代爾夫特理工大學(xué)的研究團隊成功設(shè)計出世界上最精確的微芯片傳感器之一；該設(shè)備可以在室溫下運行。將納米技術(shù)和機器學(xué)習(xí)與大自然的蜘蛛網(wǎng)相結(jié)合，他們能夠使納米機械傳感器的振動與日常噪音完全隔離。這一突破發(fā)表在Nova 《先進材料》雜志上，對引力和暗物質(zhì)的研究以及量子互聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航和傳感領(lǐng)域具有重大意義。

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研究最小尺度的振動物體（例如傳感器或量子硬件中使用的振動物體）的最大挑戰(zhàn)之一是如何防止環(huán)境熱噪聲與其脆弱狀態(tài)相互作用。例如，量子硬件通常保持在接近絕對零的溫度（-273.15C），而這種特殊的冰箱每臺售價50 萬歐元。代爾夫特理工大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種網(wǎng)狀微芯片傳感器，該傳感器在隔離室溫噪聲的同時具有極好的諧振能力。他們的發(fā)現(xiàn)將使建造量子設(shè)備變得更便宜。

受自然界蜘蛛網(wǎng)的啟發(fā)并在機器學(xué)習(xí)的指導(dǎo)下，理查德·諾特（左）和米格爾·貝薩（右）在實驗室中展示了一種新型傳感器。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的理查德·諾特和米格爾·貝薩正在尋找將納米技術(shù)和機器學(xué)習(xí)結(jié)合起來的新方法。他們是怎么想到用蜘蛛網(wǎng)作為模型的想法的？諾特說：“我這樣做已經(jīng)十年了，在封鎖期間，我注意到我的陽臺上有很多蜘蛛網(wǎng)?！蔽乙庾R到蜘蛛網(wǎng)是非常好的振動探測器，因為它們測量網(wǎng)內(nèi)的振動來尋找獵物，而不是網(wǎng)外的振動，例如吹過樹的風(fēng)。那么，為什么不搭上數(shù)百萬年進化的順風(fēng)車，使用蜘蛛網(wǎng)作為超敏感設(shè)備的初始模型呢？ '

由于該團隊不知道蜘蛛網(wǎng)的復(fù)雜性，因此他們讓機器學(xué)習(xí)指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)過程。貝薩說：“我們知道實驗和模擬既昂貴又耗時，因此我們與我的團隊一起決定使用一種稱為貝葉斯優(yōu)化的算法，通過很少的嘗試找到一個好的設(shè)計。這項工作的共同第一作者Dongil Shin 隨后實現(xiàn)了計算機模型并應(yīng)用機器學(xué)習(xí)算法來尋找新的設(shè)備設(shè)計。

令研究人員驚訝的是，該算法從150 種不同的蜘蛛網(wǎng)設(shè)計中得出了一個相對簡單的蜘蛛網(wǎng)，僅由以欺騙性方式連接在一起的六根繩子組成。東吉爾的計算機模擬表明，該裝置可以在原子劇烈振動的室溫下工作，但從環(huán)境中泄漏的能量仍然非常低，換句話說，具有更高的質(zhì)量因子。通過機器學(xué)習(xí)和優(yōu)化，我們設(shè)法使理查德的蜘蛛網(wǎng)概念適應(yīng)這個更好的質(zhì)量因素。 '

基于這一新設(shè)計，共同第一作者Andrea Cupertino 構(gòu)建了一種微芯片傳感器，該傳感器具有超薄、納米厚的氮化硅陶瓷材料層。他們通過強制振動微芯片“網(wǎng)”并測量振動停止所需的時間來測試該模型。結(jié)果是驚人的：在室溫下打破了振動隔離記錄，微芯片網(wǎng)外部幾乎沒有能量損失：振動在內(nèi)部繞圈移動，而不接觸外部。這就像推某人一個秋千，讓他不停地蕩近一個世紀(jì)。

通過基于蜘蛛網(wǎng)的傳感器，研究人員展示了這種跨學(xué)科策略如何通過結(jié)合仿生設(shè)計、機器學(xué)習(xí)和納米技術(shù)，為科學(xué)的新突破開辟道路。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(chǔ)物理學(xué)具有有趣的影響：例如對超小力的探索，例如眾所周知難以測量的重力或暗物質(zhì)。研究人員表示，如果沒有大學(xué)的凝聚力資助，這一發(fā)現(xiàn)是不可能實現(xiàn)的，這導(dǎo)致了納米技術(shù)和機器學(xué)習(xí)之間的合作。