Jelly warna-warni yang hidup: pengambilan keputusan di tingkat materi tanpa CPU

Apa pun bisa menjadi inspirasi bagi para ilmuwan. Dan jika kita berbicara tentang perwakilan flora dan fauna, maka mereka adalah pemimpin dalam daftar renungan yang mengilhami para pemikir hebat untuk menciptakan beragam perangkat, mesin, dan seluruh teknologi. Hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah penelitian yang terinspirasi oleh makhluk, "jabat tangan" yang dengannya akan membutuhkan waktu - gurita. Para ilmuwan dari University of North Carolina memutuskan untuk membuat perangkat yang, seperti anggota tubuh gurita, dapat memproses informasi dan membuat keputusan di tingkat materi dan tanpa komputer yang terpusat. Terdiri dari apa perangkat ini, fungsi apa yang sudah dapat dilakukannya, dan apa prospek untuk "logika sentuhan lunak"? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Gurita adalah moluska invertebrata paling cerdas dari urutan cephalopoda. Tubuh lembut gurita dilengkapi dengan delapan tentakel, di mana ada cangkir hisap khusus yang diperlukan untuk memperbaiki ke permukaan, memegang studi mangsa dan sentuhan lingkungan. Selain itu, ada juga taste buds di tentakel, yang memungkinkan gurita menentukan kelayakan dari apa yang disentuhnya (mungkin akan lebih mudah untuk memilih produk di pasar).



Tentakel gurita juga unik karena 2/3 dari semua neuron tubuhnya terletak di dalamnya, yang memungkinkan tentakel untuk bertindak secara independen, mis. tidak ada sinyal dari otak. Lucu bahwa "tangan" gurita itu begitu otonom sehingga membuatnya tidak nyaman. Faktanya adalah bahwa pahlawan delapan tangan kita tidak dapat secara akurat menentukan posisi anggota tubuhnya dengan sensasi, tetapi hanya dengan pengamatan langsung terhadap tentakelnya. Ini disebabkan oleh fakta bahwa gurita tidak memiliki prediksi stereo penuh, mis. kemampuan untuk mengenali objek dengan sentuhan (bentuk, ukuran, dll.). Gurita dapat merasakan setiap bagian dari tekstur suatu objek, tetapi tidak dapat menyusun puzzle ini menjadi satu gambar. Dengan kata lain, dia tahu gerakan apa yang dilakukan oleh satu atau tangan lain hanya jika dia melihatnya dengan matanya sendiri. Tentu saja, ini kadang-kadang menyebabkan ketidaknyamanan, tetapi jika gurita bisa berbicara, mereka tidak akan mengeluh.

Para ilmuwan dalam otonomi "manual" ini melihat masa depan dan memutuskan untuk menerapkan fitur anatomi gurita menggunakan teknologi. Dalam karya mereka, mereka menggambarkan perangkat kecil dan cukup sederhana (untuk saat ini) yang terbuat dari silikon dan rantai logam cair yang tertanam di dalamnya, yang disebut oleh para ilmuwan "logika sentuhan lunak" ( logika sentuhan lunak ).

Bahan utama untuk perangkat ini adalah campuran gallium dengan leleh rendah (Ga, 75% dari total massa) dan indium (In, 25% dari total massa), serta elastomer polydimethylsiloxane (PDMS).

Prinsip dasar dari prototipe ini adalah pemanasan Joule, ketika panas dihasilkan oleh aliran arus listrik. Dengan menggunakan efek ini, yang diwujudkan dengan logam cair (titik leleh 15,7 ° C) di dalam elastomer, dimungkinkan untuk mewujudkan perubahan warna prototipe karena respons dari pigmen yang diperkenalkan.

Dengan demikian, ada perangkat lunak dan cukup elastis yang berubah warna sebagai respons terhadap tekanan atau peregangan. Oleh karena itu, proses ini berlangsung tanpa partisipasi dari pusat kontrol, tetapi langsung dalam bahan prototipe.

