2 июл 2024 572

Механический компьютер использует кубики киригами вместо электроники

Исследователи из Северокаролинского университета разработали механический компьютер, вдохновленный искусством киригами. Он использует сложную структуру жестких, взаимосвязанных полимерных кубиков для хранения, извлечения и стирания данных без использования электронных компонентов. Система также включает обратимую функцию, которая позволяет пользователям контролировать, когда редактирование данных разрешено, а когда данные должны быть заблокированы.

Механические компьютеры работают с использованием механических компонентов вместо электронных. Исторически такие механические компоненты включали в себя рычаги или шестерни. Однако механические компьютеры также можно создавать с использованием мультистабильных структур, имеющих более одного устойчивого состояния — подобно тому, как фигурки киригами можно сложить в несколько устойчивых позиций.

У нас было несколько целей. В первую очередь, мы хотели разработать стабильную механическую систему для хранения данных.

Во-вторых, концептуально работа сосредоточена на бинарных вычислительных функциях, где кубик либо поднимается, либо опускается — это 1 или 0. Но мы считаем, что здесь есть потенциал для более сложных вычислений, где данные передаются высотой поднятого кубика. В рамках нашей концепции мы продемонстрировали, что кубики могут иметь пять или более различных состояний. Теоретически это означает, что кубик способен передавать не только 1 или 0, но также 2, 3 или 4

— Джи Йин, соавтор статьи и доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии в Северокаролинском университете.

Статья опубликована в журнале Science Advances. Соавтором статьи стал Хао Су, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии в Северокаролинском университете. В числе соавторов также числяться Шуанге Ю, Яоэ Хонг, Хайтао Цин и Фангджи Ци — аспиранты Северокаролинского университета.

Основные блоки нового механического компьютера — пластиковые кубики размером 1 сантиметр, объединенные в функциональные блоки, состоящие из 64 взаимосвязанных кубиков. Дизайн блоков вдохновлен искусством складывания бумаги киригами. Йин и его коллеги применили принципы киригами к трехмерным материалам, которые разрезаются на соединенные кубики.

Когда любой из кубиков поднимается или опускается, это меняет геометрию или архитектуру всей структуры. Этого добиваются физически поднимая или опуская один из кубиков, или прикрепив магнитную пластину к верхней части функционального блока и применяя магнитное поле для удаленного поднятия или опускания. Функциональные блоки из 64 кубиков могут быть объединены во все более сложные метаструктуры, что позволяет хранить больше данных или выполнять более сложные вычисления.

Кубики соединены тонкими полосками эластичной ленты. Для редактирования данных необходимо изменить конфигурацию функциональных блоков. Пользователям приходится тянуть за края метаструктуры, что растягивает эластичную ленту и позволяет поднимать или опускать кубики. Когда метаструктура отпускается, лента сжимается, фиксируя кубики.

Одним из потенциальных применений открытия является создание трехмерного механического шифрования или дешифрования. Например, определенная конфигурация функциональных блоков может служить в качестве 3D-пароля.

Плотность информации также впечатляет. Используя бинарную систему, где кубики либо подняты, либо опущены, простая метаструктура из 9 функциональных блоков обладает более чем 362 000 вариантов возможных конфигураций.

Мы не ограничены бинарным контекстом. Каждый функциональный блок из 64 кубиков может быть настроен в разнообразные архитектуры, где кубики могут быть сложены до пяти в высоту.

Это позволяет разрабатывать вычисления, выходящие далеко за рамки двоичного кода. Наша концепция демонстрирует потенциал этих архитектур, но мы еще не разработали код, который бы использовал их возможности. Мы были бы заинтересованы в сотрудничестве с другими исследователями для изучения потенциала данных метаструктур.

Мы также заинтересованы в исследовании потенциала практического применения этих метаструктур для создания тактильных систем, которые отображают информацию в трехмерном контексте, а не в виде пикселей на экране

— Джи Йин.