Nuovi materiali polimerici in grado di “pensare” e “sentire”

Ciò che rende gli esseri umani intelligenti è la capacità di osservare e pensare alle informazioni che ricevono attraverso i sensi, riflettendo poi sulla relazione tra tali informazioni e su come reagire. A lungo la fantascienza ci ha mostrato macchine ingegnerizzate e autonome; creature combinate con l’intelligenza artificiale, composte in gran parte da materiali biologici. Ora, gli ingegneri della Penn State University, in collaborazione con i ricercatori dell’Us Air Force, hanno creato nuovi materiali polimerici che replicano tali comportamenti.

Premesse

Se qualcuno tocca la spalla di una persona i recettori tattili organizzati nella pelle inviano un messaggio al cervello. Questi, elabora le informazioni e indirizza la persona toccata a guardare nella direzione del punto di pressione.

Anche se le nostre reazioni possono sembrare automatiche, il processo richiede che i nervi del corpo digitalizzino le informazioni sensoriali. Infatti, solo in seguito i segnali elettrici arrivano al cervello che riceve questa sequenza di informazioni. Informazioni che poi valuterà dicendo al corpo di reagire di conseguenza.

I processi di pensiero umani si basano sulla logica, che è simile alla logica booleana della matematica. Questo approccio utilizza input binari per elaborare output di controllo binari, impiegando sole sequenze “on” e “off” per rappresentare tutto il pensiero e la cognizione.

Tale logica, trova posto materialmente grazie a circuiti integrati, che di solito si affidano a semiconduttori di silicio per elaborare le informazioni. Alla Penn State però, hanno dimostrato le capacità di realizzazione di questi processi grazie al polimero, facendogli eseguire sofisticati calcoli aritmetici.

Dettagli e sviluppo dei nuovi materiali polimerici

I circuiti integrati sono il nucleo centrale necessario per l’elaborazione di segnali e informazioni. Ma gli scienziati ad oggi non li hanno mai realizzati in una composizione diversa dai semiconduttori di silicio.

La scoperta del team ha rivelato l’opportunità per quasi tutti i materiali che ci circondano di agire come un proprio circuito integrato. E quindi essere in grado di “pensare” a ciò che accade intorno a loro. I materiali morbidi da loro testati, “pensano” grazie alla riconfigurazione delle reti di polimeri conduttivi. La forza meccanica, applicata ai materiali, collega e ricollega la rete.

Utilizzando una bassa tensione in ingresso, il team di ricerca ha creato un modo in cui il materiale morbido decide come reagire. Reazione che cambia in base al segnale di tensione in uscita dalla rete di polimeri conduttivi riconfigurati.

Il processo si basa su un precedente lavoro dell’équipe che ha sviluppato un metamateriale morbido e meccanico in grado di “pensare” alle forze applicate. Rispondendo poi attraverso reazioni programmate.
Questo materiale però è limitato alle sole porte logiche che operano su segnali binari di input-output. Nella pratica non ha modo di eseguire operazioni logiche di alto livello, fondamentali per i circuiti integrati.

Per risolvere questo e altri problemi di realizzazione pratica, i ricercatori hanno rispolverato un articolo del 1938 pubblicato da Claude E. Shannon, che in seguito è diventato noto come il “padre della teoria dell’informazione”. Shannon descrive un modo per creare un circuito integrato costruendo reti di commutazione meccanico-elettriche. Con una differenza: la compatibilità con le leggi della matematica booleana, le stesse usate dalle porte logiche binarie create dai ricercatori.

Possibili applicazioni

Il materiale meccanico morbido e conduttivo contiene circuiti riconfigurabili in grado di eseguire operazioni in logica combinatoria. Quando riceve stimoli esterni, esso traduce l’input in informazioni elettriche poi elaborate per creare segnali di uscita.

Le possibilità sono ampie. Oltre ad utilizzare la forza meccanica per operazioni aritmetiche complesse, i nuovi materiali polimerici potrebbero rilevare le radiofrequenze per comunicare segnali luminosi specifici.

Come riportato dal lead scientist dello studio:

Il nostro obiettivo è quello di sviluppare un materiale che dimostri una navigazione autonoma in un ambiente, vedendo i segnali, seguendoli e reagendo ad una forza meccanica avversa, come un oggetto che lo calpesta.

Ryan Harne

Sulla base di questa affermazione, i ricercatori stanno ora sviluppando materiali per elaborare le informazioni visive al pari di quelli fisici.