仿生蛛網打造新型室温微芯片傳感器

科技日報北京12月1日電 （實習記者張佳欣）受自然界蜘蛛網啓發，荷蘭代爾夫特理工大學研究人員將納米技術和機器學習相結合，成功設計出一種可在室温下工作的、極為精確的微芯片傳感器——“蛛網納米機械諧振器”。該設備屬於迄今世界上最精確的傳感器之一，能在與日常噪聲極端隔離的情況下振動，表現出超過10億的機械品質因數，是量子技術和傳感技術結合的典範。這一突破性成果發表在《先進材料》雜誌上，對引力和暗物質研究以及量子互聯網、導航和傳感領域都有重大意義。

當温度在絕對零度（約-273.15℃）以上時，由於電荷載流子的熱運動，所有電阻都具有噪聲，這種噪聲稱為熱噪聲。而研究微小物體振動（如傳感器或量子硬件中使用的振動物體）的最大挑戰之一是，如何防止環境熱噪聲與其脆弱狀態相互作用。例如，量子硬件通常保持在接近絕對零度的温度下，但使用這種設備的冰箱每台價格高達50萬歐元。

此次發明的網狀微芯片傳感器在室温中與噪音隔絕的情況下，共振效果極好。而且，這一發明將使建造量子設備的成本大大降低。

該研究的領導者之一理查德·諾特表示，蜘蛛網是很好的振動探測器，因為蜘蛛通過感知網內的振動來捕獵，而非風這樣的外部因素。“何不搭乘數百萬年進化之旅的便車，用蜘蛛網作為超靈敏設備的初始模型呢？”

研究人員利用貝葉斯優化算法研究複雜的蜘蛛網，並建立了計算機模型。令人驚訝的是，該算法從150種不同的蜘蛛網設計中提煉出一個相對簡單的模型。

計算機模型顯示，該設備可在室温下工作，且原子劇烈振動。通過機器學習和優化，研究人員成功地設計出了在室温環境下具有超低能量耗散的蛛網納米機械諧振器。

在這種新設計的基礎上，研究論文第一作者安德里亞·庫比蒂諾用超薄、納米厚的氮化硅陶瓷材料薄膜建造了一個微芯片傳感器。研究人員使微芯片“網”強力振動，並測量振動停止所需的時間來測試該模型，結果打破了室温下與環境熱噪聲隔離後的振動效果紀錄。這一微芯片網外幾乎沒有能量損失，振動都在內部呈圓圈運動，且不接觸外部。

“這有點像推了一下鞦韆，然後鞦韆就能不停地擺動將近一個世紀。”諾特説。