神奇，材料也能思考？

有人拍了拍你的肩膀，你皮肤上有组织的触摸感受器会向你的大脑发送信息，大脑处理信息并引导你向左看，即朝着轻敲的方向看。宾夕法尼亚州立大学（Penn State）和美国空军的研究人员利用了这种机械信息处理，并将其集成到能够“思考”的工程材料中。

研究利用 Quine–McCluskey方法建立了一个最小化组合逻辑规范函数的分析框架，并控制了软材料中可重构集成电路交换网络的力学设计。所得到的机械集成电路材料进行更高层次的运算、数字比较，并解码二进制数据为视觉表示。研究通过一个整体逐层设计方法增加了材料的计算密度。

这项工作发表在2022年8月24日的《自然》杂志上，研究的关键在于一种新型的、可重构的集成电路替代方案。集成电路通常由封装在单个半导体材料（通常为硅）上的多个电子元件组成。集成电路应用在所有类型的现代电子设备，例如电话、汽车和机器人。集成电路是科学家对信息处理的实现，类似于大脑在人体中的作用。根据首席研究员Ryan Harne，James F.Will（宾夕法尼亚州立大学机械工程副教授）的说法，集成电路是信号和信息可扩展计算所需的核心组件，但除了硅半导体之外，科学家从未在任何成分中实现过。

他的团队的发现揭示了我们几乎所有材料都能够“思考”周围发生的事情。

研究人员Harne表示：“我们创造了首个工程材料的先例，它可以同时感知、思考和作用于机械应力，而不需要额外的电路来处理这些信号。软聚合物材料的作用就像大脑，可以接收数字信息串，然后进行处理，产生新的数字信息序列，可以控制反应。”

软导电机械材料包含可重构电路，可实现组合逻辑，如图1所示：当材料接收到外部刺激时，它将输入转换为电信息，然后进行处理以生成输出信号。Harne和他的团队证明，这种材料可以使用机械力来计算复杂的运算，或者检测无线电频率来传递特定的光信号，以及其他潜在的翻译示例。Harne说，这种可能性是巨大的，因为集成电路可以被编程来做很多事情。

图1.组合式逻辑设计。

（a）完整的加法器逻辑图，机械输入(A、B和Cin)用绿色显示，电气输出(QSum和QCout)用红色突出显示。

（b）对应于全加法器运算的真值表。

（c）说明QMSoP布尔函数小项与包含未连接或缓冲区的3位材料列之间的关系的示意图。

（d,e）通过平行连接材料柱而构建的全加法器材料设计的示意图(d)和实验图像(e)。

（f） 三种可能配置的实验数字输出结果及其各自的实验图像和重新配置的网络示意图。十进制输入和输出显示在顶部；二进制输入和输出显示在底部。输出为1的连接路径用绿色或黄色突出显示。电气连接仅通过同一列中的开关进行。

Harne表示：“我们发现了如何在机电网络中使用数学和运动学——系统的各个组成部分是如何运动的。这使我们能够通过促进软材料系统固有的完全可扩展的信息处理，实现工程材料中的基本智能形式。”

根据Harne的说法，这种材料使用了与人类类似的“思维”过程，在自主搜索和救援系统、基础设施维修，甚至在能够识别、隔离和中和空气传播病原体的生物混合材料中都有潜在的应用。

Harne说：“人类之所以聪明，是因为我们能够观察和思考我们通过感官接收到的信息，反思这些信息与我们如何反应之间的关系。”

虽然我们的反应似乎是自动的，但这一过程需要身体中的神经将感觉信息数字化，以便电信号可以传输到大脑。大脑接收这个信息序列，评估它，并告诉身体做出相应的反应。

Harne说，为了让材料以类似的方式处理和思考信息，它们必须进行同样复杂的内部计算。当研究人员将他们的工程材料置于机械信息（使材料变形的外力）下时，它将信息数字化为其电气网络可以推进和评估的信号。

这一过程建立在该团队之前的工作基础上，该团队开发了一种软的机械超材料，演示如图2所示，可以“思考”力是如何施加到其上的，并通过程序化反应做出反应，这在去年的《自然通讯》中有详细介绍。根据Harne的说法，这种早期的材料仅限于对二进制输入-输出信号进行操作的逻辑门，并且无法计算对集成电路至关重要的高级逻辑运算。

图2.演示了一种软机械集成电路材料的传感、计算和驱动功能。

（a）具有4个机械输入(A1 B1 A2 B2)2和15个电气输出的组合操作的逻辑图。该操作包括一个2位加法器、2位乘法器、4位幅值比较器和两个二进制编码的十进制(BCD)7段显示解码器。

（b）说明与独立计算材料输出对应的数字段和比较器符号的多输入显示器的示意图。与和(A+B)和乘积(A×B)对应的数字分别用红色和蓝色表示。

（c）由五个4位层组装构成的可编程机械集成电路材料的原理图。

（d）直接连接到未压缩的计算材料的显示器设置的实验图像。当相应的输出为1时，显示器上的一个段或符号被点亮(ON)，反之亦然。e、f，应用数字输入到机械集成电路材料，以输入（0011）2(e)和（0111）2(f)算术计算表明，正确显示了不等式。

研究人员陷入了困境，直到他们重新发现了Claude E.Shannon在1938年发表的一篇论文。Shannon后来被称为“信息理论之父”。Shannon描述了一种通过构建遵循布尔数学定律的机电开关网络来创建集成电路的方法——与Harne之前使用的二进制逻辑门相同。

Harne说：“最终，半导体行业在20世纪60年代没有采用这种制造集成电路的方法，而是选择使用直接组装方法。当我们阅读这篇论文时，我们惊讶地发现，我们的初步工作完全实现了Shannon的愿景。”

然而，Shannon的工作是假设性的，在集成电路开发之前近30年才完成，并没有解决如何扩展网络的问题。

Harne说：“我们对Shannon的设计理念进行了大量修改，以使我们的机电网络符合集成电路组装规则的现实。我们从2021的研究中跳出了我们的核心逻辑门设计哲学，并将设计原则与Shannon阐述的原则完全同步，最终生产出机械集成电路材料——人造物质的有效大脑。”

研究人员现在正在开发这种材料来处理视觉信息，就像处理物理信号一样。

Harne说：“我们目前正在将其转化为一种‘看’的方式，以增强我们目前创造的‘触摸’的感觉。我们的目标是开发一种材料，通过看到标志、跟随标志并避开不利的机械力（如踩在上面的物体）来演示在环境中的自主导航。”

该论文的其他作者包括宾夕法尼亚州立大学机械工程博士生 Charles El Helou，以及美国空军研究实验室的 Benjamin Grossman、Christopher E. Tabor 和 Philip R. Buskohl。

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05004-5#Abs1

https://techxplore.com/news/2022-08-material-capable.html

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