Bagaimana Anda bisa menggunakan sains untuk membangun rumah roti jahe yang lebih baik?
Itu adalah sesuatu yang banyak dipikirkan Miranda Schwacke. Mahasiswa pascasarjana MIT di Departemen Sains dan Teknik Material (DMSE) ini adalah bagian dari Kitchen Matters, sekelompok mahasiswa pascasarjana yang menggunakan makanan dan peralatan dapur untuk menjelaskan konsep ilmiah melalui video pendek dan acara sosialisasi. Topik sebelumnya mencakup mengapa coklat “menempel”, atau menjadi sulit untuk dikerjakan saat meleleh (spoiler: air masuk), dan cara membuat isomalt, gelas gula yang dilewati oleh pemeran pengganti dalam film aksi.
Dua tahun lalu, ketika kelompok tersebut membuat video tentang cara membangun rumah roti jahe yang memiliki struktur yang baik, Schwacke menjelajahi buku masak untuk mencari variabel yang akan menghasilkan perbedaan paling dramatis pada kue tersebut.
“Saya membaca tentang apa yang menentukan tekstur kue, dan kemudian mencoba beberapa resep di dapur saya hingga saya mendapatkan dua resep roti jahe yang saya sukai,” kata Schwacke.
Dia fokus pada mentega, yang mengandung air yang berubah menjadi uap pada suhu pemanggangan tinggi, sehingga menciptakan kantong udara di dalam kue. Schwacke memperkirakan bahwa mengurangi jumlah mentega akan menghasilkan roti jahe yang lebih padat, cukup kuat untuk disatukan sebagai sebuah rumah.
“Hipotesis ini adalah contoh bagaimana perubahan struktur dapat mempengaruhi sifat dan kinerja material,” kata Schwacke dalam video berdurasi delapan menit tersebut.
Keingintahuan yang sama tentang sifat dan kinerja material mendorong penelitiannya tentang tingginya biaya energi dalam komputasi, terutama untuk kecerdasan buatan. Schwacke mengembangkan bahan dan perangkat baru untuk komputasi neuromorfik, yang meniru otak dengan memproses dan menyimpan informasi di tempat yang sama. Dia mempelajari sinapsis ionik elektrokimia – perangkat kecil yang dapat “disetel” untuk menyesuaikan konduktivitas, seperti halnya neuron yang memperkuat atau melemahkan koneksi di otak.
“Jika Anda melihat AI secara khusus – untuk melatih model yang sangat besar ini – hal itu menghabiskan banyak energi. Dan jika Anda membandingkannya dengan jumlah energi yang kita konsumsi sebagai manusia saat mempelajari sesuatu, otak akan mengonsumsi lebih sedikit energi,” kata Schwacke. “Hal itulah yang memunculkan ide untuk menemukan cara-cara AI yang lebih terinspirasi dari otak dan hemat energi.”
Penasihatnya, Bilge Yildiz, menggarisbawahi hal ini: Salah satu alasan otak begitu efisien adalah karena data tidak perlu dipindahkan bolak-balik.
“Di otak, koneksi antar neuron kita, yang disebut sinapsis, adalah tempat kita memproses informasi. Transmisi sinyal ada di sana. Diproses, diprogram, dan juga disimpan di tempat yang sama,” kata Yildiz, Profesor Breene M. Kerr (1951) di Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir dan DMSE. Perangkat Schwacke bertujuan untuk meniru efisiensi tersebut.
Akar ilmiah
Putri dari ibu seorang ahli biologi kelautan dan ayah seorang insinyur listrik, Schwacke mendalami sains sejak usia muda. Sains “selalu menjadi bagian dari cara saya memahami dunia.”
“Saya terobsesi dengan dinosaurus. Saya ingin menjadi ahli paleontologi ketika besar nanti,” katanya. Namun minatnya meluas. Di sekolah menengahnya di Charleston, Carolina Selatan, dia mengikuti kompetisi robotika Liga Lego PERTAMA, membuat robot untuk menyelesaikan tugas seperti mendorong atau menarik benda. “Orang tua saya, terutama ayah saya, sangat terlibat dalam tim sekolah dan membantu kami merancang dan membuat robot kecil kami untuk kompetisi.”
Sementara itu, ibunya mempelajari bagaimana populasi lumba-lumba dipengaruhi oleh polusi untuk Badan Kelautan dan Atmosfer Nasional (National Oceanic and Atmospheric Administration). Hal ini mempunyai dampak yang bertahan lama.
“Itu adalah contoh bagaimana sains dapat digunakan untuk memahami dunia, dan juga untuk mengetahui bagaimana kita dapat memperbaiki dunia,” kata Schwacke. “Dan itulah yang selalu ingin saya lakukan dengan sains.”
