來(lái)自代爾夫特理工大學(xué)的一個(gè)研究小組成功地設計了世界上最精確的微芯片傳感器之一，該裝置可以在室溫下運行。他們將納米技術(shù)和機器學(xué)習與自然界的蜘蛛網(wǎng)結合起來(lái)，能夠使納米機械傳感器在與日常噪音極端隔離的情況下振動(dòng)。這一突破發(fā)表在《先進(jìn)材料》的新星期刊上，對引力和暗物質(zhì)的研究以及量子互聯(lián)網(wǎng)、導航和傳感領(lǐng)域有很大影響。
研究最小尺度的振動(dòng)物體，如用于傳感器或量子硬件的物體，最大的挑戰之一是如何保持環(huán)境熱噪聲不與它們的脆弱狀態(tài)發(fā)生作用。例如，量子硬件通常被保存在接近絕對零度(-273.15°C)的溫度下，這種特種冰箱的價(jià)格為50萬(wàn)歐元一臺。來(lái)自代爾夫特理工大學(xué)的研究人員創(chuàng )造了一種網(wǎng)狀的微芯片傳感器，在與室溫噪聲隔離的情況下能產(chǎn)生極好的共振，他們的發(fā)現將使建造量子設備的費用更加低廉。
領(lǐng)導這項研究的理查德-諾特和米格爾·貝薩正在尋找結合納米技術(shù)和機器學(xué)習的新方法。他們是如何想到用蜘蛛網(wǎng)作為模型的？諾特表示'我做這項工作已經(jīng)有十年了，在禁閉期間，我注意到我的陽(yáng)臺上有很多蜘蛛網(wǎng)。我意識到蜘蛛網(wǎng)是非常好的振動(dòng)探測器，因為它們要測量網(wǎng)內的振動(dòng)來(lái)尋找它們的獵物，而不是網(wǎng)外的振動(dòng)，比如風(fēng)吹過(guò)樹(shù)。因此，為什么不搭上數百萬(wàn)年的進(jìn)化的便車(chē)，用蜘蛛網(wǎng)作為一個(gè)超敏感設備的初始模型呢？'
由于該團隊對蜘蛛網(wǎng)的復雜性一無(wú)所知，他們讓機器學(xué)習來(lái)指導發(fā)現過(guò)程。貝薩表示：'我們知道實(shí)驗和模擬的成本很高，而且很耗時(shí)，所以和我的小組一起決定使用一種叫做貝葉斯優(yōu)化的算法，用很少的嘗試來(lái)找到一個(gè)好的設計。'這項工作的共同第一作者Dongil Shin隨后實(shí)現了計算機模型并應用機器學(xué)習算法找到了新的設備設計。
令研究人員驚訝的是，該算法在150種不同的蜘蛛網(wǎng)設計中提出了一個(gè)相對簡(jiǎn)單的蜘蛛網(wǎng)，它只由六根弦以一種欺騙性的方式組合起來(lái)。'Dongil的計算機模擬顯示，這種設備可以在室溫下工作，在室溫下原子振動(dòng)很大，但從環(huán)境中泄露進(jìn)來(lái)的能量仍然非常低，換句話(huà)說(shuō)，質(zhì)量系數更高。通過(guò)機器學(xué)習和優(yōu)化，我們設法使理查德的蜘蛛網(wǎng)概念適應這一更好的質(zhì)量系數。'
基于這種新的設計，共同第一作者安德烈·庫珀蒂諾(Andrea Cupertino)建造了一個(gè)微芯片傳感器，該傳感器帶有一層超薄的、納米級厚度的陶瓷材料--氮化硅。他們通過(guò)強行振動(dòng)微芯片'網(wǎng)'并測量振動(dòng)停止所需的時(shí)間來(lái)測試該模型。結果非常壯觀(guān)：室溫下的隔離振動(dòng)打破了紀錄，微芯片網(wǎng)的外面幾乎沒(méi)有能量損失：振動(dòng)在內部一圈移動(dòng)，不接觸外面。這好比在秋千上給人推一把，就可以讓他們不停地蕩上近一個(gè)世紀。
通過(guò)他們的基于蜘蛛網(wǎng)的傳感器，研究人員展示了這種跨學(xué)科戰略如何通過(guò)結合生物啟發(fā)設計、機器學(xué)習和納米技術(shù)，為科學(xué)領(lǐng)域的新突破開(kāi)辟了道路。這種新穎的范式對量子互聯(lián)網(wǎng)、傳感、微芯片技術(shù)和基礎物理學(xué)有著(zhù)有趣的影響：例如探索超小的力量，如眾所周知的難以測量的重力或暗物質(zhì)。據研究人員稱(chēng)，如果沒(méi)有大學(xué)的凝聚力資助，這一發(fā)現是不可能的，這導致了納米技術(shù)和機器學(xué)習之間的合作。