Исследователи разработали наномеханическое устройство, которое воспроизводит ключевую функцию биологического нейрона: накапливает входящие сигналы, достигает порога и генерирует резкий электрический импульс. Вместо сложной электронной схемы устройство использует движение тонкого слоя мягкого полимера, который одновременно обрабатывает информацию и хранит короткую память о предыдущих воздействиях.
Разработка относится к нейроморфным вычислениям, где электронные системы применяют принципы нервной системы. Авторы пошли дальше традиционных транзисторных схем и использовали физические свойства самого материала. Это позволяет совместить память и обработку данных в одном компактном элементе вместо постоянной передачи информации между отдельными блоками компьютера.
Устройство состоит из двух металлических электродов с зажатым между ними слоем полидиметилсилоксана толщиной 2 нм. При подаче напряжения электроды притягиваются и сжимают полимер. Малейшее изменение расстояния между поверхностями резко меняет электрический ток благодаря квантовому туннелированию.
Ключевую роль играет вязкоупругость полимера. После сжатия материал восстанавливается не мгновенно, поэтому его состояние зависит от предыдущих нагрузок. Полимер «помнит» недавние напряжения, а накопленная деформация влияет на последующий электрический отклик.
Этот механизм близок работе биологического нейрона. Нервная клетка получает множество сигналов, постепенно приближается к порогу, затем генерирует импульс. В механическом элементе последовательные воздействия всё сильнее сжимают полимер, пока система не превысит порог и не выдаст резкий ответ. Затем материал восстанавливает форму, и цикл повторяется.
Мягкий слой решает проблему наномеханики. На очень малых расстояниях металлические поверхности могут слипнуться необратимо. Полимер действует как микроскопическая пружина, держит электроды отдельно и позволяет многократно менять расстояние без деформирования структуры.
Авторы считают, что такой принцип позволит создавать компактные системы, где один элемент совмещает обработку сигналов и память без дополнительных конденсаторов и сложной управляющей схемы. По расчётам, энергоэффективность подобных элементов может превзойти биологические нейроны при значительно меньшей активной площади. Но пока это только прогноз: полноценный процессор с доказанным преимуществом над современными микросхемами не создан.
Далее разработчики хотят добавить к конструкции функции датчика. Тогда материал сможет воспринимать физический сигнал, сразу обрабатывать его и учитывать недавние воздействия. Возможные применения: протезы с быстрой обработкой тактильных сигналов, маломощные носимые медицинские датчики и локальная электроника, которая принимает решения рядом с источником данных.
Основное отличие подхода в том, что часть вычислений перемещается из электронной схемы в физику материала. Вместо воспроизведения нейрона большим набором компонентов нужное поведение возникает из того, как нанометровый слой полимера сжимается, восстанавливается и меняет проводимость. Исследователям нужно показать, как такие элементы масштабируются, долго ли держат характеристики и можно ли объединить множество механических нейронов в практически полезную систему.
