来自匹斯堡大学斯旺工程学院的研究人员们，设计了一种反应混合材料，可以根据环境或动作变化进行计算，甚至可能应对人类生命体征做出反应，这使得距离“可计算材料”和穿在袖子上的电脑的可能性更进一步。该材料系统足够小和柔性，它可能最终被集成到织物或嵌入鞋中。

    化学和石油工程杰出教授Anna C. Balazs，和Steven P. Levitan博士，以及电气和计算机工程系的的John A.Jurenko教授，整合了模型，用于自激振荡聚合物凝胶和压电微型电动机械系统，来设计出能够进行计算，而无需外部能源的接入，放大或计算机调解的新活性物质的系统。

    他们这项研究，“实现与活性混合材料的同步：耦合自激振荡凝胶和压电（PZ）的电影”，发表在6月24日的Nature的子刊杂志《Scientific Reports》上。这些研究与Balazs的研究结合在一起，其研究的是Belousov-Zhabotinsky（BZ）凝胶，一种在没有外界刺激下震荡的物质，同时也和Levitan的计算机建模和基于振荡器的计算系统的专业知识相结合。通过与化工和石油工程系的研究助理教授Victor V. Yashin博士一起工作，他同时也是本文的主要作者，研究人员开发出了一个设计规则用来创建混合“BZ-PZ”材料。

    “该BZ反应可以驱动周期性氧化和还原，因而被锚定到凝胶的金属催化剂；这样反过来，会使凝胶膨胀和收缩。我们把一个薄的压电（PZ）悬臂放置在凝胶上，使得当PZ由振荡凝胶而弯曲时，它会产生一个电势（电压）。反之，施加给PZ悬臂的电势会使其弯曲，”Balazs说道。 “因此，当单个的BZ-PZ单元被连接到另一个这样的单元，振荡BZ凝胶在第一单元的膨胀会偏转压电悬臂梁，它从而产生一个电压。反过来产生的电压导致悬臂的偏转会作用在第二单元；这种偏转强加给底层BZ凝胶，会修改其振荡力产生的”拉锯式“振荡，从而允许各单位之间的信息交流和沟通。

    多个BZ-PZ单元可以被串联连接或并联起来，从而允许更复杂的可以产生并存储在系统内的振荡图案。实际上，这些不同的振荡模式形成一种”存储器“，允许该材料被用于计算。Levitan补充道，然而，计算不是一般目的，而是特定于模式匹配和识别，或其他非布尔运算。

    ”想象一下一组管风琴，每一个都是不同的和弦。当你引入一个新的和弦，其会与特定的模式产生共鸣，“Levitan说。 ”同样，如果你有一组振荡器，他们每个都有一个振荡的模式。每个振荡器对一个特定的模式响应，然后你引入一个新的外部的模式，那么该材料本身会识别该图案，并作出相应的反应，从而表现出实际计算的结果。“

    开发所谓的”计算材料“解决了固有的对于目前研究人员们使用的系统的限制，来表现为化学计算或者基于振荡的计算。化学计算系统，是由缺乏内部电源系统，和扩散的速率扩散到整个系统中的化学波共同限制，使得仅有局部耦合。此外，振荡型计算还没有被转换成潜在的耐磨材料。先前从未提出的混合BZ-PZ模型解决了这些问题，并指向设计自供电的合成材料系统的潜在可能性。

    Balazs和Levitan注意到，目前BZ-PZ凝胶模型振荡中只能持续几十秒，这可以允许简单的非布尔操作，或模式识别像人类的运动模式。Balazs和Levitan博士的下一步是，为模式识别增加一个输入层，以完成在其它技术，但将首次被应用到自振荡凝胶和压电膜。


 

责任编辑：王元

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