Hasil penelitian

Para ilmuwan mencatat bahwa perubahan warna dipilih untuk prototipe ini karena suatu alasan: pertama, pada tahap implementasi teknologi ini adalah cara yang bagus dan mudah untuk menunjukkan prinsip-prinsip dasar perangkat; kedua, perubahan warna hadir baik secara alami maupun dalam teknologi. Perwakilan dari dunia binatang di planet Bumi menggunakan perubahan warna untuk menyamarkan diri mereka dari predator, untuk menunjukkan toksisitas mereka, untuk mencari pasangan dan bahkan untuk menunjukkan emosi, yang secara inheren melekat pada manusia (semakin merah karena malu, pucat karena takut, dll). Di dunia teknologi, warna juga penting, karena mengubah warna piksel individual, kluster piksel, dan seluruh gambar pada monitor adalah metode interaksi manusia-mesin.

Namun, ada perbedaan antara hewan dan teknologi. Tampilan sering menggunakan "strategi aktif" berdasarkan generasi cahaya, dan hewan menggunakan "strategi pasif" ketika cahaya eksternal dipantulkan dari permukaan.

Menurut para ilmuwan, strategi pasif untuk mengubah pigmentasi dapat diimplementasikan dalam berbagai cara: kristal cair termokromik, cairan berwarna yang dipompa melalui saluran mikro, gangguan dalam film tipis, kristal fotonik dinamis dan struktur plasmon, bahan yang peka terhadap magnet, dan molekul elektrokromik. Dalam karya ini, pigmen termokromik digunakan.


Gambar No. 1

Gambar 1a menunjukkan platform dasar prototipe: logam cair, yang terletak di antara dua lapisan PDMS, satu di antaranya transparan, dan yang lainnya mengandung partikel termokromik. Lapisan transparan tidak diperlukan untuk pengoperasian perangkat, tetapi hanya memungkinkan Anda untuk mempertimbangkan dengan cermat dinamika logam cair dalam proses penelitian. Arus yang mengalir melalui logam cair menghasilkan pemanasan Joule, dan partikel termokromik berubah warna di atas suhu kritis karena penataan ulang struktur molekul.

Untuk menunjukkan prinsip ini, zat termosensitif TF-R1 berwarna merah muda-merah. Versi perangkat ini segera menunjukkan warna merah, tetapi ketika suhu mencapai 28 ° C dan di atasnya, warnanya berubah menjadi putih (video di bawah).


Ubah dari merah menjadi putih saat suhu mencapai 28 ° C.

Gambar IR (inset dalam 1b ) menunjukkan daerah suhu tinggi yang sesuai dengan gambar visual yang diamati dari perubahan warna ( 1b ).

Secara alami, prinsip serupa dapat diterapkan dengan warna apa pun. Sebagai contoh, para ilmuwan menggunakan termokrom biru, dan perangkat mempertahankan warna biru pada suhu kamar, menjadi putih hanya pada 37 ° C dan di atas ( 1s ).


Warna biru berubah menjadi putih saat dipanaskan hingga 37 ° C ke atas.

Di area yang warnanya tidak berubah, kabel tembaga hadir. Dan karena resistansi spesifik tembaga (1,68 × 10 ⁻⁶ Ω · cm) lebih rendah daripada resistansi spesifik logam cair (29,4 × 10 ⁻⁶ Ω · cm), lebih sedikit pemanasan Joule dihasilkan, yang tidak berubah warna di hadapan tembaga.

Mengingat bahwa berbagai zat termokromik memiliki suhu respons (aktivasi) yang berbeda, mencampurkannya dalam satu perangkat menciptakan sistem baru yang menampilkan tiga warna ( 1d ).

Dinamika suhu pada 1d juga menunjukkan bagaimana warna berubah dari satu ke yang lain: magenta menjadi biru (T <28 ° C, karena tidak ada merah), dan kemudian menjadi putih (T> 37 ° C, tidak ada biru dan merah). Dalam perangkat semacam itu, lebar saluran logam cair adalah 0,4 mm.


Warna berubah ketika perubahan saat ini.