Ketertarikannya pada ilmu material muncul kemudian, dalam program magnet sekolah menengahnya. Di sana, ia diperkenalkan dengan mata pelajaran interdisipliner, perpaduan antara fisika, kimia, dan teknik yang mempelajari struktur dan sifat material dan menggunakan pengetahuan tersebut untuk merancang material baru.
“Saya selalu menyukai bahwa hal ini dimulai dari sains yang paling dasar, di mana kita mempelajari bagaimana atom tersusun, hingga ke bahan padat yang berinteraksi dengan kita sehari-hari – dan bagaimana hal tersebut memberikan sifat-sifat yang dapat kita lihat dan mainkan,” kata Schwacke.
Sebagai senior, ia berpartisipasi dalam program penelitian dengan proyek tesis tentang sel surya peka warna, teknologi surya berbiaya rendah dan ringan yang menggunakan molekul pewarna untuk menyerap cahaya dan menghasilkan listrik.
“Apa yang mendorong saya adalah pemahaman, inilah cara kita beralih dari cahaya ke energi yang dapat kita gunakan — dan juga melihat bagaimana hal ini dapat membantu kita memiliki lebih banyak sumber energi terbarukan,” kata Schwacke.
Setelah sekolah menengah, dia pergi ke luar negeri ke Caltech. “Saya ingin mencoba tempat yang benar-benar baru,” katanya, di mana dia mempelajari ilmu material, termasuk material berstruktur nano yang ribuan kali lebih tipis dari rambut manusia. Dia berfokus pada sifat material dan struktur mikro – struktur internal kecil yang mengatur perilaku material – yang membawanya ke sistem elektrokimia seperti baterai dan sel bahan bakar.
Tantangan energi AI
Di MIT, dia terus mengeksplorasi teknologi energi. Dia bertemu Yildiz dalam pertemuan Zoom di tahun pertama sekolah pascasarjana, pada musim gugur 2020, ketika kampus masih beroperasi di bawah protokol Covid-19 yang ketat. Laboratorium Yildiz mempelajari bagaimana atom atau ion bermuatan bergerak melalui material dalam teknologi seperti sel bahan bakar, baterai, dan elektroliser.
Penelitian laboratorium mengenai komputasi yang diilhami otak memicu imajinasi Schwacke, namun ia juga tertarik pada cara Yildiz berbicara tentang sains.
“Ini tidak didasarkan pada jargon dan menekankan pemahaman yang sangat mendasar tentang apa yang sedang terjadi – bahwa ion menuju ke sini, dan elektron menuju ke sini – untuk memahami secara mendasar apa yang terjadi dalam sistem,” kata Schwacke.
Pola pikir itulah yang membentuk pendekatannya terhadap penelitian. Proyek awalnya berfokus pada sifat-sifat yang dibutuhkan perangkat agar berfungsi dengan baik — pengoperasian yang cepat, penggunaan energi yang rendah, dan kompatibilitas dengan teknologi semikonduktor — serta penggunaan ion magnesium sebagai pengganti hidrogen, yang dapat lepas ke lingkungan dan membuat perangkat tidak stabil.
Proyeknya saat ini, fokus dari tesis PhD-nya, berpusat pada pemahaman bagaimana penyisipan ion magnesium ke dalam oksida tungsten, oksida logam yang sifat listriknya dapat disetel secara tepat, mengubah hambatan listriknya. Dalam perangkat ini, tungsten oksida berfungsi sebagai lapisan saluran, di mana resistensi mengontrol kekuatan sinyal, seperti halnya sinapsis mengatur sinyal di otak.
“Saya mencoba memahami dengan tepat bagaimana perangkat ini mengubah konduktansi saluran,” kata Schwacke.
Penelitian Schwacke mendapatkan penghargaan MathWorks Fellowship dari School of Engineering pada tahun 2023 dan 2024. Beasiswa ini mendukung mahasiswa pascasarjana yang memanfaatkan alat seperti MATLAB atau Simulink dalam pekerjaan mereka; Schwacke menerapkan MATLAB untuk analisis dan visualisasi data penting.
Yildiz menggambarkan penelitian Schwacke sebagai langkah baru menuju pemecahan salah satu tantangan terbesar AI.
“Ini adalah elektrokimia untuk komputasi yang terinspirasi dari otak,” kata Yildiz. “Ini adalah konteks baru dalam bidang elektrokimia, namun juga memiliki implikasi energi, karena konsumsi energi komputasi meningkat secara tidak berkelanjutan. Kita harus menemukan cara baru untuk melakukan komputasi dengan energi yang jauh lebih rendah, dan ini adalah salah satu cara yang dapat membantu kita bergerak ke arah tersebut.”
