柔軟柔性材料實現復雜計算，為智能機器人開辟道路

軟橡膠超材料利用柔性模態，通過低能耗的模塊化設計與模擬實現矩陣向量乘法。

荷蘭原子分子物理研究所（AMOLF）的研究人員開發出一種新型柔軟柔性材料，能夠像計算機執行矩陣向量乘法一樣完成復雜計算。與傳統的剛性電子元件不同，這種彈性超材料利用"柔性模態" —— 幾乎不需要能量的微觀運動 —— 來進行運算。通過精心設計重復單元，研究人員可以控制這些形變以執行不同的計算，甚至可以在材料制造完成后對其進行重新編程。

研究團隊稱，這一突破有望為更智能的軟體機器人、微型機械傳感器以及直接在材料內部處理信息的先進設備鋪平道路，從而開辟軟物質計算的新領域。

機械矩陣乘法器

傳統計算將物理世界與數字處理分離：運動、光或聲音需先轉換為電信號，再發送給處理器和內存。在計算機體積龐大、功耗高且成本昂貴的早期階段，這種做法是合理的。然而，每個轉換步驟都會消耗能量、引入延遲，并損失原始信號攜帶的部分信息。

研究人員正探索直接在材料中進行計算以繞過這些轉換的新途徑。包括光學裝置和電阻陣列在內的新興系統，都聚焦于矩陣向量乘法這一機器學習中的關鍵運算。機械系統，特別是涉及軟材料的系統，提供了低功耗的替代方案；但控制其運動頗具挑戰。利用"柔性模態" —— 幾乎不受阻力的運動 —— 可以引導可預測的形變，使材料能高效執行計算。

作為解決方案，研究人員創建了一種軟機械超材料 —— 一種被切割成重復圖案的橡膠片，能夠利用幾乎不需要能量的柔性模態或運動來執行矩陣向量乘法。輸入以橡膠片邊緣的水平或垂直位移形式施加，輸出則表現為其他邊緣的運動，與輸入向量乘以矩陣的結果相符。

該橡膠片由小型模塊構成，每個模塊將兩個輸入映射為兩個輸出。梁的角度設定模塊的權重，權重值可正可負。梁和連接件將運動限制在兩種柔性模態內，這些模態組合起來產生所需的映射。模擬通過有限元建模考慮真實世界的彎曲和拉伸，并結合自動微分和側重于邊界的簡化，確保了精確且低能耗的計算。

彈性智能材料

研究顯示，這種軟機械超材料的性能受梁的縱橫比（即梁長與梁寬之比）的限制。在實際材料中，能產生較大矩陣權重的大角度同時也會使輸入路徑變硬，從而減少輸出端的運動。計算表明，利用當前的微加工技術，可以精確構建高達64×64的矩陣，這足以勝任語音特征處理等任務。

團隊測試了一個由6毫米厚橡膠切割而成的原型機。步進電機施加微小的邊界運動，由攝像機跟蹤記錄。單個模塊在微小輸入下遵循預期的線性映射，誤差約為20%；較大的輸入則導致飽和，產生類Sigmoid函數的響應。據報道，由于橡膠的粘彈性，模塊還表現出滯后效應，在較慢速度下滯后效應更小。

權重可在制造后通過雙穩態變剛度梁進行調整，允許某些矩陣項在正、負或零之間切換。使用自動微分和有限元分析的模擬有助于提供高效的設計指導。團隊聲稱，這項工作展示了一種可變形材料直接通過運動執行矩陣向量乘法，而無需進行電學轉換。

研究人員在論文摘要中表示："結果表明，柔性模態可以成為實現具身智能、智能微機電系統（MEMS）設備及傳感器內邊緣計算的關鍵推動力。"

該團隊的研究細節已發表于《先進智能系統》期刊。

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！