پژوهشگران دانشگاه UConn متامادهای قابل برنامهریزی طراحی کردند که میتواند به تعداد پیکربندیهایی دست یابد که بیش از تعداد اتمهای موجود در جهان باشد، و این فقط در یک چشمپوشی رخ میدهد.
تصویر هنری متاماد توسعهیافته توسط آزمایشگاه دکتر اسامه بیلال. (تشکر از ملیسکه کوگ)
آزمایشگاه مهندسی موجها برای مواد فوقالعاده و هوشمند (We‑Xite) به رهبری استادیار مهندسی اسامه ر. بیلال، متاماد قابل بازپیکربندیای را توسعه داده است که میتواند موجهای صوتی را کنترل کند — آنها را خم کند، خفه کند یا متمرکز سازد — در حالی که تنظیمات زمان واقعی با تقریباً غیرقابل محدود شدن شکلها امکانپذیر میشود.
کار آنها هماکنون در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است.
«متامواد مواد مصنوعی هستند که میتوانند ویژگیهای شگفتانگیزی بهدست آورند که بهراحتی در طبیعت یافت نمیشوند»، ملانی کیوگ، دانشجوی دورهٔ دکترا ’۲۲ (ENG) که اولین نویسندهٔ این مطالعه است، توضیح میدهد. در این مورد، تیم پژوهشی میخواست مادهای را توسعه دهد که بتواند موجهای صوتی را کنترل کند، در حالی که همزمان برای فرکانس و عملکرد قابل تنظیم باشد، و کاربردهای بالقوهای از تصویربرداری پزشکی تا عایقسازی صدا داشته باشد.
متاماد از ستونهای نامتقارن با یک یا چند سطح مقعر ساخته شده است — تقریباً شبیه به هستهٔ یک سیب. این ستونها در یک شبکهٔ ۱۱×۱۱ چیده شدهاند و موتورها جهت هر ستون را کنترل میکنند. این موتورها با دقت بالا تنظیم شدهاند و امکان تنظیم جهت بهصورت دورهای یکدرجهای را فراهم میسازند.
وقتی موجهای صوتی از این ماده عبور میکنند، از سطوح مقعر ستونها بازتاب مییابند. و چون هر ستون میتواند بهصورت جداگانه تنظیم شود، تقریباً بینهایت مسیر ممکن برای عبور موجهای صوتی از طریق این شبکه میتوان ایجاد کرد.
به این معناست که میتوان از این ماده برای تقویت اثر موجهای صوتی استفاده کرد، بهطوری که آنها را به یک نقطهٔ واحد متمرکز کند. چنین کاربردهایی در ابزارهای نازککار صوتی، روشهای تصویربرداری پزشکی مانند سونوگرافی، یا تکنیکهای درمانی هدفمند بسیار مفید است.
«تصور کنید مثلاً یک تومور مغزی — چیزی که میخواهید نابودی کنید، اما در عین حال نمیتوانید با چاقو به داخل آن بروید. حتی در ابتدا نمیتوانید با صدای بسیار شدید وارد آن شوید»، اسامه بیلال توضیح میدهد. «بنابراین باید موجهای با دامنهٔ بسیار کم داشته باشید که فقط بر یک نقطهٔ خاص متمرکز شوند و سپس از آن پراکنده شوند. به این ترتیب میتوانید تومور را تضعیف کنید، سنگ کلیوی را هدف بگیرید، یا ذرات ریز داخل بدن را که دسترسی مستقیم به آنها ممکن نیست، با استفاده از موجهای صوتی دستکاری کنید.»
برعکس، این متاماد توسعهیافته میتواند بهعنوان سکوی مطالعاتی برای بررسی مفاهیم بنیادی فیزیک موجها بهکار رود. یکی از نمونهها عایقهای توپولوژیک هستند، موادی که میتوانند الکتریسیته را فقط در مرزهای خود رسانده و از عبور در هسته جلوگیری کنند — مفهومی که چند سال پیش جایزهٔ نوبل فیزیک را دریافت کرد. تیم پژوهشی از این متامادها استفاده کرد تا صدا را بهنحوی مشابه کنترل کنند؛ به این معنی که میتوان موجهای صوتی را طوری هدایت کرد که در اطراف سطح ماده جریان یابند، بدون اینکه به داخل آن نفوذ کنند.
در مطالعهای دیگر، تیم از متامادها برای کاهش نیروی مقاوت بر اجسام در حال حرکت استفاده میکند، که بهمنظور کاهش مصرف انرژی و سوخت میباشد.
«این برای حوزهٔ ما یک دستاورد بزرگ است، زیرا معمولاً میتوان تنها چند حالت پایدار تنظیم کرد که ماده بتواند به آنها تنظیم شود، اما این مورد بهدلیل داشتن تعداد پیکربندیهایی که بیش از تعداد اتمهای جهان است، متفاوت است»، بیلال میگوید. «به همین دلیل این برای جامعهٔ ما اهمیت فراوانی دارد.»