Seperti karya perintis lainnya, karya ini juga memiliki tantangan, terutama dalam menjembatani konsep antara elektrokimia dan fisika semikonduktor.
“Kelompok kami berasal dari latar belakang kimia benda padat, dan ketika kami memulai penelitian ini untuk mempelajari magnesium, belum ada seorang pun yang pernah menggunakan magnesium dalam perangkat semacam ini sebelumnya,” kata Schwacke. “Jadi kami melihat literatur baterai magnesium untuk mendapatkan inspirasi dan materi serta strategi berbeda yang dapat kami gunakan. Saat saya memulai ini, saya tidak hanya mempelajari bahasa dan norma untuk satu bidang – saya mencoba mempelajarinya untuk dua bidang, dan juga menerjemahkan keduanya.”
Dia juga menghadapi tantangan yang lazim bagi semua ilmuwan: bagaimana memahami data yang berantakan.
“Tantangan utamanya adalah mampu mengambil data saya dan mengetahui bahwa saya menafsirkannya dengan cara yang benar, dan bahwa saya memahami maksud sebenarnya,” kata Schwacke.
Dia mengatasi rintangan dengan berkolaborasi erat dengan rekan-rekannya di berbagai bidang, termasuk ilmu saraf dan teknik elektro, dan terkadang hanya dengan membuat perubahan kecil pada eksperimennya dan mengamati apa yang terjadi selanjutnya.
Masalah komunitas
Schwacke tidak hanya aktif di lab. Di Kitchen Matters, dia dan rekan-rekan mahasiswa pascasarjana DMSE mendirikan stan di acara lokal seperti Cambridge Science Fair dan Steam It Up, sebuah program sepulang sekolah dengan aktivitas langsung untuk anak-anak.
“Kami membuat ‘pHun with Food’ dengan ‘fun’ yang dieja dengan pH, jadi kami menggunakan jus kubis sebagai indikator pH,” kata Schwacke. “Kami membiarkan anak-anak menguji pH jus lemon, cuka, dan sabun cuci piring, dan mereka bersenang-senang saat mencampurkan berbagai cairan dan melihat semua warna yang berbeda.”
Dia juga pernah menjabat sebagai ketua sosial dan bendahara kelompok mahasiswa pascasarjana DMSE, Dewan Materi Pascasarjana. Sebagai seorang sarjana di Caltech, dia memimpin lokakarya di bidang sains dan teknologi untuk Robogals, sebuah kelompok yang dikelola siswa yang mendorong perempuan muda untuk mengejar karir di bidang sains, dan membantu siswa dalam mendaftar ke Summer Undergraduate Research Fellowships di sekolah tersebut.
Bagi Schwacke, pengalaman ini mempertajam kemampuannya untuk menjelaskan sains kepada audiens yang berbeda, sebuah keterampilan yang ia anggap penting, baik saat ia presentasi di pameran anak-anak atau di konferensi penelitian.
“Saya selalu berpikir, dari mana audiens saya memulai, dan apa yang perlu saya jelaskan sebelum saya mulai melakukan apa yang saya lakukan sehingga semuanya masuk akal bagi mereka?” katanya.
Schwacke melihat kemampuan berkomunikasi sebagai hal penting dalam membangun komunitas, yang menurutnya merupakan bagian penting dalam melakukan penelitian. “Ini membantu dalam menyebarkan ide. Selalu membantu untuk mendapatkan perspektif baru tentang apa yang sedang Anda kerjakan,” katanya. “Saya juga berpikir hal ini membuat kami tetap waras selama meraih gelar PhD.”
Yildiz melihat keterlibatan komunitas Schwacke sebagai bagian penting dari resumenya. “Dia melakukan semua kegiatan ini untuk memotivasi masyarakat luas untuk melakukan penelitian, agar tertarik pada sains, untuk menekuni sains dan teknologi, namun kemampuan itu akan membantunya juga maju dalam penelitian dan upaya akademisnya.”
Setelah meraih gelar PhD, Schwacke ingin membawa kemampuan berkomunikasi dengannya ke dunia akademis, di mana dia ingin menginspirasi generasi ilmuwan dan insinyur berikutnya. Yildiz yakin dia akan berkembang.
“Saya pikir dia sangat cocok,” kata Yildiz. “Dia brilian, tapi kecemerlangan saja tidak cukup. Dia gigih, ulet. Anda benar-benar membutuhkan orang-orang di atas itu.”
