מחקר ב־Physical Review Letters מציג שיטת תכנון קומבינטורית למטא־חומרים: שליטה במצבי תנועה ולולאות “מתוסכלות”, תגובה מדורגת ללחץ, ואף כפל מטריצה־וקטור באמצעות תזוזות מכניות בלבד
מחקר חדש של צוות בינלאומי בהובלת אוניברסיטת תל אביב מציע תשובה מפתיעה: כן, לפחות במובן ההנדסי-מכני. החוקרים מציגים דרך לתכנן מטא־חומרים כך שהמבנה שלהם אינו רק “חזק” או “גמיש”, אלא גם יודע לבצע תגובות מדורגות ללחץ, ובמקרים מסוימים אפילו לבצע פעולה מתמטית שימושית – כפל מטריצה־וקטור – באמצעות תזוזות מכניות בלבד. זהו צעד נוסף בתחום המתפתח של חישוב בחומר, שבו החומר עצמו “מגלם” לוגיקה וחישוב, ללא אלקטרוניקה וללא זרם חשמלי. (arXiv)
המחקר נערך בהובלת פרופ’ יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, ובהשתתפות תלמיד התואר הראשון תומר א’ סיגלוב, יחד עם חוקרים מהולנד. במאמר מתואר עיקרון תכנון “קומבינטורי” שמאפשר לבנות מראש מספר גדול מאוד של דפוסי תנועה בחומר – כמו ערכת לגו מכנית – ולהחליט לפי כללים גאומטריים פשוטים אילו אזורים יהיו “חופשיים לתנועה” ואילו יהפכו למעין מלכודות קשיחות של מאמץ ועיוות.
“ערכת לגו” של מצבי תנועה ולולאות מתוסכלות
לב העבודה היא הצעה של אבני בניין משולשות (במודל התיאורטי), שניתן לחבר בדרכים שונות כך שמתקבלים שני מצבים בסיסיים:
- מצבי תנועה חופשיים (floppy modes) – דפוסי עיוות שמאפשרים לחומר “לזוז” בקלות יחסית לאורך שרשראות או אזורים מסוימים.
- לולאות מתוסכלות (frustrated loops) – מצבים שבהם הגאומטריה יוצרת חוסר התאמה קינמטי: החומר “רוצה” להתעוות, אבל המבנה כופה סתירה פנימית, ולכן הוא ננעל ונעשה קשיח.
החידוש הוא לא רק עצם הזיהוי של התופעות האלה, אלא שיטת תכנון שמאפשרת ליצור מספר גדול כרצוננו של מצבי תנועה ולולאות כאלה, ולשלוט גם בצורה המרחבית שלהם. כך אפשר לתכנן מראש “איפה החומר יתקפל”, “איפה הוא יתנגד”, וכמה מסלולי תנועה יהיו לו – בלי להישען רק על ניסוי וטעייה או על אופטימיזציה חישובית כבדה.
תגובה מדורגת ללחץ
אחד היישומים שהחוקרים מדגימים הוא קריסה/קיפול בשלבים תחת דחיסה. במקום שחומר ייכשל בבת אחת, ניתן לעצב אותו כך שמצב תנועה אחד “ייפתח” ויתקפל ראשון, אחריו שני, וכן הלאה. המאמר מתאר שימוש במנגנון של buckling שמושפע גם מתכונות אלסטו־פלסטיות (כלומר שילוב של גמישות עם רכיב של עיוות בלתי הפיך), כדי להפריד בין שלבי הקיפול ולייצר סדר תגובה נשלט. תכונה כזו חשובה ליישומים כמו בלימת זעזועים ומיגון, שבהם רוצים לפזר אנרגיה לאורך זמן ובאופן צפוי.
חישוב בחומר: כפל מטריצה־וקטור בלי חשמל
כאן מגיע החלק שמסביר למה הכותרת “האם חומר יכול לחשב?” אינה רק מטאפורה. החוקרים מראים כיצד תכנון של שרשראות ולולאות במבנה יכול לממש כפל מטריצה־וקטור: מזינים תזוזות מכניות בנקודות “קלט”, ומקבלים תזוזות בנקודות “פלט” שהן צירוף ליניארי מוגדר מראש של הקלטים. זהו בדיוק לב הפעולה המתמטית שבה משתמשים שוב ושוב בלמידת מכונה, בעיבוד אותות ובמודלים פיזיקליים. הרעיון הוא לא להחליף מחשבים רגילים, אלא לפתוח אפשרות למערכות שבהן חישוב בחומר נעשה במקום שבו הכוחות כבר קיימים – למשל ברובוטיקה רכה, חיישנים פסיביים, או מנגנונים שפועלים ללא סוללה.
עוד בנושא באתר הידען:
