Джозеф Д. Полсен, физик из колледжа Святого Олафа и Сиракузского университета, создал механическую систему, которую можно переконфигурировать, изменяя физические параметры, чтобы выполнять базовые вычисления, используя только физические силы, - информирует читателей John Anderer.
В работе, опубликованной в Nature Communications, абстрактная математическая модель, которая долгое время использовалась для изучения неупорядоченных материалов, таких как скомканная бумага и размагниченные металлы, воплощена в реальном переконфигурируемом устройстве.
В основе этой конструкции лежит гистерезис. Это явление, при котором реакция системы зависит не только от того, что происходит с ней в данный момент, но и от того, что происходило с ней раньше.
Например, скомканный лист бумаги "помнит", что его скомкали. Согнутая скрепка также имеет "память" о предыдущем состоянии.
Работа Полсена показывает, что эти крошечные устройства для хранения информации можно создавать, соединять между собой и точно настраивать.
Каждый гистерерон представляет собой жесткий стержень, закрепленный на центральной оси и свободно вращающийся между двумя жесткими упорами, как качели, которые могут находиться только в двух положениях. Пружина соединяет стержень с горизонтальным стальным стержнем, который свободно скользит на подшипниках, выполняя роль "глобального привода". Когда стержень сдвигается достаточно далеко в одном направлении, пружина перетягивает стержень через точку равновесия, и он резко переходит в другое положение. Именно такое поведение - "защелкнуть и удерживать" - и делает его гистерероном: у планки есть два стабильных состояния, и то, в каком из них она находится, зависит от того, что происходило до этого.
Ситуация усложняется, когда несколько стержней соединены дополнительными пружинами. В зависимости от того, идут ли соединительные пружины параллельно или пересекаются друг с другом.
Так Полсен создал два совершенно разных типа взаимодействия. Параллельные пружины создают кооперативный эффект, побуждая соседние стержни стремиться занять одинаковое положение. Пересекающиеся пружины создают эффект фрустрации, подталкивая соседние стержни в противоположных направлениях. Силу этого взаимодействия можно регулировать, перемещая точку крепления соединительных пружин вдоль стержней.
Полсен вывел математическое соответствие, которое напрямую связывает физическую установку с абстрактной моделью, которую теоретики использовали десятилетиями. Оно показывает, что влияние каждого стержня на другой является независимым и пропорциональным, а силы, создаваемые несколькими соединительными пружинами, просто суммируются.
Кроме того, мы обнаружили кое-что необычное: взаимодействие между стержнями по своей природе "несимметрично", то есть влияние стержня А на стержень Б не обязательно равно влиянию стержня Б на стержень А. Эта асимметрия возникает из-за геометрических различий, в том числе из-за диапазона движения каждого стержня, и оказывается необходимой для некоторых наиболее интересных явлений.
Опираясь на эту схему, Полсен сосредоточился на трех конкретных вычислительных задачах.
Первая - это механический фиксатор памяти. Две соединенные планки с перекрестными пружинами находятся в разных диапазонах углов поворота. При небольшом толчке на приводном стержне одна планка переходит в новое положение, а когда стержень возвращается в исходное положение, планка остается на месте, зафиксированная в этом положении. Освободить ее можно, только толкнув сильнее. Такое поведение было предсказано в моделях, объясняющих, как неупорядоченные твердые тела формируют множественные воспоминания. Эксперимент Полсена это физическая демонстрация поведения, которое ранее наблюдалось только в симуляциях.
Второй - это счетный механизм. Цепочка стержней, соединенных перекрестными пружинами, расположена таким образом, что при каждом полном цикле движения приводного стержня вперед и назад один стержень последовательно переворачивается, как падающие костяшки домино в замедленной съемке. В такой конфигурации цепочка из шести стержней может отсчитывать до трех полных циклов.
В третьей, самой сложной демонстрации используются четыре соединенных стержня, которые позволяют различать четное и нечетное количество циклов движения. После четного количества циклов система принимает одну форму, а после нечетного - другую. Ранее такая реакция с "периодом 2" наблюдалась только в компьютерных симуляциях. Полсен добился ее в лаборатории, итеративно регулируя положение пружин и угол остановки. Этот процесс он называет своего рода практическим обучением.
Этот механический компьютер, разработанный командой доцента Полсена, уже может считать до трех.
Почему эти простые "умные" материалы могут изменить инженерное дело.
Другие исследовательские группы создали механические устройства, которые подсчитывают или кодируют информацию, но в каждом из них используется своя, уникальная стратегия. Отличительной особенностью платформы Полсена является ее универсальность. Стержни, пружины и скользящий стержень можно переконфигурировать для выполнения всех этих функций, просто изменив их расположение. Не нужно менять или переделывать детали.
Вопрос о том, сможет ли обучение алгоритмам в конечном итоге автоматизировать эту реконфигурацию, переключая систему между целевыми режимами поведения, как это происходит при обучении нейронных сетей, остается открытым. Как и вопрос о масштабировании на большее количество баров.
Однако основа уже заложена, и она была создана на базе оборудования, которое может быть размещено в любой школьной физической лаборатории.
Иностранный источник