Prosesnya sendiri cukup dimengerti, tetapi masih perlu untuk menentukan indikator daya apa yang terjadi perubahan warna. Untuk tujuan ini, para ilmuwan telah menyarankan bahwa selama Joule daya pemanas ( P ) dihasilkan berdasarkan arus yang diterapkan ( I ) dan ketahanan logam cair ( R ) sesuai dengan P = I ² R.

Karena resistansi berbanding terbalik dengan lebar saluran, percobaan dilakukan di mana geometri perangkat selalu tetap sama, tetapi lebar saluran berubah (masukkan pada 1e ). Seperti dapat dilihat pada grafik 1e , suhu adalah fungsi linier dari kuadrat arus. Untuk arus yang diberikan, penurunan lebar logam cair meningkatkan perubahan suhu karena peningkatan pemanasan Joule. Artinya, peningkatan arus tidak hanya meningkatkan suhu permukaan maksimum, tetapi juga meningkatkan wilayah yang mengalami peningkatan suhu permukaan.

Pengukuran diambil dari lebar wilayah perubahan warna dari masing-masing perangkat untuk membangun hubungan antara arus dan lebar wilayah perubahan warna. Peningkatan kerapatan arus (karena peningkatan arus atau karena penurunan lebar logam cair) menyebabkan perluasan bidang perubahan warna.

Mengubah warna pigmentasi di kerajaan hewan paling sering dikaitkan dengan kamuflase, mis. dengan kemampuan menyatu secara visual dengan lingkungan. Perangkat yang diselidiki juga mampu melakukan ini.

Gambar 1f menunjukkan proses mengubah warna perangkat sesuai dengan latar belakang. Efek ini dicapai dengan menyesuaikan arus di saluran logam cair.


Perubahan warna adaptif (kamuflase).

Anda juga dapat mencapai tidak hanya warna monokromatik perangkat, tetapi kombinasi berbeda dari berbagai warna ( 1g ). Ketika beberapa warna mulai memudar dengan meningkatnya arus, yang lain menjadi lebih cerah.


Perubahan dinamis perubahan warna adaptif.

Seperti yang telah kita pahami, peran besar dalam keberhasilan prototipe dimainkan oleh jenis konduktor yang tidak biasa - logam cair, yang mampu mengubah bentuknya, yaitu. menjadi elastis, yang memungkinkan untuk mendapatkan sifat dinamis dari pemanasan Joule karena deformasi. Dengan kata lain, sistem seperti itu dapat secara termokromik melaporkan keadaan perangkat (tekanan, ketegangan, dll.).

Para peneliti membandingkan efek ini dengan teknik mekanika dalam robotika lunak, ketika perubahan warna sesuai dengan tingkat deformasi tertentu, memperingatkan tentang kemungkinan kerusakan. Namun, dalam kasus konduktor logam cair, tidak diperlukan bahan kimia, dan jumlah keluaran kolorimetri jauh lebih besar. Mengingat bahwa perubahan warna, meskipun karena paparan termal, masih diaktifkan secara mekanis, para ilmuwan menyebut proses ini thermomechanochromism.

Bagaimana cara kerjanya? Peneliti memberikan contoh sederhana - ketegangan saluran logam cair. Dalam situasi ini, panjang saluran meningkat, tetapi luas penampang berkurang. Konsekuensi dari ini adalah peningkatan resistensi dan, akibatnya, peningkatan pemanasan Joule ( 2a ).


Gambar No. 2

Deformasi ( ɛ = ( L - L ₀ ) L _0-1 , di mana L adalah panjangnya) menyebabkan peningkatan resistansi awal (R ₀ ) sesuai dengan rumus berikut:

R = R ₀ ( ɛ +1) ² .

Dengan dasar teori ini, para peneliti menciptakan sensor yang berubah warna sebagai respons terhadap tegangan. Seperti yang diharapkan, ketahanan saluran logam cair meningkat dengan perpanjangan ( 2b ). Pada saat peregangan, arus searah 0,2 A diterapkan (video di bawah).


Demonstrasi mechanochromy.

Pada nol deformasi, arus ini tidak cukup untuk mengaktifkan perubahan warna, tetapi ketika saluran memanjang (deformasi aktual), pemanasan joule mulai meningkat, yang mengarah ke perubahan warna.

