Questo 'materiale computazionale' è in grado di riconoscere le immagini

Un materiale piezoelettrico in grado di alimentarsi e di generare le proprie informazioni di calcolo da solo.
09 settembre 2016, 10:29am

Oggi associamo intuitivamente il termine computer a delle entità più o meno autosufficienti e in grado di processare informazioni in modo utile ed efficiente. I computer sono alimentati elettricamente e vengono assemblati con materiali come il silicio e il rame. Per la maggior parte di noi, in effetti, è difficile immaginare un'alternativa, ma un gruppo di ingegneri condivide la speranza di realizzare computer che esistano direttamente come materiali. Laddove siamo ormai disposti a immaginare tecnologie indossabili, tessili, che contengano un computer, per "materiale computazionale" dobbiamo immaginare che sia il tessuto stesso a essere il computer. Il computer e il materiale sono lo stessa—indistricabile—cosa.

Un team di ricerca dell'univeristà di Pittsburgh, guidato dall'ingegnere chimico Anna Balazs e l'ingegnere elettronico Steven Levitan, ha sviluppato una prima, seppur rudimentale, implementazione di questa idea: un materiale ibrido e capace di reagire a sollecitazioni esterne, in grado tanto di riconoscere pattern quando di autoalimentarsi. Il loro lavoro è descritto nell'ultimo numero della rivista open-access Science Advances.

Quello che Levitan e Balazs immaginano è una combinazione tra materiali che rispondano agli stimoli e delle tecniche computazione non-convenzionali sfruttabile per compiti di rilevazione e comunicazione. "Un modo per raggiungere questi obiettivi sarebbe quello di integrare le capacità di alcuni materiali conduttori non rigidi, come i gel oscillanti, affiancati a modelli di computazione, per esempio basati sull'oscillazione, adatti a sfruttare le proprietà caratteristiche dei materiali suddetti," spiegano gli autori nell'articolo.

Immagine: Yan Fang

Il materiale computazionale di Levitan e Balzs viene assemblato a partire da alcune unità funzionali composte di gel polimerici coperti da elementi piezoelettrici (PZ). Quando i gel, adeguatamente sollecitati, si deformano—nel momento in cui il materiale cambia forma in risposta a degli stimoli—vanno incontro a una reazione oscillatoria nota come reazione di Belousov-Zhabotinsky (BZ). In sostanza pulsano ritmicamente. Quando i gel iniziano a oscillare, trasmettono il moto meccanico agli elementi piezoelettrici, i quali lo convertono in elettricità. Questi elementi sono collegati tra loro tramite fili e formano un dispositivo che "rileva, reagisce e comunica", stando ai ricercatori.

Per il riconoscimento di schemi ricorrenti (pattern), il materiale riceve una "memoria" di certe configurazioni di numeri, codificate tramite polarità elettriche. Ciascuna interfaccia gel-piezoelettrica ospita una piccola carica e ogni specifica disposizione di cariche codifica informazioni utili. I pattern da riconoscere vengono sottoposti come input tramite rudimentali immagini di cifre, in cui ogni pixel corrisponde a una specifica interfaccia. Quindi, il numero "0", codificato come 60 pixel, attiverebbe 60 interfacce gel-piezoelettriche corrispondenti alla forma della cifra.

Il compito computazionale assegnato al materiale è di identificare correttamente quali pattern di attivazione delle interfacce corrispondano ai numeri che sono stati caricati in precedenza nella sua memoria come polarità. Semplicemente, quando le polarità memorizzate sono sincronizzate con un certo input, il risultato è una situazione di stabilità nell'intero sistema, interpretabile come riconoscimento della pattern.

La computazione, tuttavia, avviene lentamente, per il motivo fondamentale che le oscillazioni dalle quali dipende l'intero apparato si verificano lentamente (il loro periodo è lungo). Quindi, è difficile che i computer indossabili siano presto in grado di ricavare chiavi crittografiche. Tuttavia, in scenari in cui fenomeni a lungo termine—in particolare quelli coinvolti nel monitoraggio del corpo umano—vengono rilevati e analizzati, questo approccio dovrebbe portare a buoni risultati. Allo stesso modo, il materiale potrebbe trovare, in futuro, applicazioni interessati come pelle sintetica "sensibile" per robot.

Ora, stando a Levitan e Balaz, abbiamo almeno "la fondamentale prova sperimentale che è possibile creare materiali computerizzati."