Zachte robots, kunstmatige huid, slimme kleding: zomaar wat toepassingen van intelligente materie. In Twente werken ingenieurs aan lerende materialen voor hersenimplantaten en snelle, energiezuinige AI-toepassingen. ‘We maken geen ingewikkeld netwerk van transistoren zoals in de traditionele elektronica, maar stoppen veel functionaliteiten in één en hetzelfde stukje materiaal.’
Stel, je wilt precies weten hoe een inktdruppel zich verspreidt wanneer die in een glazen kom met water valt. Je kent de natuurkundige wetten van de vloeistofdynamica en hoe een computer die uiterst precies kan uitrekenen. Je programmeert de computer en laat hem rekenen. Afhankelijk van de rekenkracht van de computer zal het uren of dagen kosten om het ingewikkelde vloeistofpatroon van de inkt in detail te berekenen.
Wanneer je nu daadwerkelijk een inktdruppel in een kom met water laat vallen, duurt het slechts enkele seconden voordat het vloeistofpatroon in detail zichtbaar is. Neem het beeld op met een hogesnelheidscamera en je bent veel sneller klaar dan de computer. Het fysieke proces zelf is te beschouwen als een vorm van een berekening, alleen geen symbolische berekening, zoals de computer doet.
Feynman
Al in 1967 formuleerde de beroemde natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman dit idee als volgt: ‘Waarom zou het een oneindige hoeveelheid logica moeten kosten om uit te vinden wat een klein stukje ruimte-tijd gaat doen?’
‘Laat materie zelf rekenen en je kunt veel tijd en energie besparen’, zo vat hoogleraar nanoelektronica Wilfred van der Wiel in een notendop de filosofie samen achter het maken van intelligente materialen. Want dat is het doel van zijn onderzoeksgroep in het BRAINS Center for Brain-Inspired Nano Systems aan de Universiteit Twente.
Berekeningen op een analoge manier
Intelligente materialen voeren berekeningen op een analoge manier in het materiaal zelf uit, in plaats van op een digitale manier in complexe elektronische schakelingen op een computerchip.
Het BRAINS Center neemt deel aan een onderzoeksprogramma van de Westfälische Wilhelms-Universität in Münster dat voor een periode van vier jaar tien miljoen euro van de Deutsche Forschungsgemeinschaft heeft gekregen voor de ontwikkeling van intelligente materialen. Van der Wiel heeft er speciaal een deeltijd-hoogleraarsaanstelling voor gekregen aan de Duitse universiteit.
200 graden onder het vriespunt
Van der Wiel leidt me rond in het lab waarin zijn postdocs, promovendi en masterstudenten experimenten met nanomaterialen uitvoeren. Preparaten die in het naastgelegen MESA+ NanoLab worden gemaakt, worden hier tot het uiterste getest bij temperaturen tussen kamertemperatuur en 77 kelvin, een krappe 200 graden Celsius onder het vriespunt. Hoeveel van de gemaakte preparaten werken goed? Hoe gevoelig zijn ze voor ruis? Hoe reageren ze op licht? Met welke trucs kunnen ze een korte- of langetermijngeheugen krijgen?
Wat is intelligent?
dat diverse logische poorten kan vormen.
Illustratie: Wilfred van der Wiel / UTwente
In de definitie van Van der Wiel en zijn collega’s is een materiaal intelligent wanneer het een sensorfunctie heeft, een actuatorfunctie, wanneer het een intern netwerk heeft dat voor terugkoppeling van signalen kan zorgen, en tenslotte wanneer het een geheugenfunctie heeft waardoor het kan leren van wat er in het verleden is gebeurd.
Eind juni van dit jaar publiceerden ze in het wetenschappelijke tijdschrift Nature hun visie op het maken van deze intelligente materialen en de mogelijke toepassingen waartoe dat kan leiden: ‘The rise of intelligent matter’ .
Stappen gezet
Intelligente materialen die aan deze definitie voldoen, zijn nog nooit in een lab gemaakt. Toch hebben Van der Wiel en zijn collega’s al belangrijke stappen gezet. Eigenlijk ontbreekt alleen de geheugenfunctie nog. In 2020 publiceerden ze, eveneens in Nature, over een nieuw adaptief materiaal dat handgeschreven cijfers met 96 procent nauwkeurigheid kan herkennen.
Dat is maar drie procentpunt minder dan de beste softwaresystemen van dit moment. Maar in het Twentse stukje adaptieve materie is het het materiaal zelf dat leert, niet software. Van machine learning naar material learning, zo luidt Van der Wiels slogan.
MEER LEZEN OVER INTELLIGENTE MATERIALEN?
Het hele verhaal is te lezen in het novembernummer van De Ingenieur. Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 % - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.
Openingsfoto: hoogleraar Wilfred van der Wiel in zijn onderzoekslab op de Universiteit Twente. Foto Universiteit Twente
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.