האם חומר יכול "לחשב"? מחקר חדש של צוות בינלאומי, בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, מציג דרך מפתיעה שבה מבנים מכניים פשוטים מתנהגים כמו קוביות לגו, ויכולים לבצע פעולות מתמטיות, להגיב בשלבים ללחץ ואפילו לשמש בסיס למחשוב מכני חסכוני באנרגיה.
המחקר, שפורסם בכתב העת Physical Review Letters, נערך בהובלת פרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, בהשתתפות התלמיד לתואר ראשון, תומר סיגלוב ובשיתוף חוקרים מהולנד. המחקר מציג שיטה חדשה לתכנון מטא-חומרים - חומרים מלאכותיים שתכונותיהם נקבעות בעיקר על ידי הצורה והמבנה שלהם, ולא על ידי החומר שממנו הם עשויים.
החוקרים פיתחו מעין "ערכת לגו" של אבני בניין משולשות, שניתן לחבר ביניהן בצורות שונות. חיבורים אלה קובעים האם אזור מסוים בחומר יהיה גמיש או "מתוסכל" - מצב שבו החומר היה רוצה להתעוות, אבל הגאומטריה לא מאפשרת לו. באמצעות כללים מתמטיים פשוטים, ניתן לתכנן מראש כיצד החומר יתנהג, כמה דרכי תנועה יהיו לו, ואיך הן ייראו.
גישת "הלגו המכני" מאפשרת לתכנן מראש חומרים עם התנהגות מורכבת, בלי צורך בסימולציות כבדות או ניסוי וטעייה. המשמעות היא שניתן "להרכיב" חומרים ייעודיים למשימות שונות - בלימת זעזועים, שינויי צורה מתוכננים או מחשוב מכני - באותה קלות שבה מרכיבים מודל מלבנים מוכנות. תפיסה זו מקרבת את עולם החומרים לשפת ההנדסה המודולרית, ופותחת דרך לפיתוח מהיר של דור חדש של מטא־חומרים חכמים.
צוות החוקרים הסביר כי אחד ההישגים המרשימים של העבודה הוא הדגמה של תגובה מדורגת ללחץ: החומר אינו קורס בבת אחת, אלא מתקפל שלב אחרי שלב בצורה מבוקרת. תכונה זו חשובה במיוחד ליישומים כמו בלימת זעזועים, מיגון והגנה מפני פגיעות. מעבר לכך, החוקרים הראו שניתן להשתמש במבנים הללו כדי לבצע כפל מטריצה-וקטור - פעולה מתמטית בסיסית בלמידת מכונה ובינה מלאכותית - באמצעות תזוזות מכניות בלבד, ללא חשמל או אלקטרוניקה
פרופ' שוקף אמר: "המחקר מדגים כיצד ניתן לבנות חומרים חכמים בשיטה המזכירה לגו מכני: במקום לעצב כל חומר מחדש מאפס, השתמשנו במספר קטן של אבני בניין משולשות פשוטות, שכל אחת מהן מתנהגת בצורה ידועה. כמו בלגו, החוכמה אינה באבן הבודדת אלא באופן החיבור ביניהן. שינוי קטן באופן הסידור יוצר הבדל גדול בהתנהגות הכוללת - גמישות, נוקשות, תגובה מדורגת ללחץ או אפילו ביצוע חישובים. בנוסף, העבודה שלנו מראה שחישוב לא חייב להתבצע רק בשבבים אלקטרוניים. אפשר 'להטמיע' לוגיקה וחישוב בתוך החומר עצמו".
גישה זו משתלבת בתחום מתפתח הנקרא "חישוב בחומר" (computing in materia), שעשוי להוביל בעתיד לרובוטים רכים, חיישנים חכמים ומערכות שפועלות לאורך זמן ללא מקור אנרגיה חיצוני. הפיתוח יתאים לרובוטים ולבניית מערכות טכנולוגיות.
