В последние годы крупные достижения в области нанотехнологий вдохновили на некоторые из самых инновационных прорывов в различных областях, включая разработку наномеханических резонаторов, таких как высокоточные датчики и приложения для квантовых сетей.

Теперь группа исследователей из Делфтского университета разработала один из самых передовых и точных наномеханических резонаторов, черпая вдохновение как в естественном, так и в виртуальном мире. Вдохновленная паутиной и управляемая машинным обучением, команда приступила к созданию устройства в форме паутины, которое будет демонстрировать режимы вибрации, изолированные от окружающей тепловой среды.

Одной из наиболее востребованных характеристик механического резонатора является шумоизоляция от тепловых сред, а именно в условиях комнатной температуры, где может преобладать термомеханический шум.

Д-р. Ричард Норте, Делфтский университет

Вдохновленный природой

Паутина имеет уникальную и сложную геометрию, что делает ее одной из самых известных и интригующих структур в природе. Несмотря на то, что их можно найти почти везде и везде, исследователи из различных областей, таких как материаловедение, физика и биология, по-прежнему открывают новые и новые особенности, касающиеся механики паутины.

О паутинах известно то, что они представляют собой исключительные надежные изолированные датчики вибрации. Пауки могут чувствовать свою запутавшуюся добычу через веб-дизайн. Они обнаруживают вибрации, исходящие изнутри сети, а не нарушения окружающей среды вокруг нее.

Чтобы помочь своей работе и приступить к разработке правильного типа наномеханического резонатора, команда использовала машинное обучение для оптимизации процесса с использованием алгоритма байесовской оптимизации.

В контексте разработки наномеханического резонатора из паутины ожидается, что байесовская оптимизация не только исследует пространство проектирования, чтобы найти новые колебательные режимы, которые вызывают мягкое зажатие при компактной конструкции, но и использовать их для достижения высоких показателей качества при низких частотный режим для данного размера резонатора.

Д-р. Ричард Норте, Делфтский университет

Байесовская эволюция

В то время как паутина является продуктом миллионов лет чрезвычайно сложной эволюции, байесовская модель оптимизации ускорила этот процесс и позволила исследователям быстро произвести расчеты, чтобы они могли упростить процесс проектирования своего сверхчувствительного устройства.

Получившаяся расчетная модель представляла собой упрощенную сетчатую структуру, состоящую из радиальных и боковых балок с соединениями между ними. Компьютерное моделирование также показало, что наномеханический резонатор может работать при комнатной температуре в условиях окружающей среды с высокой колебательной энергией.

Результаты также показали, что простая конструкция хорошо работает с чрезвычайно низкими уровнями воздействия окружающей среды, проникающего в резонатор. Это привело к тому, что команда изготовила ультратонкое устройство, продемонстрировавшее выдающиеся рабочие характеристики.

Команда была также удивлена ​​тем фактом, что потери энергии вне устройства были минимальными, поскольку вибрации оставались в основном ограниченными наномеханическим резонатором из паутины.

Функциональность наномеханического резонатора команды TU Delft может иметь серьезные последствия для области квантовых вычислений, особенно потому, что квантовые устройства обычно должны храниться при минусовых температурах (как можно более близких к абсолютному нулю), поскольку они супер чувствителен к окружающим условиям при комнатной температуре.

Однако затраты и методы, необходимые для хранения и эксплуатации квантовых устройств, означают, что их стоимость может оказаться слишком высокой. Следовательно, разработка стратегии, которая может открыть новое поколение наномеханических резонаторов, может помочь сформировать будущее квантовых вычислений.

Исследователи также заявляют, что стратегия проектирования может быть применена к широкому спектру геометрических фигур и задач проектирования, включая моделирование или эксперименты с низкой пропускной способностью. Они ожидают, что будущие разработки в области машинного обучения и оптимизации вместе с новыми технологиями производства могут привести к беспрецедентному развитию нанотехнологий в течение следующего десятилетия.

Ссылки и дополнительная литература

Шин, Д., Купертино, А., и др. ., (2021) Наномеханические резонаторы паутины через байесовскую оптимизацию: вдохновлены природой и руководствуются машинным обучением. Advanced Materials [online] p.2106248. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1002/adma.202106248[19459005visible

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.