Иллюстрация: Kwakernaak et al./Physical Review Letters, N + 1. Группа ученых разработала механический метаматериал с эффектом памяти, который может функционировать в качестве элементарного счетчика до десяти. Данный материал состоит из массива из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых способна переключаться между двумя состояниями при нажатии, сохраняя при этом информацию о предыдущих изменениях. Согласно публикации в журнале Physical Review Letters, в перспективе подобные счетные устройства могут найти применение в области мягкой робототехники и интеллектуальных сенсоров. Отмечается, что характеристики метаматериалов определяются преимущественно не химическим составом, а геометрической микроструктурой (например, порядком расположения слоев различных веществ или периодичностью кристаллической решетки), что обуславливает их аномальные физические параметры.
Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются).
Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу.
Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру.
Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке.
Изменение структуры материала при подсчете (счетчик до десяти)
AMOLF
Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000…0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100…0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую.
То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000…0} → {100…0} → {110…0}→··· → {111…1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета.
Счет из исходного состояния {01000111010}. Показаны три последовательные деформации материала. Lennard J. Kwakernaak et al./Physical Review Letters
По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел.
Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции
Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.
Автор: Елизавета Авдеенко
Источник: https://nplus1.ru/
