Nova tehnologija…

Tim znanstvenika razvio je novi mikročip senzor koji se temelji na paukovoj mreži. Ovaj izum ima mnoge potencijalne primjene u fizici kao što su istraživanje gravitacije i tamne tvari.

Tim istraživača s TU Delfta uspio je dizajnirati jedan od najpreciznijih svjetskih mikročip senzora. Uređaj može funkcionirati na sobnoj temperaturi – ‘sveti gral’ za kvantne tehnologije i osjetila. Kombinirajući nanotehnologiju i strojno učenje inspirirano paukovom mrežom, uspjeli su učiniti da nanomehanički senzor vibrira u ekstremnoj izolaciji od svakodnevne buke. Ovo otkriće ima važne implikacije na proučavanje gravitacije i tamne tvari, kao i na polja kvantnog interneta, navigacije i senzora.

Jedan od najvećih izazova za proučavanje vibrirajućih objekata na najmanjoj skali, poput onih koji se koriste u senzorima ili kvantnom hardveru, jest kako spriječiti njihovu interakciju s ambijentalnom toplinskom bukom. Kvantni hardver zbog toga se obično drži na temperaturama blizu apsolutne nule (−273.15°C) a hladnjaci koji ga održavaju na toj temperaturi koštaju oko pola milijuna eura. Istraživači s TU Delfta stvorili su mikročip senzor u obliku mreže koji izuzetno dobro rezonira u izolaciji od buke sobne temperature. Među ostalim primjenama njihovo otkriće učinit će izgradnju kvantnih uređaja mnogo pristupačnijom.

Evolucija u tehnologiji zahvaljujući evoluciji u prirodi

Richard Norte i Miguel Bessa, koji su vodili istraživanje, tražili su nove načine za kombiniranje nanotehnologije i strojnog učenja. No, kako su došli na ideju da koriste paukovu mrežu kao model? Richard Norte objašnjava: „Ovim poslom bavim se već desetljeće. Odjednom sam, tijekom izolacije zbog COVID-a, primijetio puno paukove mreže na svojoj terasi. Shvatio sam da su paukove mreže stvarno dobri detektori vibracija, jer žele mjeriti vibracije unutar mreže kako bi pronašli svoj plijen ali ne izvan nje, poput vjetra kroz drvo. Pa zašto se ne nadovezati na milijune godina evolucije i upotrijebiti paukovu mrežu kao početni model za ultraosjetljivi uređaj?“

Budući da tim nije znao ništa o složenosti paukove mreže dopustili su strojnom učenju da vodi proces otkrivanja. Miguel Bessa je pojasnio: „Znali smo da su eksperimenti i simulacije skupi i dugotrajni, pa smo s mojom grupom odlučili koristiti algoritam nazvan Bayesova optimizacija, kako bismo pronašli dobar dizajn uz nekoliko pokušaja.“ Dongil Shin, jedan od članova tima, zatim je implementirao računalni model i primijenio algoritam strojnog učenja kako bi pronašao novi dizajn uređaja.

Mikročip senzor na temelju paukove mreže

Na iznenađenje istraživača, algoritam je od 150 različitih dizajna paukove mreže, predložio relativno jednostavnu paukovu mrežu, koja se sastoji od samo šest nizova spojenih na zavaravajuće jednostavan način. Na temelju ovog novog dizajna, član tima Andrea Cupertino napravio je mikričip senzor s ultra tankim, nanometarskim debelim filmom od keramičkog materijala zvanog silicij-nitrid.

Testirali su model snažno vibrirajući ‘mrežu’ mikročipa i mjerenjem vremena koje je potrebno da vibracije prestanu. Rezultat je bio spektakularan: rekordno izolirana vibracija na sobnoj temperaturi. Norte: „Nismo pronašli gotovo nikakav gubitak energije izvan naše mreže mikročipova: vibracije se kreću u krug iznutra i ne dodiruju vanjsku stranu. Ovo je nešto kao da nekome date jedan jedini pritisak na ljuljački i da se ljulja gotovo cijelo stoljeće bez prestanka.“

Važnost izuma i daljnja primjena u znanosti

Sa svojim senzorom temeljenim na paukovojj mreži, istraživači pokazuju kako ova interdisciplinarna strategija otvara put prema novim otkrićima u znanosti, kombinirajući dizajne inspirirane biologijom, strojno učenje i nanotehnologiju. Ova nova paradigma ima zanimljive primjene za kvantni internet, senzore, tehnologije mikročipova i temeljnu fiziku: istraživanje ultra-malih sila poput, primjerice, gravitacije ili tamne tvari koje je notorno teško izmjeriti.

Kosmos