurde ein Strom von 0,2, 0,3 und 0,4 A an eine Vorrichtung mit einem 1 mm breiten Kanal angelegt.


Diagramm der Ergebnisse eines Experiments mit verschiedenen Strömen.

Das Gerät ändert seine Farbe nicht in Weiß, wenn es mit 0,2 A verlängert wird. Nach dem Erhöhen des Stroms auf 0,4 A kann das Gerät bei geringer Verformung (~ 50%) die Farbe ändern. Diese Beobachtung bestätigt, dass Strom verwendet werden kann, um die Verformung an Orten mit Farbänderung zu steuern.

Zusätzlich zum Strecken gibt es eine Reihe anderer Arten von Verformungen, von denen eine die Kompression ist. Das Drücken der Vorrichtung führt auch zu einer Änderung der Größe der Flüssigmetallkanäle. Eine Änderung des Querbereichs des Kanals in diesem Moment kann lokale Farbänderungen durch lokale Widerstandsänderungen verursachen (wenn der Strom natürlich konstant ist).

Um dies zu verifizieren, wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem ein Strom von 0,1 A an die Vorrichtung angelegt wurde und ein Druck von 100, 200, 300 und 400 kPa (das Zeitintervall zwischen den Drücken betrug 15 Sekunden) über eine Fläche von 1 × 1 cm angelegt wurde. Wie erwartet änderte sich die Farbe genau am Ort der Druckanwendung.

Die anfängliche blaue Farbe wurde bei einem Druck von 100 kPa lila, und dann erschien bei 200 kPa eine weiße Farbe (Video unten).


Demonstration der Reaktion des Geräts auf Druck.

Als nächstes beschlossen die Wissenschaftler zu demonstrieren, wie der Strom und die Breite des Flüssigmetallkanals die Farbänderung während der Komprimierung beeinflussen. Hierzu wurde ein Flüssigmetallkanal mit einer Länge von 50 mm, einer Höhe von 0,05 mm und einer Breite von X mm (wobei X = 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 und 1,0 mm) hergestellt. Ein Strom von 0,1, 0,2 und 0,3 A wurde an die Vorrichtung mit einem 1 mm breiten Kanal angelegt, wonach die Farbänderung als Funktion des Drucks ( 2e ) gemessen wurde. Die Bereiche der Druckwerte, in denen violette und blaue Farben vorliegen, nehmen mit zunehmendem Strom zu.

Die Forscher stellen fest, dass die auf 2d und 2e gezeigten Geräte nur einen leitenden Kanal haben. Ein Klick darauf führt also zu einer lokalen Widerstandsänderung und einer Erhöhung der Stromdichte, da der Strom durch den komprimierten Bereich fließen muss. Sie können jedoch Systeme mit mehreren Kanälen für den Stromdurchgang erstellen. Dieses Konzept kann verwendet werden, um Energie in einer Schaltung neu zu verteilen und einfache logische Operationen ohne Verwendung von Halbleitern durchzuführen.


Bild Nr. 3

Um dieses Konzept zu demonstrieren, wurde ein Prototyp ( 3a ) erstellt, der aus zwei Eingabebereichen ( A und B im Bild) und einem Anzeigebereich ( C im Bild) besteht.

Das Eingangssignal ist in diesem Fall der Druck. Wie bei der Schwellenspannung in einem Transistor ist ein Schwellendruck erforderlich, um genügend Strom zu induzieren, um eine Farbänderung im „Anzeigebereich“ zu bewirken. In Anlehnung an die Sprache der binären Logik werden die Druckwerte über dem Schwellenwert als "1" und die darunter liegenden Werte als "0" bezeichnet.

An die Vorrichtung wurde ein Strom von 0,4 A angelegt, und in den Bereichen A und B wurden verschiedene Drucksignale "1" und "0" angelegt. In Reaktion auf die Signale reagierte der Anzeigebereich mit einer Farbänderung ( 3b ).


"Weiche taktile Logik."

Diese Farbänderungen treten aufgrund der Umleitung des elektrischen Stroms in den Bereich C basierend auf der physikalischen Eingabe auf. Dieses einfache Gerät ist eine NAND-ähnliche logische Operation, obwohl die Ausgabe durch drei anstatt durch zwei Ausgabezustände kompliziert wird.


Gerät mit 10 parallelen Kanälen.

Dieses Konzept kann erweitert werden, indem parallele Kanäle im Gerät erstellt werden, die den Strom beim Drücken neu verteilen.


Die Verwendung von "weicher taktiler Logik" in elektronischen Geräten.

Zusätzlich zur Joule'schen Erwärmung kann der umverteilte Strom bestimmte Schaltungselemente (LEDs im Video oben) oder mechanische Elemente (Lüfter im Video unten) aktivieren.


Die Verwendung von "weicher taktiler Logik" in mechanischen Geräten.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

In dieser Studie demonstrierten Wissenschaftler Prototypvorrichtungen, die aus einem Elastomer mit einem oder mehreren leitenden Kanälen aus flüssigem Metall bestehen. Die Verwendung solcher Kanäle ermöglichte es, die Elastizität der Vorrichtung selbst aufrechtzuerhalten. Es wurde das Konzept der Änderung der Farbe der Vorrichtung aufgrund thermochromer Flüssigkristalle demonstriert, das auf eine Änderung eines bestimmten Indikators (oder auf einmal) reagiert: die Breite des leitenden Kanals, den Grad der Verformung, den Strom und den Widerstand.

Dieses Gerät ist absurd einfach und kann bestimmte Funktionen ohne Beteiligung des Zentralprozessors ausführen, dh auf der Ebene des Materials selbst. Dies ist jedoch nur ein Prototyp, der durch Hinzufügen zusätzlicher Kanäle und / oder thermochromer Elemente weiter verbessert und kompliziert werden kann, um seinen Funktions- und Funktionsumfang zu erweitern. Farbwechsel sind nicht das einzige, was ein Gerät, das auf der oben beschriebenen Technologie basiert, tun kann. Mit Flüssigmetallkanälen ausgestattete Elastomere können Größe, Position, Form usw. ändern. Diese Technologie kann in Bereichen wie der weichen Robotik und der Prothetik Anwendung finden.

Die Dezentralisierung der Entscheidungsfindung für den Tintenfisch ist keine Neuheit, sondern für künstliche Maschinen - bisher ist dies nur die Zukunft. Inwieweit diese ferne Zukunft vom Erfolg solcher Studien abhängt.



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