Stel je kleding voor die je kan verwarmen of koelen, afhankelijk van hoe je je voelt. Of een kunsthuid die reageert op aanraking, temperatuur en automatisch vocht afvoert. Of cyborg handen aangestuurd met DNA-motoren die kunnen bijsturen op basis van signalen van de buitenwereld.
Welkom in het tijdperk van intelligente materie: een onconventioneel AI-computingidee dat rechtstreeks verweven is met het weefsel van synthetische materie. Aangedreven door op hersenen gebaseerd computergebruik, kunnen deze materialen de huid van zachte robots weven of microzwermen vormen van nanobots die medicijnen afleveren, terwijl ze kracht behouden terwijl ze leren en zich aanpassen.
Klinkt als sciencefiction? Het wordt vreemder. De crux die ons naar intelligente materie zal leiden, zei Dr. WHP Pernice van de Universiteit van Munster en collega's, is een verspreid "brein" over het "lichaam" van het materiaal - veel vreemder dan de structuur van onze eigen geest.
Stel je een verwarmde deken voor. In plaats van hem van stroom te voorzien met een enkele controller, zal hij overal computercircuits hebben. Dit computernetwerk kan dan een soort hersenachtig proces aanboren, genaamd "neuromorfe computers.” Dit technologische sprookjesstof verandert vervolgens een saaie deken in een deken die leert welke temperatuur je prettig vindt en op welke tijdstippen van de dag om je voorkeuren te voorspellen als een nieuw seizoen begint.
Oh ja, en als het gemaakt is van bouwstenen van nanoformaat, kan het ook de interne structuur herschikken om je informatie op te slaan met een ingebouwd geheugen.
"Het doel op lange termijn is gedecentraliseerd neuromorfisch computergebruik", zegt Pernice. Geïnspireerd door de natuur, kunnen we beginnen met het ontwikkelen van materie die wordt aangedreven door hersenachtige hardware, die draait AI over het hele materiaal.
Met andere woorden: Iron Man's Eindspel nanopak? Hier komen we.
Waarom intelligente materie?
Van raketten die ons zouden kunnen sturen naar Mars tot een effen katoenen T-shirt hebben we behoorlijk goed werk geleverd met materialen die we hebben ontwikkeld of geoogst. Maar dat is alles wat ze zijn: passieve materie.
De natuur daarentegen is rijk aan intelligente materie. Neem de menselijke huid. Het is waterdicht, laat slechts selectief enkele moleculen binnen en beschermt ons tegen druk, wrijving en de meeste bacteriën en virussen. Het kan zichzelf ook genezen na een kras of scheur, en het voelt de buitentemperatuur om ons af te koelen als het te warm wordt.
Hoewel onze huid niet in de traditionele zin 'denkt', kan ze informatie in een oogwenk naar de hersenen sturen. Dan gebeurt de magie. Met meer dan 100 miljard neuronen kunnen de hersenen massaal parallelle berekeningen uitvoeren in hun circuits, terwijl ze slechts ongeveer 20 watt verbruiken - niet veel anders dan de 13-inch Macbook Pro waarop ik momenteel typ. Waarom kan een materiaal niet hetzelfde doen?
Het probleem is dat onze huidige computerarchitectuur moeite heeft met het ondersteunen van hersenachtig computergebruik vanwege de energiekosten en vertragingen.
Voer neuromorfe computing in. Het is een idee dat het vermogen van de hersenen kaapt om gegevens tegelijkertijd te verwerken met minimale energie. Om daar te komen, herontwerpen wetenschappers computerchips van de grond af. In plaats van de huidige chips die rekenmodules scheiden van geheugenmodules, verwerken deze chips bijvoorbeeld informatie en slaan deze op dezelfde locatie op. Het lijkt misschien raar, maar het is wat onze hersenen doen bij het leren en opslaan van nieuwe informatie. Deze opstelling verkleint de behoefte aan draden tussen geheugen en rekenmodules, waarbij in wezen informatie wordt geteleporteerd in plaats van deze via een vastgelopen kabel te verzenden.
Het eindresultaat is massaal parallel computergebruik tegen zeer lage energiekosten.
De weg naar intelligente materie
Volgens Pernice en zijn collega's zijn er vier stadia die ons bij intelligente materie kunnen brengen.
De eerste is structureel - in feite uw alledaagse zaak die complex kan zijn maar de eigenschappen ervan niet kan veranderen. Denken 3D afgedrukt frames van een long of andere organen. Ingewikkeld, maar niet aanpasbaar.
