Investigadores del MIT construyeron una plataforma de cómputo que apunta a electrónica capaz de hacer varias cosas a la vez, como calcular y recordar, dentro de un mismo dispositivo compacto y de bajo consumo. El trabajo aparece publicado en Science Advances.
La vía que usaron es la respuesta mecánica de los polímeros blandos a escala nanométrica, o sea cómo cambia una estructura cuando se le aplica una fuerza. Con esa respuesta fabricaron dispositivos mecánicos diminutos que usan movimiento reconfigurable para recordar y procesar información, imitando el comportamiento de las neuronas.
Como las funciones de cómputo quedan incorporadas en las propiedades propias del polímero blando, se reduce la cantidad de componentes necesarios. El resultado es una plataforma compacta para procesar información, con aplicaciones posibles en cómputo de borde de bajo consumo, sistemas interactivos de monitoreo médico y ambiental, y robots inteligentes.
"Los fenómenos complejos y acoplados a nanoescala pueden dar oportunidades enormes para nuevos enfoques de procesamiento de información e integración de múltiples funciones, como cómputo, sensado y actuación. Esto podría habilitar niveles de eficiencia energética, autonomía y reconfigurabilidad en dispositivos y sistemas a nanoescala que son difíciles de alcanzar con plataformas de cómputo convencionales", dice Farnaz Niroui, profesora asociada de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, integrante del Research Laboratory of Electronics y autora principal del artículo. "Acá aprovechamos las propiedades mecánicas intrínsecas de los materiales para diseñar la dinámica a nivel de dispositivo, de modo que los bloques de construcción del material juegan un papel mucho más activo en definir la funcionalidad del dispositivo de lo que se considera normalmente."
La acompañan en el artículo Peter Satterthwaite y Sarah Spector como autores principales, ambos estudiantes de posgrado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, junto a Jeremiah Johnson, profesor de química del MIT, Maxwell Conte, estudiante de posgrado del Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería, Teddy Hsieh, estudiante de posgrado, el investigador posdoctoral Eduard Bobylev y Srinidhi Venkatesh.
¿Qué tiene que ver un pulpo con esto?
Los sistemas biológicos pueden usar cambios físicos, como el movimiento o la deformación, para procesar información de forma eficiente y sin necesitar acceso a un controlador central.
El pulpo es el ejemplo que usan los autores. Tiene un sistema nervioso muy distribuido, con cerca de dos tercios de sus neuronas repartidas por los brazos. Eso le permite sentir y procesar información de su entorno de manera local y generar respuestas sin pasar por el cerebro central. Puede, por ejemplo, cambiar mecánicamente las células de color de su piel para camuflarse rápido y según el contexto.
"Puedes pensar en un pulpo como materia que computa de forma continua, con cómputo, memoria, sensado y actuación distribuidos por todo su cuerpo", agrega Niroui.
Con esa inspiración, el equipo buscó una plataforma que compute mediante transformaciones mecánicas a nanoescala. En el cómputo mecánico los cálculos se hacen a través de transformaciones físicas como el movimiento y la compresión.
Ya existían plataformas de cómputo mecánico bioinspirado a escala micro y macro. Lo que hizo el grupo del MIT fue encoger el dispositivo hasta la nanoescala, donde transformaciones mecánicas mínimas alcanzan para cambiar de forma drástica las propiedades de un material.
El problema de la adhesión
Lograr transformaciones nanomecánicas reversibles es un desafío de fondo. Cuando dos superficies se acercan mucho, aparecen fuerzas de adhesión intensas que las juntan y hacen imposible despegarlas.
La solución fue construir el dispositivo con una película ultradelgada del polímero blando polidimetilsiloxano (PDMS) intercalada entre dos electrodos metálicos. Ese separador blando equilibra las fuerzas de adhesión entre las dos superficies metálicas y evita que los electrodos se junten de forma irreversible.
"El material blando actúa como un resorte a nanoescala, ayudando a equilibrar las fuerzas para lograr reconfiguración mecánica a nanoescala de manera controlada y reversible", explica Niroui.
Al aplicar voltaje al dispositivo, las dos placas metálicas se atraen, comprimen el material blando y alteran la corriente eléctrica que pasa por él.
"El PDMS es viscoelástico, lo que significa que después de ser comprimido se toma un tiempo en volver a su estado original. Eso permite que los dispositivos recuerden de forma dinámica la historia de fuerzas y voltajes que se les aplicaron, y conviertan esa historia en una respuesta eléctrica", dice Satterthwaite.
¿Cómo imita a una neurona?
En el cerebro, cada neurona acumula carga eléctrica de a poco hasta llegar a un umbral y dispararse, pasando información a otras neuronas de la red.
El dispositivo del MIT reproduce ese comportamiento. A medida que se aplica voltaje en el tiempo, acumula estímulo mientras los electrodos comprimen gradualmente el PDMS. Después de cruzar el umbral se dispara como una neurona y luego se relaja de vuelta a su estado original.
"Tenemos esta funcionalidad compleja, que es la base del cómputo biológico, toda contenida en un dispositivo a nanoescala", dice Satterthwaite.
Como el cómputo y la memoria quedan dentro de un mismo dispositivo, sin necesidad de componentes externos como condensadores o circuitos complejos, la plataforma alcanza buena eficiencia energética ocupando poco espacio.
"El rendimiento depende mucho de la memoria que introduce el polímero blando. Podemos diseñar esto a propósito sobre un espacio de diseño amplio para cumplir con los requisitos de las aplicaciones deseadas", dice Spector.
Para qué serviría
El dispositivo también puede ser compatible con sistemas biológicos, agrega Spector. Podría servir en prótesis inteligentes que procesen datos táctiles rápido, o en parches de bajo consumo que recojan y analicen indicadores de salud en tiempo real.
Hacia adelante, el equipo quiere integrar el sensado con el cómputo y la memoria para llegar a materia de cómputo nanomecánico aplicable a sistemas inteligentes y adaptativos.
El trabajo fue financiado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa de Estados Unidos (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencias, una beca MathWorks del departamento de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación del MIT, y la Organización Neerlandesa para la Investigación Científica. La fabricación de los dispositivos se hizo en parte en las instalaciones de MIT.nano.
