Ученые создали первый логический вентиль в мягком материале с помощью света

Исследователи из Университета Макмастера и Питтсбургского университета создали первый функционально полный логический вентиль NAND («И-НЕ») в мягком материале, используя только лучи видимого света. Открытие, опубликованное в Nature Communications, знаменует значительный прорыв в области «материалов, которые вычисляют».

Центральный сигнальный луч всегда направляется в образец. Входы A и B могут быть включены или выключены. После стабилизации лучей итоговая интенсивность используется для определения выхода. Ложный результат получается только когда выходной сигнал подвергается воздействию двух соседних лучей. Автор: Калайчелви Сараванамутту

«Эти материалы не только реагируют на свет, но и выполняют логическую операцию — это похоже на то, как материал "думает"», — сказала ведущий автор Фариха Махмуд, которая начинала изучать гели еще студенткой в Макмастере.

Исследователи продемонстрировали, что три луча света, направленные в специально разработанный гидрогель, могут выполнять операцию NAND — один из фундаментальных строительных блоков вычислений. Поскольку все другие цифровые логические вентили могут быть построены из NAND, это достижение устанавливает мягкие фотоотзывчивые материалы как реалистичную платформу для автономных систем с вычислительными способностями.

Как свет становится логикой

Материал в центре прорыва — это мероцианиновый гидрогель, который сжимается при освещении. Когда лазерный луч попадает в гель, локальное сжатие увеличивает показатель преломления, заставляя луч «самозахватываться» — сужаться и становиться ярче при прохождении через материал.

«С тремя лучами мы начали видеть последовательные паттерны взаимодействия, которые ранее были невидимы», — объяснила Махмуд. «Средний луч всегда тусклее, потому что он борется с обоими соседями. Это надежное поведение позволяет нам отобразить логическую операцию на мягком материале».

Калайчелви Сараванамутту подчеркнула: «Нас воодушевляет фреймворк, который это устанавливает. Мы показываем, что компьютерная логика может выполняться материалом через его собственную химию и физику. Это совершенно иной способ мышления о функциональности материалов».

Перспективы применения

Хотя эта система не может конкурировать с полупроводниковыми процессорами по скорости или плотности данных, ее последствия глубоки для областей, где материалы должны принимать решения самостоятельно:

• Мягкая робототехника
• Саморегулирующиеся медицинские устройства
• Датчики в труднодоступных средах
• Адаптивные материалы, которые реагируют и перенастраиваются

«Эти системы не нацелены заменить кремний — они нацелены имитировать удивительную автономию биологических материалов», — сказала соавтор Анна Балаж.

Исследование также устанавливает фреймворк, который может позволить нескольким логическим операциям происходить одновременно внутри одного образца геля.

Дополнительная информация: Fariha Mahmood et al, A functionally complete logic gate in a soft photoresponsive hydrogel, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64960-4

ИИ: В 2025 году это открытие открывает путь к созданию принципиально новых автономных систем, где сам материал становится вычислительным устройством. Особенно перспективным это выглядит для медицинских имплантов и мягкой робототехники, где традиционная электроника не всегда применима.