Het volgende is responsieve materie. Dit kan zijn samenstelling verschuiven als reactie op de omgeving. Net als een octopus die zijn huidskleur verandert om zich voor roofdieren te verbergen, kunnen deze materialen hun vorm, kleur of stijfheid veranderen. Een voorbeeld is een 3D-geprinte zonnebloem ingebed met sensoren die bloeit of sluit afhankelijk van warmte, kracht en licht. Een andere is responsieve zachte materialen die kunnen rekken en aansluiten op biologische systemen, zoals een kunstmatige spier gemaakt van silicium die herhaaldelijk meer dan 13 pond kan uitrekken en optillen bij verwarming. Hoewel het een leuke truc is, past het zich niet aan en kan het alleen zijn voorgeprogrammeerde lot volgen.
Hoger in de voedselketen van intelligentie bevinden zich adaptieve materialen. Deze hebben een ingebouwd netwerk om informatie te verwerken, tijdelijk op te slaan en vanuit die feedback het gedrag aan te passen. Een voorbeeld zijn micro-zwermen van kleine robots die op een gecoördineerde manier bewegen, vergelijkbaar met scholen vissen of vogels. Maar omdat hun gedrag ook voorgeprogrammeerd is, kunnen ze niet leren van of onthouden van hun omgeving.
Ten slotte is er intelligent materiaal dat kan leren en onthouden.
"[Het] is in staat om te communiceren met zijn omgeving, te leren van de input die het ontvangt en zijn acties zelf te reguleren", schreef het team.
Het begint met vier componenten. De eerste is een sensor, die informatie van zowel de buitenwereld als de interne toestand van het materiaal vastlegt, denk aan een temperatuursensor op je huid. De volgende is een actuator, in feite iets dat de eigenschap van het materiaal verandert. Je huid bijvoorbeeld meer laten zweten naarmate de temperatuur stijgt. De derde is een geheugeneenheid die informatie voor de lange termijn kan opslaan en opslaan als kennis voor de toekomst. Ten slotte is de laatste een netwerk - Bluetooth, draadloos of wat dan ook - dat elk onderdeel verbindt, vergelijkbaar met zenuwen in onze hersenen.
"De nauwe wisselwerking tussen alle vier de functionele elementen is essentieel voor het verwerken van informatie, die wordt gegenereerd tijdens het hele proces van interactie tussen materie en de omgeving, om leren mogelijk te maken", aldus het team.
Hoe?
Hier komt neuromorfisch computergebruik om de hoek kijken.
"Vooral levende organismen kunnen worden beschouwd als onconventionele computersystemen", aldus de auteurs. "Programmeerbare en sterk onderling verbonden netwerken zijn bijzonder geschikt voor het uitvoeren van deze taken en hersengeïnspireerde neuromorfische hardwaredoelen."
De hersenen werken op neuronen en synapsen - de knooppunten die individuele neuronen in netwerken verbinden. Wetenschappers hebben een grote verscheidenheid aan materialen aangeboord om kunstmatige componenten van de hersenen te ontwerpen die in netwerken zijn verbonden. De tensorverwerkingseenheid van Google en TrueNorth van IBM zijn beide bekende voorbeelden; ze zorgen ervoor dat berekening en geheugen op dezelfde plaats kunnen plaatsvinden, waardoor ze bijzonder krachtig zijn voor het uitvoeren van AI-algoritmen.
Maar de volgende stap, zeiden de auteurs, is om deze mini-hersenen in een materiaal te verspreiden terwijl ze sensoren en actuatoren toevoegen, in wezen een circuit vormend dat het hele menselijke zenuwstelsel nabootst. Om snel te kunnen reageren, moeten we mogelijk andere technologieën aanboren.
Een idee is om licht te gebruiken. Chips die werken op optische neurale netwerken kunnen zowel rekenen als werken met de snelheid van het licht. Een andere is het bouwen van materialen die kunnen reflecteren op hun eigen beslissingen, met neurale netwerken die luisteren en leren. Voeg daarbij materie die fysiek van vorm kan veranderen op basis van input, zoals van water naar ijs, en we hebben misschien een bibliotheek van intelligente materie die meerdere industrieën zou kunnen transformeren, vooral voor autonome nanobots en levensechte protheses.
"Er is een grote verscheidenheid aan technologische toepassingen van intelligente materie te verwachten", aldus de auteurs.
Krediet van het beeld: ktsontwerp / Shutterstock.com
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
