深海において、タコは中央の脳に微細な決定を送ることなく、瞬時に皮膚の色を変えることができます。その触手はローカルで思考を行います。マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、現在この柔軟で分散型の魔法をマイクロコンピューティングの革新に変換しました。この新設計のナノ級計算デバイスは、柔軟でしなやかなポリマーを使用して、単一の微視的ユニット内で情報を処理します。特筆すべきは、このプラットフォームが生物の脳が物理的な動きを利用して計算を行う方法を模倣していることです。複雑な電子システムを超薄型で省エネルギーなパッケージに縮小し、スマートロボット、ウェアラブル医療パッチ、生体適合性センサーの発展を促進する可能性があります。
タコなどの生物の分散神経系に触発されたこの技術は、柔軟なポリマー材料を使用しており、電圧がかかると材料が圧縮され、元に戻ることで脳の神経細胞が情報を蓄積し発射する方法を模倣します。これらの機能を材料に直接組み込むことで、重い外部回路や電源の必要性が減少しました。しかし、これは簡単な作業ではありませんでした。初期の試みでは、他のエンジニアがナノレベルで機械的コンピュータを構築する際に物理的な障害に直面しました。二つの金属表面が近づきすぎると、強い分子間の結合力がそれらを永久に接着させ、部品が詰まり、デバイスが機能しなくなります。
この問題を解決するために、マサチューセッツ工科大学のチームは二つの金属電極の間に非常に薄いポリジメチルシロキサン (PDMS) の層を挿入しました。PDMSは柔軟で粘弾性のポリマーです。
マサチューセッツ工科大学のナノ級計算デバイスは生物神経細胞の働きを模倣
このナノ級デバイスは、三つのコアコンポーネントが協調して動作し、生物計算を模倣します。金属電極は入力された電気信号を受け取り、電圧がかかると圧縮します。その間に挟まれた柔軟なPDMS層は粘弾性のナノスプリングとして機能し、接着力をバランスさせ、電極が可逆的に移動できるようにし、永久に接着しないようにします。ポリマーの段階的な戻りは機械的記憶を生み出し、過去に加えられた力の履歴を時間とともに保持します。「PDMSは粘弾性を持っており、圧縮された後に元の状態に戻るのに時間がかかります。これにより、デバイスは加えられた力と電圧の履歴を動的に記憶し、その履歴を電気的応答に変換することができます」と共同首席著者のピーター・サトウィットは述べています。
時間が経つにつれて、電荷が蓄積されます。特定の閾値に達すると、このデバイスは発射します——生物神経細胞のように——その後リラックスしてリセットします。生物神経細胞は電気信号を蓄積し、閾値に達すると発射して情報を伝達します。マサチューセッツ工科大学のチームのデバイスはこのメカニズムを再現しました：加えられた電圧がポリマー層をゆっくり圧縮し、閾値を超えると生物スタイルの発射が引き起こされ、その後リラックスしてリセットします。現代の人工知能は膨大な電力を消費します。なぜなら、ハードウェアが常に別々のメモリとプロセッサユニット間でデータを移動させているからです。マサチューセッツ工科大学のプラットフォームはこのパイプラインを根本的に排除しました。
記憶、知覚、論理が同じ場所で発生します。記憶と計算を単一のナノ級コンポーネントに直接統合することで、追加の回路やコンデンサーの必要性が減少しました。
この柔軟で脳に触発されたハードウェアは、低消費電力のエッジコンピューティング、スマート義肢、ウェアラブル健康モニタリングデバイス、自律環境センサーを含む、次世代の適応型電子機器の未来への扉を開きます。次に、研究者たちは知覚を記憶と計算に直接統合し、完全に適応型のナノメカニカル計算システムを作成する計画です。この研究は『Science Advances』誌に発表されました。
項目 規格 プロセッサ ナノ級計算デバイス 材料 ポリジメチルシロキサン (PDMS)