这项研究今天(8月24日)发表在《科学》杂志上自然这取决于一种新颖的、可重构的集成电路替代方案。集成电路通常由多个电子元件组成，这些元件被封装在单一的半导体材料上，通常是硅，它们运行着所有类型的现代电子产品，包括电话、汽车和机器人。集成电路是科学家实现的类似于大脑在人体中的作用的信息处理。根据首席研究员Ryan Harne和宾夕法尼亚州立大学机械工程职业发展副教授James F. Will的说法，集成电路是信号和信息可扩展计算所需的核心组成部分，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周围几乎任何材料都有机会像自己的集成电路一样运作:能够“思考”周围发生的事情。

“我们已经创造了第一个工程材料的例子，它可以同时感知、思考和行动机械压力，而不需要额外的电路来处理这些信号，”Harne说。“柔软的聚合物材料就像一个大脑，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。”

柔软的导电机械材料包含可实现组合逻辑的可重构电路:当材料接收到外部刺激时，它将输入转换为电子信息，然后处理以产生输出信号。正如哈恩和他的团队所展示的那样，这种材料可以利用机械力来计算复杂的算术，或者探测无线电频率来交流特定的光信号，以及其他潜在的翻译例子。可能性是无限的，Harne说，因为集成电路可以编程做很多事情。

“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，”Harne说。“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，在工程材料中实现智能的基本形式。”爱博网投官方网站

根据Harne的说法，这种材料使用与人类类似的“思考”过程，在自主搜索和救援系统，基础设施维修甚至生物混合材料中都有潜在的应用，可以识别，隔离和中和空气中的病原体。

“人类之所以聪明，是因为我们能够观察和思考通过感官接收到的信息，并反思这些信息之间的关系，以及我们如何做出反应，”哈恩说。

虽然我们的反应似乎是自动的，但这个过程需要体内的神经将感觉信息数字化，以便电信号能够传递到大脑。大脑接收到这个信息序列，对其进行评估，并告诉身体做出相应的反应。

对于以类似方式处理和思考信息的材料，它们必须执行同样复杂的内部计算，Harne说。当研究人员将他们的工程材料置于机械信息(施加使材料变形的力)下时，它将信息数字化为信号，其电子网络可以推进和评估。

该过程建立在该团队之前的工作基础上，他们开发了一种柔软的机械超材料，这种材料可以“思考”如何施加力，并通过程序反应做出反应自然通讯去年。根据哈恩的说法，这种早期的材料仅限于操作二进制输入输出信号的逻辑门，并且无法计算集成电路核心的高级逻辑运算。

研究人员陷入了困境，直到他们重新发现了克劳德·e·香农(Claude E. Shannon) 1938年发表的一篇论文，香农后来被称为“信息论之父”。香农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——与哈恩之前使用的二进制逻辑门相同。

“最终，半导体行业在20世纪60年代没有采用这种方法制造集成电路，而是选择使用直接组装方法，”Harne说。“香农基于数学的设计理念随着时间的流逝而消失了，所以，当我们读到论文时，我们惊讶地发现，我们的初步工作完全实现了香农的愿景。”

然而，香农的工作是假设的，在集成电路开发前近30年才完成，并且没有解决如何扩展网络的问题。

“我们对Shannon的设计理念做了相当大的修改，以使我们的机电网络符合集成电路组装规则的现实，”Harne说。“我们从2021年的研究中跳出了我们的核心逻辑门设计理念，并将设计原则与香农所阐述的设计原则完全同步，最终生产出机械集成电路材料——人工物质的有效大脑。”

研究人员现在正在改进这种材料，使其能像处理物理信号一样处理视觉信息。

“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’感觉，”哈恩说。“我们的目标是开发一种材料，通过看到标志，跟随它们，并避开不利的机械力，比如踩在上面的东西，来展示在环境中自主导航的能力。”

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。

美国国家科学基金会早期职业发展奖和美国空军资助了这项研究。