Gambar 2c menunjukkan gambar saluran logam cair setebal 0,2 mm pada berbagai voltase. Perangkat berubah warna dari magenta menjadi biru karena kurangnya warna merah (pada suhu> 28 ° C) dan juga beralih dari biru ke putih pada deformasi 60% karena aktivasi komponen termokromik biru. Kemudian perangkat berubah menjadi ungu ketika kembali ke deformasi 0% karena termokromisme yang dapat dibalik.

Efek serupa dapat digunakan untuk menentukan tingkat deformasi dan lokalisasi dengan mengevaluasi warna dan area perubahan warna pada perangkat.

Untuk memahami bagaimana perubahan warna di bawah tekanan dan, sebagai hasilnya, untuk dapat menyesuaikan reaksi warna terhadap deformasi, para ilmuwan menggabungkan dua formula yang penting untuk pekerjaan ini ( P = I ² R dan R = R ₀ ( ɛ +1) ² ) dan memperoleh yang berikut :

dP / d ( ɛ +1) = 2 I ² R ₀ ( ɛ +1).

Rumus ini menunjukkan bahwa perubahan daya ( P ) dengan deformasi ( ɛ ) tergantung pada arus ( I , dalam percobaan ini konstan) dan pada resistensi awal ( R ₀ ). Ternyata saluran dengan resistensi awal yang lebih tinggi akan lebih sensitif terhadap peregangan. Untuk mengkonfirmasi teori ini, para peneliti menciptakan konduktor linier dengan panjang 35 mm, tinggi 0,05 mm dan lebar X mm (di mana X adalah 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 dan 1,0 mm), setelah itu mereka mengukur lebar daerah perubahan warna saat menerapkan arus searah.


Grafik hasil percobaan dengan resistensi berbeda.

Sebagai hasil percobaan, ditemukan bahwa perangkat dengan saluran logam cair yang lebih sempit berubah warna pada resistansi yang lebih rendah. Sebaliknya, perangkat terluas tidak pernah menjadi putih bahkan pada deformasi 180% karena resistansi awal yang rendah. Dan ini menunjukkan bahwa Anda dapat mengkonfigurasi perangkat dengan menyesuaikan resistansi awal sehingga perubahan warna terjadi pada nilai tegangan tertentu.

Selain resistensi, faktor penting lain dalam perubahan warna adalah arus. Selama percobaan, arus 0,2, 0,3, dan 0,4 A diterapkan ke perangkat dengan lebar saluran 1 mm.


Grafik hasil percobaan dengan arus yang berbeda.

Perangkat tidak berubah warna menjadi putih saat memanjang menggunakan 0,2 A. Setelah meningkatkan arus menjadi 0,4 A, perangkat dapat berubah warna pada deformasi rendah (≈50%). Pengamatan ini menegaskan bahwa arus dapat digunakan untuk mengontrol deformasi di tempat-tempat perubahan warna.

Selain peregangan, ada sejumlah jenis deformasi lain, salah satunya adalah kompresi. Menekan perangkat juga menyebabkan perubahan ukuran saluran logam cair. Perubahan pada area transversal saluran pada saat ini dapat menyebabkan perubahan warna lokal oleh perubahan resistensi lokal (jika arusnya konstan, tentu saja).

Untuk memverifikasi ini, percobaan dilakukan di mana arus 0,1 A diterapkan ke perangkat dan tekanan 100, 200, 300, dan 400 kPa diterapkan (interval waktu antara tekanan adalah 15 detik) di atas area 1x1 cm. Seperti yang diharapkan, warna berubah persis di tempat aplikasi tekanan.

Warna biru awal berubah menjadi ungu pada tekanan 100 kPa, dan kemudian warna putih muncul pada 200 kPa (video di bawah).


Peragaan respons perangkat terhadap tekanan.

Selanjutnya, para ilmuwan memutuskan untuk menunjukkan bagaimana arus dan lebar saluran logam cair mempengaruhi perubahan warna selama kompresi. Untuk ini, saluran logam cair dibuat dengan panjang 50 mm, tinggi 0,05 mm dan lebar X mm (di mana X = 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 dan 1,0 mm). Arus 0,1, 0,2, dan 0,3 A diterapkan ke perangkat dengan lebar saluran 1 mm, setelah itu perubahan warna diukur sebagai fungsi tekanan ( 2e ). Rentang nilai tekanan di mana ada warna ungu dan biru meningkat dengan meningkatnya arus.

