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Neues Material ist in der Lage zu "denken

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Rekonfigurierbare integrierte Schaltkreise verleihen einem Polymermaterial die Fähigkeit, sensorische Informationen zu verarbeiten und auf äußere Reize ähnlich wie ein Mensch zu reagieren.

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Forscher haben ein Material entwickelt, das bestimmte Arten von externen Reizen in "Gedanken" umwandeln kann, die denen des menschlichen Gehirns ähneln, so die Forscher.

Mitarbeiter der Penn State und der U.S. Air Force - unter der Leitung des leitenden Prüfers und Professors für Maschinenbau Ryan Harne - haben das weiche Polymermaterial entwickelt, das als rekonfigurierbare Alternative zu integrierten Schaltkreisen funktioniert, die für die Informationsverarbeitung entscheidend sind, so die Forscher. Integrierte Schaltkreise sind in der Lage, Signale und Informationen zu berechnen, was nach Ansicht der Wissenschaftler der Informationsverarbeitung ähnlich ist wie die Rolle des Gehirns im menschlichen Körper, so die Forscher. Bisher wurden integrierte Schaltkreise hauptsächlich zur Verarbeitung von Daten in Silizium-Halbleitern verwendet, fügten sie hinzu.

Das Team um Harne hat nun integrierte Schaltkreise in einem weichen Polymermaterial eingesetzt, das wie ein Gehirn funktioniert, das digitale Informationsketten empfangen und verarbeiten kann. Das Ergebnis sind neue digitale Informationssequenzen, die Reaktionen steuern können, so Harne.

das Ergebnis sind neue digitale Informationssequenzen, die Reaktionen steuern können", so Harne. "Wir haben das erste Beispiel für ein technisches Material geschaffen, das gleichzeitig mechanische Belastungen wahrnehmen, denken und darauf reagieren kann, ohne dass zusätzliche Schaltkreise zur Verarbeitung solcher Signale erforderlich sind", so Harne in einem Bericht auf der Website der Penn State.

Wie das Material funktioniert

Die Forscher bauten auf früheren Arbeiten auf, um das neuartige Material zu entwickeln, das rekonfigurierbare Schaltkreise enthält, die kombinatorische Logik realisieren können. Das Team hatte bereits ein weiches, mechanisches Metamaterial entwickelt, das "denken" kann, wie Kräfte auf es einwirken, und mit Hilfe von programmierten Materialien reagieren kann, was letztes Jahr in einem Artikel in Nature Communications beschrieben wurde. Dieses Material konnte jedoch nur mit binären Eingabe-Ausgabe-Signalen arbeiten und keine logischen Operationen auf hoher Ebene berechnen, so die Forscher.

Das neue Material bietet dank rekonfigurierbarer Schaltkreise viel mehr Funktionalität, so die Forscher. Die Schaltkreise geben dem Material die Fähigkeit, auf externe Reize zu reagieren, indem sie den Input in elektrische Informationen umwandeln, die dann verarbeitet werden, um Ausgangssignale zu erzeugen. So kann das Material beispielsweise mechanische Kraft nutzen, um komplexe arithmetische Berechnungen durchzuführen, oder Radiofrequenzen erkennen, um spezifische Lichtsignale zu übermitteln, so Harne. Dies sind nur zwei der vielen Möglichkeiten für das Material, da integrierte Schaltkreise so programmiert werden können, dass sie zahlreiche Aufgaben erfüllen, sagte er.

"Wir haben entdeckt, wie man Mathematik und Kinematik - wie sich die einzelnen Bestandteile eines Systems bewegen - in mechanisch-elektrischen Netzwerken nutzen kann", so Harne in dem Bericht. "Dadurch konnten wir eine grundlegende Form der Intelligenz in technischen Materialien realisieren, indem wir eine vollständig skalierbare Informationsverarbeitung ermöglichten, die dem weichen Materialsystem innewohnt."

Material 'denkt' wie ein Mensch

Das Material verwendet einen ähnlichen "Denk"-Prozess wie der Mensch, wenn es um sensorische Informationen geht, erklärte Harne. Während unsere Reaktionen auf äußere Reize automatisch zu erfolgen scheinen, müssen die Nerven im Körper die sensorischen Informationen digitalisieren, damit elektrische Signale an das Gehirn weitergeleitet werden können. Sobald das Gehirn diese Informationssequenz empfängt, bewertet es sie und teilt dem Körper mit, wie er reagieren soll, was zu einer automatischen oder reflexartigen Bewegung führt.

"Was den Menschen intelligent macht, ist seine Fähigkeit, Informationen, die wir über unsere Sinne erhalten, zu beobachten und darüber nachzudenken, wie wir darauf reagieren können", so Harne in dem Artikel.

Damit Materialien Informationen auf ähnliche Weise verarbeiten und darüber nachdenken können, müssen sie dieselben komplizierten internen Berechnungen durchführen, sagte er. Wenn die Forscher ihr technisches Material mechanischen Informationen aussetzen, d. h. einer Kraft, die das Material verformt, digitalisiert es die Informationen zu Signalen, die sein elektrisches Netzwerk weiterleiten und bewerten kann

Die Forscher veröffentlichten einen Artikel über ihre Arbeit in der Zeitschrift Nature.

Mögliche Anwendungen für das Material sind die Schaffung autonomer Such- und Rettungssysteme oder sogar biohybride Materialien, die Krankheitserreger in der Luft identifizieren, isolieren und neutralisieren können.

Die Forscher planen, das Material so weiterzuentwickeln, dass es visuelle Informationen auf ähnliche Weise verarbeitet, wie es derzeit physikalische Signale verarbeitet, erklärte Harne.

"Wir übersetzen dies derzeit in ein Mittel zum 'Sehen', um den Sinn des 'Berührens' zu erweitern, den wir derzeit geschaffen haben", sagte er in dem Bericht. "Unser Ziel ist es, ein Material zu entwickeln, das die autonome Navigation durch eine Umgebung demonstriert, indem es Zeichen sieht, ihnen folgt und einer ungünstigen mechanischen Kraft ausweicht, etwa wenn jemand auf es tritt."