Исследователи используют «умные» резиновые конструкции для выполнения вычислительных задач

Исчезновения и лавины.(А) Бистабильные области, встроенные в материал, действуя как взаимодействующие искицы.(Б) Экспериментальная реализация одного гистерона.(C) Экспериментальная кривая силы -смещения.(D) Кривая силового размещения билинейного гистерона.(E) Эксперимент, показывающий три последовательно связанных механических гистеров, которые подвергаются лавине.(F) Посеоссудно связанные механические искачители удовлетворяют балансу силы и ограничению геометрической длины.Кредит: Материалы Национальной академии наук (2024).Doi: 10.1073/pnas.2308414121

Без электроники, выполняющей вычислительные задачи, наша повседневная жизнь выглядела бы совершенно иначе.Такие устройства, как лифты, торговые автоматы, турнины, стиральные машины и даже светофоры, используют простую форму электронных вычислений для перехода с состояния на состояние.Но что, если источник питания не доступен для работы с этими устройствами?

Исследовательская команда, возглавляемая Мартином Ван Хекке из Университета Лейдена и Амолька, теперь продемонстрировала, как умные резиновые структуры могут выполнять такие вычислительные задачи.«Теперь мы знаем, как разработать простые материалы, чтобы они могли обрабатывать информацию».

Исследование было опубликовано в процессах Национальной академии наук 20 мая.

В электронике цифровые биты используются для выполнения расчетов, включающих сложные схемы, состоящие из многих элементов.Исследователи нашли альтернативную стратегию для вычисления, используя тонкие резиновые элементы в качестве механических битов и собирая несколько бит вместе в «метаматериале».Но чтобы заставить эти материалы работать как машины, они обнаружили, что ключом является контроль взаимодействия между этими отдельными битами.

В качестве первого примера исследовательская группа создала резиновый компьютер, который может выступать в качестве двухбитного двоичного счетчика, как показано в сопровождающем фильме, в результате чего растяжение метаматериала заставляет его учитывать «00» до «11», и обратно к ».00 ”, выпустив его.

Команда использует предварительно прорезированные резиновые балки в качестве механических битов, опосредуя взаимодействия, соединяя их.Таким образом, информация может храниться и обрабатываться.Подсчет является важным примером простой так называемой конечной машины, и это резиновое устройство, например, может использоваться для управления движением ног простого робота.

Турнины и комбинированные замки

«Значительный экспериментальный прорыв произошел в прошлом месяце до моего возвращения в Китай во время пандемии», - говорит исследователь Цзингран Лю, который в то время был приглашенным доктором наук.Студент в Университете Лейден и Амольф, а теперь является постдоком в Мадриде.«Мы вдруг поняли, как разработать более сложную трехбитную систему, и в течение нескольких дней мы сделали четыре рабочего образца».

Исследователи быстро поняли, что такие трехбитные метаматериалы были гораздо более мощными, чем двухбитные предшественники.«В зависимости от того, как манипулируются этими образцами, они могут выполнять семнадцать различных простых расчетов», - объясняет Амольф Постдок Лишуай Джин.

Например, метаматериалы могут повторить функциональность турникета.«Туринка управляет входом с его вращающимися руками - отключение и разблокирование в ответ на вставку монет и толчок от клиентов. Наши метаматериалы могут подражать этому механизму посредством определенной последовательности состояний и вождения импульсов», - говорит Джин.Кроме того, резиновый компьютер также можно использовать для комбинированной блокировки или торговой автомагистрали и многого другого.

«Наша работа показывает, что сложные вычисления могут быть выполнены умными метаматериалами, который полностью отличается от традиционных вычислений», - говорит Лю.«Что я нахожу очень захватывающим, так это то, что наши принципы не ограничиваются механиками. Более того, сложные эффекты памяти, которые важны для физики, но трудно изучать, теперь могут использоваться для чего -то чрезвычайно полезного: эффективного вычисления».

Больше информации: Jingran Liu и др., Контролируемые пути и последовательная обработка информации в серийно связанных механических искисках, Материалы Национальной академии наук (2024).Doi: 10.1073/pnas.2308414121