Peneliti mencatat bahwa perangkat yang ditampilkan pada 2d dan 2e hanya memiliki satu saluran konduktif. Dengan demikian, mengkliknya mengarah pada perubahan lokal dalam resistensi dan peningkatan kepadatan arus, karena arus harus melewati wilayah terkompresi. Tetapi Anda dapat membuat sistem dengan beberapa saluran untuk lewatnya arus. Konsep ini dapat digunakan untuk mendistribusikan kembali energi dalam suatu rangkaian dan melakukan operasi logis sederhana tanpa menggunakan semikonduktor.


Gambar No. 3

Untuk mendemonstrasikan konsep ini, sebuah prototipe ( 3a ) dibuat, terdiri dari dua area “input” ( A dan B pada gambar) dan satu area “display” ( C pada gambar).

Sinyal input dalam hal ini adalah tekanan. Seperti tegangan ambang pada transistor, ada tekanan ambang yang diperlukan untuk menginduksi arus yang cukup untuk menyebabkan perubahan warna pada "area tampilan". Mengikuti bahasa logika biner, nilai tekanan di atas ambang pintu disebut "1", dan nilai-nilai di bawah ini disebut "0".

Arus 0,4 A diterapkan ke perangkat dan berbagai sinyal tekanan “1” dan “0” diterapkan di area A dan B. Sebagai respons terhadap sinyal, area tampilan bereaksi dengan perubahan warna ( 3b ).


"Logika sentuhan lunak."

Perubahan warna ini terjadi karena pengalihan arus listrik ke wilayah C berdasarkan input fisik. Perangkat sederhana ini adalah operasi logis seperti NAND, meskipun outputnya lebih rumit dengan tiga status output daripada dua.


Perangkat dengan 10 saluran paralel.

Konsep ini dapat diperluas dengan membuat saluran paralel di dalam perangkat, yang akan mendistribusikan ulang arus saat ditekan.


Penggunaan "logika sentuhan lunak" dalam perangkat elektronik.

Selain pemanasan Joule, arus yang didistribusikan kembali dapat mengaktifkan elemen rangkaian tertentu (LED di video di atas) atau elemen mekanis (kipas di video di bawah).


Penggunaan "logika sentuhan lunak" dalam perangkat mekanis.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Dalam studi ini, para ilmuwan menunjukkan perangkat prototipe yang terdiri dari elastomer dengan satu atau lebih saluran konduktif logam cair. Penggunaan saluran tersebut memungkinkan untuk menjaga elastisitas perangkat itu sendiri. Konsep mengubah warna perangkat karena kristal cair termokromik telah ditunjukkan, yang merespons perubahan dalam indikator tertentu (atau sekaligus): lebar saluran konduktif, tingkat deformasi, arus, dan resistansi.

Perangkat ini bukan kepalang sederhana dan dapat melakukan fungsi-fungsi tertentu tanpa partisipasi prosesor pusat, yaitu, pada tingkat material itu sendiri. Namun, ini hanya prototipe, yang dapat lebih ditingkatkan dan rumit dengan menambahkan saluran tambahan dan / atau elemen termokromik untuk memperluas jangkauan kemampuan dan fungsionalitasnya. Perubahan warna bukan satu-satunya hal yang dapat dilakukan perangkat berbasis teknologi yang dijelaskan di atas. Elastomer yang dilengkapi saluran logam cair dapat mengubah ukuran, posisi, bentuk, dll. Teknologi semacam itu dapat menemukan penerapannya di berbagai bidang seperti robotika lunak dan prostetik.

Desentralisasi pengambilan keputusan untuk gurita bukanlah hal baru, tetapi untuk mesin buatan manusia - ini sejauh ini hanya masa depan. Seberapa jauh masa depan yang jauh ini tergantung pada keberhasilan studi tersebut.



Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?