來自代爾夫特理工大學(xué)的一個(gè)研究小組成功地設(shè)計(jì)了世界上最精確的微芯片傳感器之一，該裝置可以在室溫下運(yùn)行。他們將納米技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)與自然界的蜘蛛網(wǎng)結(jié)合起來，能夠使納米機(jī)械傳感器在與日常噪音極端隔離的情況下振動(dòng)。這一突破發(fā)表在《先進(jìn)材料》的新星期刊上，對引力和暗物質(zhì)的研究以及量子互聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航和傳感領(lǐng)域有很大影響。
研究最小尺度的振動(dòng)物體，如用于傳感器或量子硬件的物體，最大的挑戰(zhàn)之一是如何保持環(huán)境熱噪聲不與它們的脆弱狀態(tài)發(fā)生作用。例如，量子硬件通常被保存在接近絕對零度(-273.15°C)的溫度下，這種特種冰箱的價(jià)格為50萬歐元一臺(tái)。來自代爾夫特理工大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種網(wǎng)狀的微芯片傳感器，在與室溫噪聲隔離的情況下能產(chǎn)生極好的共振，他們的發(fā)現(xiàn)將使建造量子設(shè)備的費(fèi)用更加低廉。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的理查德-諾特和米格爾·貝薩正在尋找結(jié)合納米技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的新方法。他們是如何想到用蜘蛛網(wǎng)作為模型的？諾特表示'我做這項(xiàng)工作已經(jīng)有十年了，在禁閉期間，我注意到我的陽臺(tái)上有很多蜘蛛網(wǎng)。我意識(shí)到蜘蛛網(wǎng)是非常好的振動(dòng)探測器，因?yàn)樗鼈円獪y量網(wǎng)內(nèi)的振動(dòng)來尋找它們的獵物，而不是網(wǎng)外的振動(dòng)，比如風(fēng)吹過樹。因此，為什么不搭上數(shù)百萬年的進(jìn)化的便車，用蜘蛛網(wǎng)作為一個(gè)超敏感設(shè)備的初始模型呢？'
由于該團(tuán)隊(duì)對蜘蛛網(wǎng)的復(fù)雜性一無所知，他們讓機(jī)器學(xué)習(xí)來指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)過程。貝薩表示：'我們知道實(shí)驗(yàn)和模擬的成本很高，而且很耗時(shí)，所以和我的小組一起決定使用一種叫做貝葉斯優(yōu)化的算法，用很少的嘗試來找到一個(gè)好的設(shè)計(jì)。'這項(xiàng)工作的共同第一作者Dongil Shin隨后實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)模型并應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法找到了新的設(shè)備設(shè)計(jì)。
令研究人員驚訝的是，該算法在150種不同的蜘蛛網(wǎng)設(shè)計(jì)中提出了一個(gè)相對簡單的蜘蛛網(wǎng)，它只由六根弦以一種欺騙性的方式組合起來。'Dongil的計(jì)算機(jī)模擬顯示，這種設(shè)備可以在室溫下工作，在室溫下原子振動(dòng)很大，但從環(huán)境中泄露進(jìn)來的能量仍然非常低，換句話說，質(zhì)量系數(shù)更高。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化，我們設(shè)法使理查德的蜘蛛網(wǎng)概念適應(yīng)這一更好的質(zhì)量系數(shù)。'
基于這種新的設(shè)計(jì)，共同第一作者安德烈·庫珀蒂諾(Andrea Cupertino)建造了一個(gè)微芯片傳感器，該傳感器帶有一層超薄的、納米級厚度的陶瓷材料--氮化硅。他們通過強(qiáng)行振動(dòng)微芯片'網(wǎng)'并測量振動(dòng)停止所需的時(shí)間來測試該模型。結(jié)果非常壯觀：室溫下的隔離振動(dòng)打破了紀(jì)錄，微芯片網(wǎng)的外面幾乎沒有能量損失：振動(dòng)在內(nèi)部一圈移動(dòng)，不接觸外面。這好比在秋千上給人推一把，就可以讓他們不停地蕩上近一個(gè)世紀(jì)。
通過他們的基于蜘蛛網(wǎng)的傳感器，研究人員展示了這種跨學(xué)科戰(zhàn)略如何通過結(jié)合生物啟發(fā)設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)和納米技術(shù)，為科學(xué)領(lǐng)域的新突破開辟了道路。這種新穎的范式對量子互聯(lián)網(wǎng)、傳感、微芯片技術(shù)和基礎(chǔ)物理學(xué)有著有趣的影響：例如探索超小的力量，如眾所周知的難以測量的重力或暗物質(zhì)。據(jù)研究人員稱，如果沒有大學(xué)的凝聚力資助，這一發(fā)現(xiàn)是不可能的，這導(dǎo)致了納米技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)之間的合作。