کیوگ توضیح میدهد که تیم پژوهشی این ایده را برای استفاده از چرخدندهها یا موتورها جهت چرخاندن ستونهای جداگانه بهدست آوردند، زیرا میخواستند یک مشکل مهندسی پایدار را حل کنند: «بهطور سنتی، متامادها ثابت هستند، به این معنا که پس از ساختن نمیتوانند شکل خود را تغییر دهند». برای یک متاماد که صدا را دستکاری میکند، این به این معناست که تنها میتواند برای کنترل یک باند فرکانسی خاص «تنظیم» شود — که چندان انعطافپذیر نیست. یک متاماد ثابت حتی اگر با سایش و فرسایشی معمولی آسیب ببیند، ممکن است کاملاً بیاثر شود.
در مقابل، این متاماد «به شما اجازه میدهد که آن را بازجهتدهی یا تنظیم کنید بدون اینکه لازم باشد کل ماده را دوباره تولید کنید»، کیوگ میگوید.
و از آنجایی که موتورها میتوانند بهصورت الکترونیکی کنترل شوند، برنامهریزی ماده بهصورت زمان واقعی و مکرر آسان میشود، بهجای اینکه مجبور به بازتولید آن باشید.
یک نکتهٔ دیگر که این مقاله را منحصر به فرد میکند، جنبهٔ ترکیبی آن است؛ کیوگ توضیح میدهد که اثرات متاماد میتوانند حتی بیشتر با چرخاندن ستونها بهصورت ترکیبی کنترل شوند. دو، چهار یا تعداد بیشتری ستون که همزمان حرکت میکنند، یک «سوپرسل» را تشکیل میدهند که متغیرهای بیشتری برای مهندسان فراهم میکند تا با آنها بازی کنند.
«ما میتوانیم با این سکوی کار بسیاری از حقهها را اجرا کنیم»، بیلال میگوید. «سوپرسلها که با عدم تقارن ترکیب میشوند، به ما کمک میکنند فضای طراحی را حتی بیشتر گسترش دهیم. این یک رویکرد بسیار چندمنظوره برای تنظیم متامادهاست.»
دامنهٔ وسیع فضای طراحی چالشهایی را بهوجود میآورد — با اینکه تعداد پیکربندیهای ممکن ستونها بسیار زیاد است، محاسبهٔ دستی تأثیر هر کدام بر موجهای صوتی عملاً غیرممکن است. کیوگ با شوخی میگوید که اگر همیناکنون کار را آغاز کند، نوههای او هنوز در حال انجام محاسبات خواهند بود.
بیلال این سؤال را اینگونه مطرح میکند: «اگر بخواهید در میان تعداد اتمهای جهان مسیری را در پیش بگیرید، کدام را انتخاب میکنید؟»
تیم پژوهشی برای درک نحوهٔ انتشار صدا در ساختارهای مختلف ماده بهالگوریتمهای هوش مصنوعی و روشهای ابتکاری روی آورده است. «هدف نهایی داشتن مادهای کاملاً خودمختار است که هم توانایی و هم هوش بهینهسازی عملکرد خود را از طریق یادگیری ماشین داشته باشد»، بیلال میگوید. «این سکوی ماده ما را یک گام به هدف آزمایشگاهمان برای مهندسی موجها با استفاده از مواد فوقالعاده و هوشمند نزدیکتر میکند.»
سفری که سالها طول کشید
سفر همکاری کیوگ و بیلال از زمانی آغاز شد که کیوگ هنوز دانشجوی رشتهٔ کارشناسی بود و دورهٔ ارتعاشات بیلال را گذشت. او پژوهش را در آزمایشگاه «We‑Xite» بیلال آغاز کرد و توسط یک استاد دیگر به شدت توصیه شد.
کیوگ میگوید که ابتدا پس از فارغالتحصیلی به سمت صنعت متمایل بود. اما در طول تجربهٔ پژوهشیاش متوجه شد که کار در آزمایشگاه اغلب «چندین سال پیشروی» نسبت به راهحلهای اجرایی در صنعت دارد.
«من دوست دارم در لبهٔ پیشرفت باشم»، میگوید.
«سالهاست که در آزمایشگاهمان سعی میکنیم مواد را برنامهریزی کنیم تا دارای عملکرد خاصی باشند، اما همیشه بهعلت تعداد محدود امکانپذیرهای تنظیم، محدود بودهایم»، بیلال میگوید. «وقتی این پروژه را با ملانی شروع کردم، به او گفتم که محدودیتی در تعداد موتورها وجود دارد که میتوانیم کنترل کنیم. اتفاق این شد که ملانی، که در الکترونیک بسیار مهارت داشت، او در آزمایشگاه نشست و تمام مدارهای این سکوی کار را ساخت. این یک پروژهٔ بسیار بزرگ بود — لازم بود ستونها را بهنحوی بسیار دقیق و خاص استکبندی کنیم و هر یک از آنها را کنترل کنیم. او این کار را به بهترین شکل ممکن انجام داد.»
«به نظر من، این همان چیزی است که UConn بهدنبال آن است»، او اضافه میکند. «آموزش مهندسین جوان برای رشد و تبدیل شدن به دانشمندان حرفهای و در سطح جهانی، یکی از ارزشمندترین جنبههای استاد بودن است.»