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宾夕法尼亚大学的工程师设计的超材料可以解积分方程。 超材料往往涉及复杂的复合结构。其中某些超材料甚至能操纵电磁波，这对自然材料来讲几乎是不可能的。对于美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的Nader Engheta 来说，超材料领域的更高目标是能够解方程。sciencedaily.com网站3月21日报道，《科学》杂志载文称，Engheta团队首次展示了一种可以解方程的超材料装置。这种“光子演算”装置的工作原理大致是：将参数编码到入射电磁波中，电磁波进入超材料装置后被其独特的结构所操控，然后以积分方程解的编码形式输出。 由于微波的波长较长，便于构建宏观尺度的设备，Engheta团队的概念验证实验是采用微波进行的。研究人员认为，实验“折射”出的原理也可以应用于光波，进而安装到微芯片中。Engheta等开发的超材料设备的功能与模拟计算机类似，但它不使用电，而是使用光。超材料设备可以解决复杂的积分方程，速度比其数字化对手快若干数量级，并且能耗更低。 这种方法起源于模拟计算。第一批模拟计算机使用物理元素（如滑块规则和齿轮组等）来解决数学问题。在20世纪中期，随着电子模拟计算机开始取代机械模拟计算机，电阻、电容和电感等逐渐成为主角。虽然电子模拟计算机可以同时处理大量信息，但它仅限于用于符合预先设计的问题。随着科技进步，可编程的数字计算机又逐步淘汰了电子模拟计算机。Engheta团队曾在《科学》杂志描述了光子微积分理论，展示超材料如何找到它的一阶或二阶导数。现在，Engheta等用物理实验验证了这个理论，并将其扩展到求解方程。Engheta说：“我们的设备包含一种具有特殊气孔分布的介电材料。团队成员喜欢叫它‘瑞士奶酪’。” “瑞士奶酪”是一种由数控铣床定形的聚苯乙烯塑料。研究人员Nasim Mohammadi Estakhri说：“控制电磁波与‘瑞士奶酪’的相互作用是解决问题的关键。只要系统能被正确组装起来，你就能从系统中得到积分方程的解。”Brian Edwards补充说：“这个装置是通过‘逆向设计’过程计算得到的。逆向设计法可以发现很多未知的结构。” 以设计音乐厅为例，设计人员可以写一个积分方程，录入参数代表扬声器或乐器位置与音量等，方程的其他部分表示音乐厅的几何形状和墙体材料——房间的特征可以用方程的核函数来表示。解出这个方程，就能得到音乐厅不同位置的音量了。宾夕法尼亚大学研究人员通过精确排布‘瑞士奶酪’上的气孔，实现了参数的物理方式表达。Engheta说“即使在概念验证阶段，设备的运算速度也是非常快的。微波实验表明，方程解可以在数百纳秒内得到。而进入光学层面，运算时间将缩短到皮秒。” Engheta认为，利用重写CD技术制作‘瑞士奶酪’超材料，有望使人们在家里自己设计和制造可重构模拟计算机。 原创编译：雷鑫宇 审稿：三水 责编：唐林芳 |
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