Screenshot YouTube
Onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv en het Los Alamos National Laboratory hebben een nieuw mechanisch metamateriaal ontwikkeld dat de volgorde onthoudt van de acties die erop worden uitgevoerd, net zoals een computer een reeks instructies volgt.
In tegenstelling tot gewone materialen die op dezelfde manier reageren op een reeks externe manipulaties, ongeacht hun volgorde, vertoont het nieuwe metamateriaal – genaamd ‘Chaco’ naar de archeologische vindplaats Chaco Canyon in New Mexico – geschiedenisafhankelijk gedrag, waardoor een pad wordt geopend naar opwindende toepassingen in geheugenopslag, robotica en zelfs mechanisch computergebruik.
Het onderzoek werd geleid door Chaviva Sirote-Katz, Dor Shohat, Dr. Carl Merrigan, Prof. Yoav Lahini en Prof. Yair Shokef van de Universiteit van Tel Aviv, en Dr. Cristiano Nisoli van het Los Alamos National Laboratory.
Een metamateriaal is een ontworpen structuur gemaakt van bouwstenen die veel groter zijn dan atomen of moleculen. De fysieke eigenschappen van het metamateriaal worden voornamelijk bepaald door de ruimtelijke ordening van deze blokken. Dit onderzoek richt zich op een mechanisch metamateriaal dat bestaat uit een reeks flexibele balken die gemakkelijk buigen onder druk. Om unieke eigenschappen te verkrijgen, bouwden de onderzoekers een metamateriaal met aangeboren frustratie – namelijk met een geometrische rangschikking van de balken waardoor niet alle balken tegelijkertijd konden reageren op externe druk op de manier die elke straal zou willen.
“Dit materiaal is als een mechanisch geheugenopslag apparaat dat een reeks invoergegevens kan onthouden”, legt Dor Shohat, een Ph.D. student aan de Universiteit van Tel Aviv die aan het onderzoek deelnam. “Elk van zijn mechanische bouwstenen heeft twee stabiele toestanden, net als een enkel stukje geheugen.”
Het geheim achter het geheugen van Chaco ligt in het unieke ontwerp, geïnspireerd op het concept van frustratie dat voorkomt in magnetische systemen, die bekend staan om hun geheugeneigenschappen. Net zoals geometrische frustratie kan voorkomen dat magneten een eenvoudige, geordende staat bereiken, zijn de bouwstenen van Chaco zo gerangschikt dat ze niet gemakkelijk in een geordende, energiezuinige configuratie kunnen terechtkomen. Deze gecontroleerde frustratie creëert een veelheid aan mogelijke toestanden, een eigenschap die het materiaal in staat stelt de reeks acties die het heeft meegemaakt te onthouden.
“Door de geometrie van het materiaal zorgvuldig te ontwerpen, kunnen we bepalen hoe het reageert op externe krachten”, voegt Chaviva Sirote-Katz, een andere Ph.D. student betrokken bij het onderzoek. “Hierdoor kunnen we wanorde en complex gedrag creëren in een eenvoudige, geordende structuur.”
Chaco's vermogen om reeksen acties te herkennen is gebaseerd op zijn niet-Abelse aard, wat betekent dat de volgorde van de handelingen ertoe doet. Het omdraaien van twee eenheden binnen het materiaal in één volgorde kan bijvoorbeeld tot een andere eindtoestand leiden dan het omdraaien ervan in de omgekeerde volgorde. Deze gevoeligheid voor de geschiedenis stelde de onderzoekers in staat informatie in de reeks acties te coderen en deze later terug te halen door simpelweg de uiteindelijke toestand van het materiaal te observeren.
De studie, gepubliceerd in Nature Communications, verbindt op effectieve wijze de domeinen van magnetisme en mechanica. Omdat magnetische materialen een groot aantal exotische gedragingen vertonen die doorgaans niet voorkomen bij mechanische materialen, biedt het ontwerprecept achter Chaco transporteerbare nieuwe ontwerpprincipes voor mechanische materialen met opmerkelijke eigenschappen en functionaliteiten. Het onderzoeksteam stelt dat de ontwikkeling van deze principes het mogelijk zal maken slimme materialen te creëren met een inherent geheugen en het vermogen om berekeningen uit te voeren.
Link naar het wetenschappelijk artikel: https://www.nature.com/articles/s41467-024-47780-w
