据阿根廷布宜诺斯艾利斯经济新闻网9月23日报道，美国麻省理工学院的研究人员开发了一种纳米机械装置，该装置能够模拟神经元的行为，并将信息处理和存储功能集成在一个紧凑的结构中。据麻省理工学院新闻网站报道，该平台利用软聚合物(即分子尺度上的柔性材料)在纳米尺度上的特性，打造出低能耗的自适应电子系统，在机器人、医疗监测和环境传感等领域具有潜在的应用价值。

该技术旨在解决传统信息技术的一大局限，即需要整合多个组件才能进行计算、存储数据、检测刺激和执行动作。在这一新设计中，这些功能依赖于材料的物理特性，从而减少了所需的外部元件数量。

这项发表在美国《科学进展》杂志上的研究成果，其灵感来源于那些能够通过身体各处发生的物理变化来处理信息的生物体。例如，章鱼大约三分之二的神经元分布在其腕足上，它可以通过腕足检测刺激并产生局部反应，而无需持续依赖中枢神经系统。

这种组织方式还使其能够机械性地改变皮肤色素细胞的状态，并根据周围环境快速伪装自己。麻省理工学院电子工程与计算机科学系副教授、该研究论文的共同第一作者法尔纳兹·尼鲁伊解释说：“可以将章鱼视为一种能够连续计算的物质，其计算、存储、感知和执行功能分布于全身。”

机械计算可以通过物理转换(例如运动和压缩)来进行运算。虽然此前已在微观和宏观尺度上存在此类平台，但该研究团队将该装置缩小到了纳米尺度。在纳米尺度上，即使是微小的形变也能显著改变材料的性质。

主要的障碍在于实现可逆变换。当两个表面过于靠近时，黏附力可能会将它们不可逆地黏合在一起，从而导致系统无法恢复到初始状态。

解决方案是在两个金属电极(该装置的导电板)之间放置一层超薄的聚二甲基硅氧烷(一种柔性硅胶)薄膜。这种柔软的聚合物起到隔离层的作用，能平衡两个表面之间的吸引力，防止它们相互挤压坍塌。尼鲁伊说：“这种柔软的材料就像一个‘纳米弹簧’，有助于平衡作用力，从而在纳米尺度上实现可控且可逆的机械重构。”施加电压后，金属板相互吸引，压缩聚合物，并改变流经该装置的电流。

聚二甲基硅氧烷具有黏弹性：被压缩后，需要一段时间才能恢复到原来的形状。电子工程与计算机科学专业的研究生彼得·萨特思韦特解释说，该聚合物会根据所受电压保持不同程度的形变，而这种形变会转化为该装置可以处理的电信号。

该装置会逐渐累积刺激，就像生物神经元一样，不断聚集电荷，直到达到阈值并将信息传递给网络的其他部分。随着电压的施加，电极会逐渐压缩聚合物；当超过该阈值时，系统就会被激活，随后恢复到初始状态。

萨特思韦特说：“我们把这种复杂的功能(生物计算的基础)完全集成到单一的纳米级装置中。”将计算和存储集成到单一装置中，消除了对电容器(用于存储电荷的元件)或复杂外部电路的需求，从而打造出一种紧凑且低能耗的平台。

该研究论文的共同第一作者萨拉·斯佩克特指出，该平台的性能取决于聚合物保留先前形变的能力，且该特性可在广泛设计空间内根据不同应用的需求进行调整。该系统还可与生物技术兼容，例如能够快速处理触觉数据的智能假肢，或用于实时收集和分析健康指标的低能耗可穿戴贴片。

该团队计划更深入地整合传感、处理和存储功能，以开发用于智能自适应系统的纳米机械计算材料。（编译/田策）