用激光探測人造蜘蛛網的藝術圖 圖片來源：代爾夫特理工大學光學實驗室
荷蘭研究人員如今設計出世界上最精確的微芯片傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)之一。該(gai)設(she)備可在(zai)室溫下工作——這是量子技術和(he)傳(chuan)(chuan)感(gan)技術的(de)(de)(de)“圣杯(bei)”。他們將納(na)米(mi)技術和(he)受自然(ran)界蜘蛛(zhu)網啟(qi)發(fa)的(de)(de)(de)機(ji)器(qi)學習相結合，使(shi)一個納(na)米(mi)機(ji)械傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠在(zai)遠離日(ri)常(chang)噪聲(sheng)的(de)(de)(de)情況(kuang)下振(zhen)動。這一突破近日(ri)發(fa)表在(zai)《先進材料新星》雜志(zhi)上(shang)，對引力(li)和(he)暗物質的(de)(de)(de)研究(jiu)，以及量子互聯網、導(dao)航和(he)傳(chuan)(chuan)感(gan)領(ling)域都有(you)意義。
在(zai)最小(xiao)尺度(du)上研究(jiu)振(zhen)(zhen)動物體(ti)（比如(ru)那些用(yong)于(yu)傳感(gan)器或量子(zi)硬件的(de)(de)(de)(de)物體(ti)）的(de)(de)(de)(de)最大挑(tiao)戰(zhan)之一，是如(ru)何防止環(huan)境熱噪(zao)聲與(yu)它(ta)們的(de)(de)(de)(de)脆(cui)弱狀(zhuang)態(tai)相互作用(yong)。例如(ru)，量子(zi)硬件通常保持在(zai)接近絕對零(ling)度(du)（-273.15℃）的(de)(de)(de)(de)溫度(du)，用(yong)于(yu)盛(sheng)放其的(de)(de)(de)(de)冰(bing)箱每臺(tai)售價達50萬歐元。代爾夫特理工大學的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)人(ren)員(yuan)發明(ming)了(le)一種網狀(zhuang)微芯片(pian)傳感(gan)器，在(zai)隔(ge)絕室(shi)溫噪(zao)聲的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下能產生極好的(de)(de)(de)(de)共振(zhen)(zhen)。在(zai)其他(ta)應用(yong)中，這項(xiang)發現將(jiang)使建(jian)造量子(zi)設備變得更加(jia)便宜。
搭進化便車
領導這(zhe)項(xiang)研究的Richard Norte和(he)Miguel Bessa一直在尋找(zhao)將納(na)米技術和(he)機器學習(xi)結合起來的新方法。他(ta)們是怎(zen)么想(xiang)到(dao)用(yong)蜘(zhi)蛛(zhu)網作為模(mo)型的呢？
“我(wo)已經做(zuo)這(zhe)項工作(zuo)(zuo)10年了(le)，在疫情居家期間，我(wo)注意(yi)到(dao)家里的(de)露臺上有很(hen)多蜘蛛網(wang)(wang)。我(wo)意(yi)識(shi)到(dao)蛛網(wang)(wang)是很(hen)好的(de)振動(dong)探測器，就像風吹過樹時(shi)，它們需要測量網(wang)(wang)內而非網(wang)(wang)外的(de)振動(dong)來尋找獵物。”Norte說，“這(zhe)樣的(de)話，為(wei)什么不借助蛛網(wang)(wang)數百(bai)萬年的(de)進化，將其(qi)作(zuo)(zuo)為(wei)超敏感設備的(de)初始模型呢？”
由于(yu)該(gai)團隊(dui)(dui)對蛛網的(de)(de)(de)(de)復雜性并不了(le)解，于(yu)是(shi)他(ta)們(men)便讓(rang)機器學(xue)習(xi)指導(dao)發(fa)現(xian)過程。“我們(men)知道(dao)實驗和(he)模擬是(shi)昂(ang)貴和(he)耗時(shi)的(de)(de)(de)(de)，所以我們(men)的(de)(de)(de)(de)團隊(dui)(dui)決定(ding)使用一(yi)種叫做貝葉斯優化的(de)(de)(de)(de)算法，用很少的(de)(de)(de)(de)嘗試找到一(yi)個(ge)好的(de)(de)(de)(de)設(she)計。”Bessa說。在此背(bei)景(jing)下，該(gai)研究第一(yi)作(zuo)者Dongil Shin搭建計算機模型，并應用機器學(xue)習(xi)算法尋找新(xin)的(de)(de)(de)(de)設(she)備(bei)設(she)計方案。
基于蛛網的傳感器
令研究人員(yuan)驚訝(ya)的(de)是，算法從150種(zhong)(zhong)不同的(de)蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)網設計(ji)中(zhong)找出了一個相(xiang)對簡(jian)單(dan)的(de)蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)網，它僅(jin)由6條字符串以一種(zhong)(zhong)看似簡(jian)單(dan)的(de)方式組合在一起。
“Dongil的(de)(de)計算機(ji)模擬顯示，該設備(bei)可以(yi)在室溫下工(gong)作。在這種環境下，原子振(zhen)動很大，但仍然有非常低的(de)(de)能量從環境中泄漏。換句話說，這是一個更高的(de)(de)質(zhi)量因(yin)素(su)。通過機(ji)器學習和優(you)化(hua)，我們成功地將Richard的(de)(de)蜘蛛(zhu)網概念(nian)調整為更好的(de)(de)質(zhi)量因(yin)素(su)。”Bessa說。
基于(yu)這一(yi)(yi)新的(de)設計，共同第一(yi)(yi)作者Andrea Cupertino用一(yi)(yi)種被稱為氮化(hua)硅的(de)超薄、納米厚度的(de)陶瓷薄膜制造了一(yi)(yi)個微(wei)芯片傳感器。研究小組(zu)通過(guo)強力(li)振(zhen)動(dong)微(wei)芯片“網”來(lai)測(ce)試模型，并測(ce)量振(zhen)動(dong)停止所需的(de)時間。
結果是驚人的(de)：室溫下(xia)的(de)孤立(li)振(zhen)動破了(le)紀錄。對(dui)此(ci)，Norte表示：“我們(men)(men)發現在微芯片(pian)網(wang)絡之外幾乎沒有(you)能量(liang)損失。振(zhen)動在內部(bu)呈圓周運(yun)動，而不接(jie)觸外部(bu)。這有(you)點像在秋千上推某人一下(xia)，然后他們(men)(men)在秋千上運(yun)動了(le)將近一個世紀都沒有(you)停止。”
通過這(zhe)一(yi)源于蜘蛛網的傳感器(qi)，研究人員(yuan)展示了這(zhe)種(zhong)跨學(xue)科的策略(lve)如何(he)通過結合仿(fang)生(sheng)設(she)計、機器(qi)學(xue)習和納米技術(shu)，打(da)開了一(yi)條通向(xiang)科學(xue)新突破(po)的道路。這(zhe)一(yi)新穎的范式(shi)對量子(zi)互聯網、傳感、微芯片技術(shu)和基礎物理學(xue)都將產(chan)生(sheng)影響。例如，探索超小的力(li)，如引力(li)或暗物質，它們(men)通常都是(shi)非(fei)常難以測量的。
來源(yuan)： 《中國科(ke)學報》
