用激光探測人造蜘蛛網(wǎng)的藝術(shù)圖 圖片來源：代爾夫特理工大學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室
荷蘭研究人員如今設(shè)計(jì)出世界上最精確的微芯片傳感器之一。該設(shè)備可在室溫下工作——這是量子技術(shù)和傳感技術(shù)的“圣杯”。他們將納米技術(shù)和受自然界蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，使一個(gè)納米機(jī)械傳感器能夠在遠(yuǎn)離日常噪聲的情況下振動(dòng)。這一突破近日發(fā)表在《先進(jìn)材料新星》雜志上，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)域都有意義。
在最小尺度上研究振動(dòng)物體（比如那些用于傳感器或量子硬件的物體）的最大挑戰(zhàn)之一，是如何防止環(huán)境熱噪聲與它們的脆弱狀態(tài)相互作用。例如，量子硬件通常保持在接近絕對零度（-273.15℃）的溫度，用于盛放其的冰箱每臺售價(jià)達(dá)50萬歐元。代爾夫特理工大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種網(wǎng)狀微芯片傳感器，在隔絕室溫噪聲的情況下能產(chǎn)生極好的共振。在其他應(yīng)用中，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將使建造量子設(shè)備變得更加便宜。
搭進(jìn)化便車
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Richard Norte和Miguel Bessa一直在尋找將納米技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合起來的新方法。他們是怎么想到用蜘蛛網(wǎng)作為模型的呢？
“我已經(jīng)做這項(xiàng)工作10年了，在疫情居家期間，我注意到家里的露臺上有很多蜘蛛網(wǎng)。我意識到蛛網(wǎng)是很好的振動(dòng)探測器，就像風(fēng)吹過樹時(shí)，它們需要測量網(wǎng)內(nèi)而非網(wǎng)外的振動(dòng)來尋找獵物。”Norte說，“這樣的話，為什么不借助蛛網(wǎng)數(shù)百萬年的進(jìn)化，將其作為超敏感設(shè)備的初始模型呢？”
由于該團(tuán)隊(duì)對蛛網(wǎng)的復(fù)雜性并不了解，于是他們便讓機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)過程。“我們知道實(shí)驗(yàn)和模擬是昂貴和耗時(shí)的，所以我們的團(tuán)隊(duì)決定使用一種叫做貝葉斯優(yōu)化的算法，用很少的嘗試找到一個(gè)好的設(shè)計(jì)。”Bessa說。在此背景下，該研究第一作者Dongil Shin搭建計(jì)算機(jī)模型，并應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法尋找新的設(shè)備設(shè)計(jì)方案。
基于蛛網(wǎng)的傳感器
令研究人員驚訝的是，算法從150種不同的蜘蛛網(wǎng)設(shè)計(jì)中找出了一個(gè)相對簡單的蜘蛛網(wǎng)，它僅由6條字符串以一種看似簡單的方式組合在一起。
“Dongil的計(jì)算機(jī)模擬顯示，該設(shè)備可以在室溫下工作。在這種環(huán)境下，原子振動(dòng)很大，但仍然有非常低的能量從環(huán)境中泄漏。換句話說，這是一個(gè)更高的質(zhì)量因素。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化，我們成功地將Richard的蜘蛛網(wǎng)概念調(diào)整為更好的質(zhì)量因素。”Bessa說。
基于這一新的設(shè)計(jì)，共同第一作者Andrea Cupertino用一種被稱為氮化硅的超薄、納米厚度的陶瓷薄膜制造了一個(gè)微芯片傳感器。研究小組通過強(qiáng)力振動(dòng)微芯片“網(wǎng)”來測試模型，并測量振動(dòng)停止所需的時(shí)間。
結(jié)果是驚人的：室溫下的孤立振動(dòng)破了紀(jì)錄。對此，Norte表示：“我們發(fā)現(xiàn)在微芯片網(wǎng)絡(luò)之外幾乎沒有能量損失。振動(dòng)在內(nèi)部呈圓周運(yùn)動(dòng)，而不接觸外部。這有點(diǎn)像在秋千上推某人一下，然后他們在秋千上運(yùn)動(dòng)了將近一個(gè)世紀(jì)都沒有停止。”
通過這一源于蜘蛛網(wǎng)的傳感器，研究人員展示了這種跨學(xué)科的策略如何通過結(jié)合仿生設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)和納米技術(shù)，打開了一條通向科學(xué)新突破的道路。這一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)都將產(chǎn)生影響。例如，探索超小的力，如引力或暗物質(zhì)，它們通常都是非常難以測量的。
來源： 《中國科學(xué)報(bào)》
