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第一作者：Yuanyuan Yang

通訊作者：申亞京

通訊單位：香港科技大學(xué)

論文速覽

捕蠅草等植物擁有獨(dú)特的能力，能夠智能響應(yīng)各種外部刺激，確保成功捕獲獵物。它們沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為探索自然智能和構(gòu)建僅由材料構(gòu)成的智能系統(tǒng)提供了寶貴的洞見(jiàn)，但目前相關(guān)知識(shí)有限，實(shí)現(xiàn)此類(lèi)概念的工程化仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

借鑒捕蠅草因離子擴(kuò)散而產(chǎn)生的動(dòng)作電位，研究者提出了信號(hào)積累/衰減模型，并相應(yīng)地提出了一個(gè)基于液態(tài)金屬的邏輯模塊（LLM），該模塊基于液態(tài)金屬在氫氧化鈉緩沖溶液中的形狀變化運(yùn)行。

該模塊本身在不涉及任何其他電子組件的情況下展現(xiàn)出記憶和計(jì)數(shù)屬性，智能響應(yīng)各種刺激序列，并再現(xiàn)捕蠅草的最邏輯功能。我們還展示了并預(yù)測(cè)了其作為基于移動(dòng)窗口積分的高通濾波器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的人工突觸以及其他相關(guān)應(yīng)用的潛力。這項(xiàng)研究為理解自然中固有的智能及其通過(guò)物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)提供了新的視角，有望激發(fā)廣泛工程領(lǐng)域中邏輯設(shè)備的發(fā)展。

圖文導(dǎo)讀

圖1：展示了捕蠅草如何通過(guò)感應(yīng)毛接收機(jī)械刺激產(chǎn)生電信號(hào)，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中鈣離子濃度增加，以及液態(tài)金屬基邏輯模塊（LLM）的靈感來(lái)源和設(shè)計(jì)。

圖2：詳細(xì)描述了基于捕蠅草信號(hào)積累/衰減（SAA）模型的LLM設(shè)計(jì)，包括液態(tài)金屬在通道中的形狀變形機(jī)制和時(shí)間依賴(lài)性。

圖3：展示了液態(tài)金屬絲的形狀變形機(jī)制，包括電化學(xué)效應(yīng)引起的表面張力變化，以及液態(tài)金屬絲長(zhǎng)度變化與施加的門(mén)電壓之間的關(guān)系。

圖4：揭示了LLM的記憶和計(jì)數(shù)屬性，展示了液態(tài)金屬絲在短時(shí)間刺激下的形狀變化和記憶階段。

圖5：展示了LLM控制的人工捕蠅草系統(tǒng)，以及LLM在模擬生物信號(hào)動(dòng)作電位、作為高通濾波器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸方面的潛在應(yīng)用。

總結(jié)展望

本研究提出了一種受捕蠅草啟發(fā)的液態(tài)金屬基邏輯模塊（LLM），該模塊能夠模擬捕蠅草的智能捕食邏輯。

LLM利用液態(tài)金屬絲的形狀可變性，通過(guò)電場(chǎng)操控展現(xiàn)出記憶能力。通過(guò)電化學(xué)效應(yīng)，可以根據(jù)電壓觸發(fā)器及其先前形狀控制液態(tài)金屬絲的長(zhǎng)度。盡管當(dāng)前LLM設(shè)備存在一些限制，如較大的觸發(fā)持續(xù)時(shí)間和較大的物理尺寸，但通過(guò)進(jìn)一步研究，這些挑戰(zhàn)可以得到解決。

潛在的解決方案包括使用微加工制造方法減小設(shè)備尺寸、改變液態(tài)金屬的電特性的化學(xué)改性、優(yōu)化通道表面以降低液體流動(dòng)阻力、調(diào)整電極距離和液態(tài)金屬的表面張力，甚至探索具有自恢復(fù)屬性的替代材料。盡管展示的設(shè)備與實(shí)際產(chǎn)品之間仍有差距，但捕蠅草啟發(fā)的邏輯模塊的概念框架將激發(fā)智能組件設(shè)計(jì)的創(chuàng)意，并為邏輯設(shè)備的發(fā)展鋪平道路。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：A liquid metal-based module emulating the intelligent preying logic of flytrap

期刊：Nature Communications

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.zzhhcy.com/index.php/2024/04/23/bf9b61984a/

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