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)器之一(yi)。該設(she)備可在室溫下工(gong)作——這是量(liang)子技(ji)術和(he)傳(chuan)(chuan)感(gan)技(ji)術的(de)“圣杯”。他們將納米技(ji)術和(he)受自然(ran)界蜘蛛網啟(qi)發(fa)的(de)機(ji)器學習相(xiang)結合(he)，使一(yi)個納米機(ji)械傳(chuan)(chuan)感(gan)器能夠在遠(yuan)離日常噪聲的(de)情(qing)況下振動(dong)。這一(yi)突破近日發(fa)表(biao)在《先進材料新星》雜(za)志上(shang)，對引(yin)力和(he)暗物質的(de)研究，以及量(liang)子互聯網、導(dao)航和(he)傳(chuan)(chuan)感(gan)領域都有意義(yi)。
在(zai)最(zui)小尺度上研究(jiu)振動物(wu)體(ti)(ti)（比如(ru)那些用于傳感器或(huo)量子硬(ying)件(jian)的(de)物(wu)體(ti)(ti)）的(de)最(zui)大挑戰之一，是如(ru)何防止環境熱(re)噪(zao)聲(sheng)與它們的(de)脆弱狀(zhuang)態(tai)相互(hu)作用。例如(ru)，量子硬(ying)件(jian)通(tong)常保持在(zai)接近絕對零(ling)度（-273.15℃）的(de)溫(wen)度，用于盛放其的(de)冰箱(xiang)每臺售(shou)價達(da)50萬歐元。代爾(er)夫特理(li)工大學的(de)研究(jiu)人員(yuan)發明了一種網狀(zhuang)微芯片傳感器，在(zai)隔絕室溫(wen)噪(zao)聲(sheng)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)能產生極好的(de)共(gong)振。在(zai)其他應用中，這項發現將使建造量子設備(bei)變得更加便(bian)宜。
搭進化便車
領導這項研究的Richard Norte和Miguel Bessa一直(zhi)在尋找(zhao)將納米技術和機(ji)器學習結合起來的新(xin)方法。他們是(shi)怎么想到(dao)用蜘蛛網作為模型的呢(ni)？
“我(wo)已經做(zuo)這項工作(zuo)(zuo)10年(nian)了，在疫情居家期間，我(wo)注意(yi)到家里的(de)(de)露臺上有很(hen)多蜘蛛網。我(wo)意(yi)識(shi)到蛛網是很(hen)好的(de)(de)振(zhen)動探測器，就像風吹(chui)過(guo)樹時，它們需要測量網內而非網外的(de)(de)振(zhen)動來尋找(zhao)獵物。”Norte說(shuo)，“這樣的(de)(de)話(hua)，為什么(me)不借助蛛網數百萬年(nian)的(de)(de)進化，將其(qi)作(zuo)(zuo)為超敏(min)感設備的(de)(de)初始模型呢？”
由于該團隊(dui)對蛛網的(de)(de)復(fu)雜性并(bing)不了解(jie)，于是他(ta)們(men)(men)便讓機(ji)(ji)器(qi)學習(xi)指導發現過程。“我們(men)(men)知道實驗和模(mo)擬是昂(ang)貴和耗(hao)時的(de)(de)，所以我們(men)(men)的(de)(de)團隊(dui)決定使用(yong)一(yi)種叫(jiao)做貝葉斯優化的(de)(de)算(suan)法，用(yong)很少的(de)(de)嘗試找(zhao)到一(yi)個好的(de)(de)設計(ji)(ji)。”Bessa說(shuo)。在此背(bei)景(jing)下，該研究(jiu)第(di)一(yi)作者Dongil Shin搭建計(ji)(ji)算(suan)機(ji)(ji)模(mo)型(xing)，并(bing)應用(yong)機(ji)(ji)器(qi)學習(xi)算(suan)法尋找(zhao)新(xin)的(de)(de)設備設計(ji)(ji)方(fang)案。
基于蛛網的傳感器
令研究人員驚訝的是，算法從150種不(bu)同的蜘蛛網(wang)設計(ji)中找出了一個相對簡(jian)單的蜘蛛網(wang)，它僅由6條字符(fu)串以一種看似簡(jian)單的方(fang)式(shi)組合(he)在一起。
“Dongil的計算機(ji)模(mo)擬顯示(shi)，該設備可以在(zai)室溫下工作。在(zai)這(zhe)種環(huan)境(jing)下，原子振(zhen)動很大，但(dan)仍(reng)然(ran)有非常低的能量從環(huan)境(jing)中泄漏。換句話說，這(zhe)是一個更高的質(zhi)量因素。通過機(ji)器(qi)學習和優化(hua)，我們成功地將Richard的蜘(zhi)蛛網概念調整(zheng)為(wei)更好的質(zhi)量因素。”Bessa說。
基于這(zhe)一(yi)(yi)新(xin)的設(she)計，共同(tong)第(di)一(yi)(yi)作(zuo)者Andrea Cupertino用一(yi)(yi)種被稱(cheng)為氮化(hua)硅的超薄、納米(mi)厚度的陶瓷薄膜制造了一(yi)(yi)個(ge)微芯片傳感(gan)器(qi)。研究(jiu)小(xiao)組通過強力振動(dong)微芯片“網(wang)”來(lai)測試模型，并測量振動(dong)停止所需的時(shi)間。
結果是驚人的：室溫下(xia)的孤立振動(dong)破了紀錄。對(dui)此，Norte表示：“我們發現在(zai)微芯片(pian)網絡之(zhi)外幾乎沒(mei)(mei)有能量(liang)損失(shi)。振動(dong)在(zai)內部呈(cheng)圓周運(yun)(yun)動(dong)，而不接觸外部。這有點像在(zai)秋千上推某人一下(xia)，然后他們在(zai)秋千上運(yun)(yun)動(dong)了將近一個世紀都(dou)沒(mei)(mei)有停止(zhi)。”
通(tong)過(guo)(guo)這(zhe)一源于(yu)蜘蛛網的(de)(de)傳(chuan)感器，研究人員展示了這(zhe)種跨學(xue)科的(de)(de)策略如(ru)何通(tong)過(guo)(guo)結(jie)合仿生設計、機器學(xue)習和納米技術，打(da)開了一條通(tong)向科學(xue)新突破(po)的(de)(de)道路。這(zhe)一新穎的(de)(de)范(fan)式對量(liang)子互聯網、傳(chuan)感、微芯(xin)片技術和基礎物理學(xue)都將(jiang)產生影響(xiang)。例如(ru)，探索超(chao)小的(de)(de)力，如(ru)引力或暗物質，它們通(tong)常都是非常難以測量(liang)的(de)(de)。
來源： 《中國科學報》
