超材料奇迹:Kirigami立方体开启了机械计算的未来

受kirigami结构的启发,研究人员开发了一种新型机械计算机,利用互连的聚合物立方体进行数据存储,而无需电子设备。
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该系统允许多个稳定状态,增强了二进制计算以潜在地包括额外的数据状态。该设计利用kirigami的原理,使复杂的数据存储和计算结构能够在机械加密和触觉系统中得到实际应用。
机械计算创新
北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种受kirigami启发的机械计算机,它使用刚性的复杂结构,相互连接的聚合物立方体来存储、检索和擦除数据,而不依赖于电子元件。该系统还包括一个可逆功能,允许用户控制何时允许数据编辑,何时应该锁定数据。该系统在6月26日发表在开放获取期刊《科学进展》上的一篇论文《具有稳定和高密度存储器的可编程和可重构机械计算元结构》中进行了描述。
机械计算机是使用机械部件而不是电子部件来操作的计算机。从历史上看,这些机械部件是杠杆或齿轮之类的东西。然而,机械计算机也可以使用多稳定结构来制造,这意味着它们有不止一种稳定状态 —— 想想任何可以折叠到不止一种稳定位置的东西。
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提高数据存储和复杂性
“我们对在这里做一些事情很感兴趣,”该研究论文的联合通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授尹杰(音译)说。“首先,我们感兴趣的是开发一种稳定的机械系统来存储数据。”
“其次,这项概念验证工作侧重于二进制计算功能,其中立方体要么向上推,要么向下推 —— 它要么是1,要么是0。但我们认为这里有潜力用于更复杂的计算,通过给定立方体被推到多高来传递数据。我们在这个概念验证系统中展示了多维数据集可以有五种或更多不同的状态。从理论上讲,这意味着给定的立方体不仅可以传递1或0,还可以传递2、3或4。”
设计灵感来自Kirigami
新型机械计算机的基本单元是1厘米的塑料立方体,由64个相互连接的立方体组成功能单元。这些单元的设计灵感来自kirigami,这是一种剪纸和折叠的艺术。尹杰和他的合作者将kirigami的原理应用到三维材料中,这些材料被切割成相互连接的立方体。
当任何一个立方体向上或向下推时,这将改变所有连接立方体的几何形状或结构。这可以通过物理地向上或向下推动其中一个立方体来实现,或者通过在功能单元的顶部附加一个磁板并施加磁场来远程向上或向下推动它。这些64个立方体的功能单元可以组合成越来越复杂的元结构,从而允许存储更多的数据或执行更复杂的计算。
这些立方体由橡皮筋细条连接起来。要编辑数据,必须更改功能单元的配置。这需要用户拉动元结构的边缘,这会拉伸弹性胶带,并允许你向上或向下推立方体。当你释放元结构时,胶带收缩,将立方体(和数据)锁定在适当的位置。
潜在的应用和未来的方向
该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员李彦斌(音译)说:“这种技术的一个潜在应用是,它允许用户创建三维的、机械的加密或解密。例如,功能单元的特定配置可以作为3D密码。
“而且信息密度相当高,”李说。“使用二元框架 —— 立方体要么向上要么向下 —— 一个由9个功能单元组成的简单元结构有超过362000种可能的配置。”
“但我们并不一定局限于二元语境,”尹杰说。“64个立方体的每个功能单元可以配置成各种各样的架构,立方体堆叠高达5个立方体。这使得计算的发展远远超出了二进制代码。我们这里的概念验证工作演示了这些体系结构的潜在范围,但是我们还没有开发利用这些体系结构的代码。我们有兴趣与其他研究人员合作,探索这些元结构的编码潜力。”
结论
研究人员表示:“我们也有兴趣探索这些元结构的潜在用途,以创建在三维环境中显示信息的触觉系统,而不是在屏幕上显示像素。”
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