Τι θα γινόταν αν οι υπολογισμοί δεν χρειάζονταν ηλεκτρικά κυκλώματα, αλλά μπορούσαν να γίνονται απλώς με τη φυσική παραμόρφωση ενός υλικού; Ερευνητές από το ολλανδικό ινστιτούτο AMOLF στο Άμστερνταμ κατάφεραν να το αποδείξουν. Ανέπτυξαν ένα νέο είδος ελαστικού μεταϋλικού (metamaterial) που μπορεί να εκτελεί πολύπλοκους μαθηματικούς υπολογισμούς, όπως τον πολλαπλασιασμό διανυσμάτων,χ ρησιμοποιώντας μόνο μηχανικές δυνάμεις.
Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει τον δρόμο για μια νέα γενιά τεχνολογιών, όπου η ίδια η ύλη λειτουργεί ως «υπολογιστικό μέσο». Από ρομπότ που μπορούν να επεξεργάζονται δεδομένα χωρίς ηλεκτρονικά εξαρτήματα, μέχρι μικροσκοπικούς αισθητήρες και ενεργά υλικά που «σκέφτονται» μηχανικά, το πεδίο των λεγόμενων soft robotics και embedded intelligence φαίνεται να μπαίνει σε μια εντελώς νέα φάση.
Το βασικό σκεπτικό πίσω από την εφεύρεση είναι απλό αλλά ιδιοφυές: οι ερευνητές εκμεταλλεύονται τις λεγόμενες floppy modes, δηλαδή κινήσεις ή παραμορφώσεις που απαιτούν ελάχιστη ενέργεια. Το υλικό, φτιαγμένο από ένα πλέγμα μικρών επαναλαμβανόμενων μονάδων, μπορεί να καμπυλωθεί ή να τεντωθεί με ελεγχόμενο τρόπο. Κάθε τέτοια μηχανική παραμόρφωση αντιστοιχεί σε μια πράξη υπολογισμού.
Η είσοδος δεδομένων γίνεται μέσω μικρών μετατοπίσεων στα άκρα του ελαστικού φύλλου, ενώ η έξοδος «διαβάζεται» ως η τελική παραμόρφωση του υλικού, ουσιαστικά το αποτέλεσμα του μαθηματικού υπολογισμού. Ένα είδος φυσικού αλγόριθμου, όπου η μηχανική ενέργεια αντικαθιστά την ηλεκτρική.
Κάθε βασικό δομικό στοιχείο έχει δύο εισόδους και δύο εξόδους. Η γεωμετρία των λεπτών βραχιόνων του καθορίζει το «βάρος» κάθε υπολογισμού, αν είναι θετικό, αρνητικό ή ουδέτερο. Έτσι, το φαινομενικά απλό ελαστικό δίκτυο μπορεί να εκτελεί γραμμικές πράξεις όπως αυτές που χρησιμοποιούνται στα μοντέλα machine learning, αλλά με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας.
Για να επιβεβαιώσουν τη θεωρία τους, οι επιστήμονες του AMOLF δημιούργησαν μια φυσική εκδοχή του συστήματος: ένα φύλλο από καουτσούκ πάχους έξι χιλιοστών, αποτελούμενο από τις επαναλαμβανόμενες μονάδες. Χρησιμοποιώντας μικρούς κινητήρες ακριβείας (stepper motors) για να εφαρμόζουν ελεγχόμενες παραμορφώσεις και κάμερες υψηλής ανάλυσης για να μετρούν τις κινήσεις, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το υλικό πράγματι υπολογίζει όπως προβλέπουν τα μαθηματικά μοντέλα.
Για μικρές εισόδους, το σύστημα είχε περιθώριο σφάλματος περίπου 20%, κάτι εντυπωσιακό αν αναλογιστεί κανείς ότι μιλάμε για ένα απλό κομμάτι λάστιχο. Όταν όμως οι παραμορφώσεις αυξάνονταν, η συμπεριφορά του υλικού άλλαζε: η απόκριση του άρχιζε να μοιάζει με σιγμοειδή καμπύλη, την ίδια μαθηματική συνάρτηση που χρησιμοποιείται στους τεχνητούς νευρώνες στα δίκτυα machine learning.
Με άλλα λόγια, το λάστιχο αυτό δεν περιορίζεται μόνο σε γραμμικές πράξεις, αλλά μπορεί να επιδεικνύει και «μη γραμμική» συμπεριφορά, ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της νοημοσύνης, φυσικής ή τεχνητής.
Ένα από τα πιο συναρπαστικά στοιχεία της έρευνας είναι ότι το μεταϋλικό μπορεί να επαναπρογραμματιστεί μηχανικά. Ορισμένες συνδέσεις του είναι δι-σταθερές (bistable), πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να αλλάζουν τη σκληρότητα ή την ελαστικότητά τους μετά την κατασκευή. Έτσι, με μια μικρή μηχανική παρέμβαση, ο «υπολογιστής» από λάστιχο μπορεί να αλλάξει τις τιμές των βαρών του, κάτι σαν φυσική αναδιάρθρωση, χωρίς ηλεκτρονικά κυκλώματα ή λογισμικό.
Με τις τρέχουσες τεχνικές μικροκατασκευής, οι επιστήμονες εκτιμούν ότι είναι εφικτό να δημιουργηθούν δίκτυα έως και 64×64 στοιχείων, αρκετά μεγάλα ώστε να εκτελούν βασικές λειτουργίες αναγνώρισης σημάτων ή ακόμη και γλωσσικής ανάλυσης. Μιλάμε ουσιαστικά για ένα υπολογιστικό σύστημα που θα μπορούσε να «αισθάνεται» και να αντιδρά μηχανικά σε δεδομένα, χωρίς καμία ανάγκη για ηλεκτρόνια.
Σύμφωνα με τους ερευνητές του AMOLF, η αξιοποίηση των floppy modes ως βάσης για υπολογισμό αποτελεί ένα βήμα προς αυτό που αποκαλείται embedded intelligence, τη νοημοσύνη που δεν βρίσκεται σε κάποιον επεξεργαστή, αλλά είναι κυριολεκτικά ενσωματωμένη μέσα στην ύλη.
Σκεφτείτε υλικά που μπορούν να προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους, να λαμβάνουν αποφάσεις ή να αναγνωρίζουν μοτίβα, όλα μέσω των ίδιων των φυσικών τους ιδιοτήτων!
[source]
