Будущее изношенных: материал, который может распознавать шаблоны
Исследователи из Университета Питтсбурга Swanson School of Engineering разработали материалы, которые могут выполнять простые распознавания образов. Исследование пытается достичь гибридной материальной системы, которая может воспринимать, сообщать и вычислять.
Материалы, с которыми работали исследователи, которые используют энергию от химических реакций и не нуждаются в внешнем электропитании, могут использоваться в умной одежде для наблюдения за тем, кто ее носит. В качестве другого приложения робот может использовать эту технологию для создания сенсорной кожи. Кроме того, поскольку новый материал может расширить функциональность повседневных объектов, мы можем ожидать множество других потенциальных приложений, о которых мы еще не думали.
Изобретение, целью которого является распознавание черно-белых пикселей в виде чисел, является сеть связанных блоков BZ-PZ. Каждый из этих блоков BZ-PZ состоит из пьезоэлектрического (PZ) слоя над автоколебательным гелем, который проявляет колебательную реакцию Белоусова-Жаботинского (BZ).
Анимированный вариант колебательной реакции Белоусова-Жаботинского (БЗ)
Реакция Белоусова-Жаботинского
Концепция колебаний в электронике удивительна. Однако, как инженер-электроник, мы как-то не можем оценить это, потому что мы так много раз подвергались этой концепции.
В других областях тоже есть колебательное поведение. В качестве примера реакция Белоусова-Жаботинского (БЗ) представляет собой химическую реакцию, которая далека от равновесия и остается таковой в течение значительного периода времени. Гель BZ показывает химико-механические колебания. Теоретически важность реакции BZ заключается в том, что ее хаотическая эволюция дает пример неравновесной термодинамики.
Борис Белоусов заметил это колебательное поведение в 1950-х годах. Он обнаружил, что цвет раствора брома и кислоты колеблется между желтым и бесцветным растворами.
Визуальный пример колебания, происходящего в растворе
Примерно через десять лет Анатолий Жаботинский, аспирант, более подробно объяснил эту реакцию.
Блок BZ-PZ
В новом исследовании, проведенном в Университете Питтсбурга, используется ритмическое расширение и сжатие гелей BZ для отклонения кантилеверов PZ. В результате химическая реакция вызывает периодический электрический сигнал.
На рисунке 1 показаны два из этих устройств, соединенных электрическими проводами. На этом рисунке химические реакции отклоняют слои PZ и производят электрическое напряжение U на красной и черной линиях.
Обратите внимание, что возможны также обратные эффекты PZ и BZ, и когда мы применяем напряжение к слою PZ, химико-механические колебания в гелях изменяются. В результате два блока BZ-PZ на рисунке 1 взаимодействуют друг с другом.
Рисунок 1 Два генератора BZ-PZ, взаимодействующие друг с другом. Изображение предоставлено научными достижениями
Другими словами, эти две единицы взаимодействуют друг с другом, и через это сообщение осцилляторы могут достичь синхронизированного состояния через некоторое время. Исследование показывает, что можно использовать эти генераторы, предлагаемые как так называемые «вычисления на основе осциллятора», для выполнения простых вычислений и достижения простого распознавания образов.
В другом исследовании, проведенном этой исследовательской группой, были рассмотрены теоретические и численные модели сетевых генераторов BZ-PZ. Например, как показано на рисунке 2, можно подключать эти устройства параллельно или последовательно.
Рисунок 2 Осцилляторы BZ-PZ могут быть подключены последовательно или параллельно. Изображение предоставлено научными достижениями
Распознавание образов с помощью сети осцилляторов
Ряд других исследовательских групп ранее предлагали сеть осцилляторов для распознавания образов. Один из примеров этих исследований, осциллирующая нейронная сеть (ONN), вдохновил исследовательскую группу применить концепцию к сети осцилляторов BZ-PZ.
С этой целью, как показано на рисунке 3, новая схема помещает несколько генераторов BZ-PZ последовательно и выбирает положительную полярность для белого пикселя и отрицательную полярность для черного пикселя. Следовательно, каждый осциллятор представляет собой один пиксель изображения. Изменяя полярность (переворачивая соединительные провода, как показано на рисунке), знак напряжения, создаваемого генератором, изменится. Таким образом, можно сохранить шаблон в сети.
Рисунок 3 Полярность осцилляторов может использоваться для моделирования белых и черных пикселей рисунка. Изображение предоставлено научными достижениями
Основываясь на обширных численных симуляциях и анализе линейной стабильности, исследование предполагает, что с несколькими блоками BZ-PZ последовательно, все осцилляторы с одинаковой полярностью будут иметь синфазную синхронизацию, а осцилляторы противоположной полярности достигнут антифазной синхронизации, Как объяснялось выше, сохраненный шаблон определяется полярностью осцилляторов. Вопрос заключается в том, как мы можем применить шаблон ввода к этой системе «0», «1» и «2» соответственно. Однако шаблон ввода является искаженным паттерном 1 для всех трех сетей. Шаблоны справа используются для иллюстрации того, как структура, представленная системой, эволюционирует со временем. Диаграммы слева показывают, что все осцилляторы будут либо синфазной, либо синфазной синхронизацией в конце процесса.
Как показано на этом рисунке, конечным состоянием является просто шаблон, который ранее был сохранен в системе. Тем не менее, система, сохраняющая шаблон «1», развивается значительно быстрее (в 53 единицах времени) до своего конечного состояния. Это показывает, что входные и хранимые шаблоны можно легко сравнивать, измеряя, сколько времени потребовалось для достижения конечного состояния.
Рисунок 4 Когда шаблон ввода похож на сохраненный, система развивается значительно быстрее до конечного состояния. Изображение предоставлено научными достижениями
По словам Яна Фанга, студента-градиента в отделе ЕЭК и ведущего автора статьи, будущей целью исследования является разработка материалов, которые могут распознавать оттенки серого и более сложные изображения и формы.
К сожалению, сеть генераторов BZ-PZ работает не так быстро, как традиционный компьютер, и для системы распознавания образов требуется несколько минут. Это в основном связано с медленным периодом колебаний BZ.
Несмотря на то, что эта технология никогда не может приблизиться к современным вычислительным уровням, она может найти применение в медицинской области, особенно в качестве носимых.
Для подробного объяснения этого исследования, пожалуйста, прочитайте исследовательскую статью «Распознавание образов для материалов, которые вычисляют», опубликованные в Science Advances.