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声学

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模拟计算机可以使用声音进行快速计算

02 Apr 2018
使用声音进行图像检测
边缘:计算显示了声学系统如何用于检测包含字母“ EPFL”的图像的边缘

有人提出了一种基于声学超材料的紧凑型模拟计算机。 法尔扎德·赞格纳·内贾德罗曼·弗勒里(Romain Fleury) 在瑞士洛桑的联邦理工学院(EPFL)工作。他们已经表明,该系统应该能够进行快速区分,集成和即时图像处理,并且两人相信,将来它可以实现更多令人印象深刻的壮举。

模拟计算机使用涉及诸如光,电流或机械系统等物理实体的交互来执行特定的计算。一些最复杂的模拟计算机是在20年代初至中期开发的 世纪帮助指导火炮和空中轰炸袭击。

尽管数字计算机的出现使这些计算机已经过时,但由于对称为超材料的人造材料的不断研究,它们现在正在复苏。这些材料可以进行工程设计,以新的方式操纵通过它们的光波或声波,从而为新型模拟计算机打开了大门。

 Subtle engineering

Zangeneh-Nejad解释说:“超材料是由周期性的亚波长夹杂物组成的人造结构,可以对其进行巧妙地设计,以提供整体材料所需的宏观特性。”

超材料已经被用于创建模拟计算机,该计算机操纵电磁波以执行数学运算。 Zangeneh-Nejad和Fleury着手设计一种与这些光学计算机相当的设备,但使用的是声波。但是,声波的独特特性意味着研究人员首先需要仔细考虑如何设计其超材料。

“通常,当声音入射到坚硬的墙壁上时,它会受到反射而不会受到任何特定的变换,唯一发生的是传播方向的变化,” Fleury说。 “我们的超材料能够在声波被反射时直接在飞行中无延迟地执行复杂的信号处理任务。它可以立即实现这一目标,而无需将[声音]转换为电信号。”通过他们的计算,物理学家发现了他们超材料的物理性质。 “它要求自然界中不存在的非常特殊的声学特性:其声学折射率大于空气的折射率,” Fleury解释说。

无需变换

所提出的设备的重要特征是它直接在空间域中执行操作。先前的基于超材料的计算机已经在频率或傅立叶域中工作,需要庞大的傅立叶变换子块将信号转换为空间域。新的超材料不需要这些额外的元素。 “在我们的计算系统中,选择的数学运算符是使用称为高折射率声学平板波导的超材料直接在空间域中执行的,” Zangeneh-Nejad解释说。

二人组展示了他们的设备如何执行区分和集成以及即时图像检测。写在 预印于 arXiv,他们解释了如何将其下一代设计用于解决更复杂的微分方程式,例如Schrödinger方程式。 Zangeneh-Nejad说:“我们展示了如何简单地通过级联越来越多的平板波导来构造更复杂的算符,例如二阶微分器。”重要的是,研究人员已经解决了由声学超材料制成的计算设备可能与当前的计算基础架构完全兼容的问题。 “我们的系统不包含任何傅立叶大块透镜,高度小型化,并且可以集成到紧凑型架构中,并且可以在实践中轻松实现。”

现在,物理学家将进一步探索其波导以比传统计算机更快的速率执行计算的能力。 “我们正在研究超材料在压缩传感,超快速方程求解,神经网络以及需要实时和连续信号处理的各种其他应用中的应用,” Fleury解释说。他们的设备还具有探索复杂生物系统动力学的潜力,从而可以在医学上取得新进展。正如Zangeneh-Nejad所说,“我们的系统可以探索人脑以及其他许多自然系统(如DNA,膜和蛋白质-蛋白质相互作用)的计算过程”。

 

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