蛛网灵感打造最精密微芯片传感器
作者 | 物联网智库2021-12-01

蛛网灵感打造最精密微芯片传感器

用激光探测人造蜘蛛网的艺术图 图片来源:代尔夫特理工大学光学实验室

荷兰研究人员如今设计出世界上最精确的微芯片传感器之一。该设备可在室温下工作——这是量子技术和传感技术的“圣杯”。他们将纳米技术和受自然界蜘蛛网启发的机器学习相结合,使一个纳米机械传感器能够在远离日常噪声的情况下振动。这一突破近日发表在《先进材料新星》杂志上,对引力和暗物质的研究,以及量子互联网、导航和传感领域都有意义。

在最小尺度上研究振动物体(比如那些用于传感器或量子硬件的物体)的最大挑战之一,是如何防止环境热噪声与它们的脆弱状态相互作用。例如,量子硬件通常保持在接近绝对零度(-273.15℃)的温度,用于盛放其的冰箱每台售价达50万欧元。代尔夫特理工大学的研究人员发明了一种网状微芯片传感器,在隔绝室温噪声的情况下能产生极好的共振。在其他应用中,这项发现将使建造量子设备变得更加便宜。

搭进化便车

领导这项研究的Richard Norte和Miguel Bessa一直在寻找将纳米技术和机器学习结合起来的新方法。他们是怎么想到用蜘蛛网作为模型的呢?

“我已经做这项工作10年了,在疫情居家期间,我注意到家里的露台上有很多蜘蛛网。我意识到蛛网是很好的振动探测器,就像风吹过树时,它们需要测量网内而非网外的振动来寻找猎物。”Norte说,“这样的话,为什么不借助蛛网数百万年的进化,将其作为超敏感设备的初始模型呢?”

由于该团队对蛛网的复杂性并不了解,于是他们便让机器学习指导发现过程。“我们知道实验和模拟是昂贵和耗时的,所以我们的团队决定使用一种叫做贝叶斯优化的算法,用很少的尝试找到一个好的设计。”Bessa说。在此背景下,该研究第一作者Dongil Shin搭建计算机模型,并应用机器学习算法寻找新的设备设计方案。

基于蛛网的传感器

令研究人员惊讶的是,算法从150种不同的蜘蛛网设计中找出了一个相对简单的蜘蛛网,它仅由6条字符串以一种看似简单的方式组合在一起。

“Dongil的计算机模拟显示,该设备可以在室温下工作。在这种环境下,原子振动很大,但仍然有非常低的能量从环境中泄漏。换句话说,这是一个更高的质量因素。通过机器学习和优化,我们成功地将Richard的蜘蛛网概念调整为更好的质量因素。”Bessa说。

基于这一新的设计,共同第一作者Andrea Cupertino用一种被称为氮化硅的超薄、纳米厚度的陶瓷薄膜制造了一个微芯片传感器。研究小组通过强力振动微芯片“网”来测试模型,并测量振动停止所需的时间。

结果是惊人的:室温下的孤立振动破了纪录。对此,Norte表示:“我们发现在微芯片网络之外几乎没有能量损失。振动在内部呈圆周运动,而不接触外部。这有点像在秋千上推某人一下,然后他们在秋千上运动了将近一个世纪都没有停止。”

通过这一源于蜘蛛网的传感器,研究人员展示了这种跨学科的策略如何通过结合仿生设计、机器学习和纳米技术,打开了一条通向科学新突破的道路。这一新颖的范式对量子互联网、传感、微芯片技术和基础物理学都将产生影响。例如,探索超小的力,如引力或暗物质,它们通常都是非常难以测量的。

来源: 《中国科学报》


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2021-12-01