Investigadores de la Universidad de Pensilvania y de las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos han aprovechado el procesamiento de la información mecánica del cerebro humano en respuesta a estímulos externos y lo han integrado en materiales de ingeniería que “piensan”.
El trabajo, publicado en la revista ‘Nature’, se basa en una alternativa novedosa y reconfigurable a los circuitos integrados. Los circuitos integrados suelen estar formados por múltiples componentes electrónicos alojados en un único materials semiconductor, normalmente el silicio, y hacen funcionar todo tipo de aparatos electrónicos modernos, como teléfonos, coches y robots.
Los circuitos integrados son la realización por parte de los científicos del procesamiento de la información, de forma identical a la función del cerebro en el cuerpo humano.
Según el investigador vital, Ryan Harne, catedrático asociado de Ingeniería Mecánica James F. Will en Penn Converse, los circuitos integrados son el elemento central necesario para la computación escalable de señales e información, pero nunca antes habían sido realizados por los científicos en una composición distinta a la de los semiconductores de silicio.
El descubrimiento de su equipo ha revelado la posibilidad de que casi cualquier materials de nuestro entorno actúe como su propio circuito integrado: ser capaz de “pensar” en lo que ocurre a su alrededor.
“Hemos creado el primer ejemplo de un materials de ingeniería que puede percibir, pensar y actuar simultáneamente sobre la tensión mecánica sin necesidad de circuitos adicionales para procesar dichas señales –explica Harne–. El materials polimérico blando actúa como un cerebro que puede recibir cadenas digitales de información que luego se procesan, dando lugar a nuevas secuencias de información digital que pueden controlar las reacciones”.
El materials mecánico blando y conductor contiene circuitos reconfigurables que pueden realizar una lógica combinacional: cuando el materials recibe estímulos externos, traduce la entrada en información eléctrica que luego se procesa para crear señales de salida.
El materials podría utilizar la fuerza mecánica para calcular aritmética compleja, como demostraron Harne y su equipo, o detectar frecuencias de radio para comunicar señales luminosas específicas, entre otros ejemplos potenciales de traducción. Asegura que las posibilidades son amplias porque los circuitos integrados pueden programarse para hacer muchas cosas.
“Descubrimos cómo utilizar las matemáticas y la cinemática (cómo se mueven los componentes individuales de un sistema) en las redes mecánico-eléctricas –resalta–. Esto nos permitió realizar una forma traditional de inteligencia en los materiales de ingeniería al facilitar un procesamiento de la información totalmente escalable e intrínseco al sistema de materiales blandos”.
Según Harne, el materials utiliza un proceso de “pensamiento” identical al de los humanos y tiene aplicaciones potenciales en sistemas autónomos de búsqueda y rescate, en la reparación de infraestructuras e incluso en materiales biohíbridos capaces de identificar, aislar y neutralizar patógenos transportados por el aire.
“Lo que hace que los humanos seamos inteligentes es nuestra capacidad de observar y pensar sobre la información que recibimos a través de nuestros sentidos, reflexionando sobre la relación entre esa información y cómo podemos reaccionar”, afirma Harne.
Aunque nuestras reacciones parezcan automáticas, el proceso requiere que los nervios del cuerpo digitalicen la información sensorial para que las señales eléctricas puedan viajar al cerebro. El cerebro recibe esta secuencia informativa, la evalúa y le dice al cuerpo que reaccione en consecuencia.
Para que los materiales procesen y piensen en la información de forma identical, deben realizar los mismos intrincados cálculos internos, explica Harne. Cuando los investigadores someten su materials de ingeniería a información mecánica –fuerza aplicada que deforma el materials–, éste digitaliza la información en señales que su crimson eléctrica puede hacer avanzar y evaluar.
El proceso se basa en los trabajos anteriores del equipo para desarrollar un metamaterial mecánico blando que puede “pensar” en las fuerzas que se le aplican y responder mediante reacciones programadas, detalladas en ‘Nature Communications’ el año pasado.
Según Harne, este materials anterior se limitaba a puertas lógicas que funcionaban con señales binarias de entrada y salida, y no tenía forma de computar operaciones lógicas de alto nivel que son fundamentales para los circuitos integrados.
Los investigadores estaban atascados, hasta que redescubrieron un artículo de 1938 publicado por Claude E. Shannon, que más tarde sería conocido como el “padre de la teoría de la información”.
Shannon describía una forma de crear un circuito integrado construyendo redes de conmutación mecánico-eléctricas que siguieran las leyes de la matemática booleana, las mismas puertas lógicas binarias que utilizaba Harne anteriormente.
“Finalmente, la industria de los semiconductores no adoptó este método de fabricación de circuitos integrados en la década de 1960, optando en su lugar por un enfoque de ensamblaje directo — recuerda–. La filosofía de diseño de Shannon, basada en las matemáticas, se perdió en las arenas del tiempo, así que, cuando leímos el artículo, nos sorprendió que nuestro trabajo preliminar realizara exactamente la visión de Shannon”.
Sin embargo, el trabajo de Shannon generation hipotético, producido casi 30 años antes de que se desarrollaran los circuitos integrados, y no abordaba cómo escalar las redes.
“Hicimos considerables modificaciones a la filosofía de diseño de Shannon para que nuestras redes mecánico-eléctricas se ajustaran a la realidad de las normas de montaje de los circuitos integrados – – prosigue Harne–. Saltamos de nuestra filosofía de diseño de puertas lógicas del núcleo de la investigación de 2021 y sincronizamos totalmente los principios de diseño con los articulados por Shannon para, en última instancia, obtener materiales de circuitos integrados mecánicos, el cerebro efectivo de la materia man made”.
Los investigadores están evolucionando ahora el materials para que procese la información visible como lo hace con las señales físicas.
“Actualmente estamos traduciendo esto a un medio de ‘ver’ para aumentar la sensación de ‘tocar’ que hemos creado actualmente –anuncia Harne–. Nuestro objetivo es desarrollar un materials que demuestre la navegación autónoma a través de un entorno viendo señales, siguiéndolas y maniobrando para apartarse del camino de una fuerza mecánica adversa, como algo que le pisa”.
