חוקרים מאוניברסיטת תל אביב והמעבדה הלאומית לוס אלמוס בארה"ב פיתחו מטא-חומר מכני חדיש, שיכול לזכור את הסדר של הפעולות שבוצעו עליו, במידה רבה כמו מחשב שעוקב אחרי רצף של פקודות.
בניגוד לחומרים רגילים שמגיבים לפעולות שנעשות עליהם בצורה שאינה תלויה בסדר הפעולות, המטא-חומר החדש - שנקרא צ'אקו, על שם אתר ארכיאולוגי בניו-מקסיקו - מפגין התנהגות התלויה בהיסטוריה. בכך, הוא פותח כיוונים ליישומים מלהיבים באחסון זיכרון, רובוטיקה, ואפילו חישוב מכני.
פותח מטא-חומר חדש שיש לו זיכרון מכני סדרתי
(צילום: אוניברסיטת תל אביב)
המחקר נערך בהובלת צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב: חביבה סירוטה-כץ, ד"ר קארל מריגן, ופרופ' יאיר שוקף מהפקולטה להנדסה וכן דור שוחט ופרופ' יואב לחיני מהפקולטה מדעים מדויקים. כמו כן השתתף במחקר ד"ר קריסטיאנו ניסולי ממעבדת לוס אלאמוס בארה"ב. המחקר פורסם בכתב העת המדעי Nature Communications.
החוקרים הסבירו כי מטא-חומר הוא מבנה מתוכנן המורכב מאבני בניין' שהן הרבה יותר גדולות מאטומים או מולקולות. התכונות הפיזיקליות של מטא-חומרים נקבעות במידה רבה מהסידור של אבני הבניין האלו במרחב. המחקר הנוכחי עוסק במטא-חומר מכני המורכב ממערך של קורות גמישות, שיכולות להתכופף בקלות תחת לחץ. כדי לקבל תכונות ייחודיות, החוקרים בנו מטא-חומר עם תיסכול פנימי מובנה - כלומר בצורה בה הסידור הגיאומטרי של הקורות לא מאפשר לכל הקורות להגיב ללחיצה חיצונית כפי שהיו רוצות.
"החומר הזה הוא כמו מכשיר מכני לאחסון זיכרון, שיכול לזכור את רצף הקלטים שלו", מסביר דור שוחט, דוקטורנט באוניברסיטת תל אביב שהשתתף במחקר. "לכל אחת מאבני הבניין המכניות שלו יש שני מצבים אפשריים, ממש כמו ביט בודד של זיכרון".
הסוד מאחורי יכולות הזיכרון של צ'אקו טמון בתכנון הייחודי שלו, ששואב השראה מעיקרון התסכול הגיאומטרי המצוי במערכות מגנטיות, הידועות ביכולות שלהן לאגור מידע. בדומה לאופן שבו תסכול גיאומטרי יכול למנוע ממספר גדול של מגנטים להסתדר במצב פשוט, אבני הבניין של צ'אקו ממוקמות בצורה שמונעת מהן למצוא בקלות מצב מסודר ועם אנרגיה נמוכה. התסכול המבוקר הזה יוצר מספר עצום של מצבים שונים, אך דומים אנרגטית, ותכונה זו היא שמאפשרת לחומר לזכור את רצף הפעולות שהוא חווה.
"על ידי תכנון מדויק של גיאומטריית החומר, אנחנו יכולים לשלוט על הדרך בה הוא מגיב לכוחות חיצוניים", מוסיפה חביבה סירוטה-כץ, דוקטורנטית המעורבת במחקר. "זה מאפשר לנו ליצור התנהגויות מורכבות ולא מסודרות בתוך מבנה פשוט ומסודר".
2 צפייה בגלריה
"לכל אחת מאבני הבניין המכניות שלו יש שני מצבים אפשריים, ממש כמו ביט בודד של זיכרון". המטא-חומר
(צילום: אוניברסיטת תל אביב)
היכולת של צ'אקו לזהות רצפי פעולות מבוסס על האופי הלא-אַבֶּלִי שלו: סדר הפעולות משפיע על התוצאה. לדוגמה, היפוך של שתי יחידות בתוך החומר בסדר אחד יכול להוביל למצב סופי שונה מזה שנקבל אם נהפוך את אותן יחידות בסדר הפוך. הרגישות הזו להיסטוריה אפשרה לחוקרים לקודד מידע לרצף הפעולות, ולאחר מכן לקרוא את הזיכרון הזה על ידי התבוננות במצב הסופי של החומר.
החוקרים מסכמים כי המחקר מקשר בין עולמות המגנטיות והמכניקה. "מפני שלחומרים מגנטיים יש שלל התנהגויות ייחודיות שבדרך כלל לא מופיעות בחומרים מכניים, העקרונות התכנוניים מאחורי צ'אקו מציעים גישה חדשנית לקבלת חומרים מכניים עם תכונות ותגובות ראויות לציון. החוקרים מציעים שפיתוח עקרונות אלו יאפשר יצירת חומרים חכמים בעלי זיכרון ויכולות לבצע חישובים", הם אמרו.
