2024年的機械計算機：操作像魔方，還上了Science子刊
提起機械計算機，很多人可能以為只能在博物館看到。這種計算機使用機械部件來處理信息，其歷史比傳統(tǒng)電子計算機更長。古老的機械計算機可以追溯到 19 世紀，通常由齒輪和杠桿組成，體積非常龐大。
但最近，北卡羅來納州立大學的一項研究打破了這一刻板印象，他們在 2024 年還在研究機械計算機，而且相關成果登上了 Science 子刊。
上面這張圖就是他們做出來的成品，它使用剛性、互連的聚合物立方體的復雜結構來存儲、檢索和擦除數(shù)據(jù)，而無需依賴電子元件。該系統(tǒng)還包括一個可逆功能，允許用戶控制何時允許編輯數(shù)據(jù)以及何時應將數(shù)據(jù)鎖定在原位。
具體來說，新機械計算機的基本單元是 1 厘米的塑料立方體，這些立方體被組合成由 64 個相互連接的立方體組成的功能單元。立方體的上升或下降可以表示「0」或「1」。使用這種二進制框架，即立方體上升或下降，一個簡單的由 9 個功能單元組成的元結構有超過 362,000 種可能的配置。
這種機械計算機的一個潛在應用是創(chuàng)建三維的機械加密或解密系統(tǒng)。例如，特定配置的功能單元可以作為 3D 密碼。
研究者表示，這項研究的設計靈感來源于一門古老的剪紙藝術（kirigami）—— 通過巧妙地切割和操縱一張紙，可以創(chuàng)造出迷人的裝飾品。就像下面所展示的。
3D 金字塔卡片。圖源：https://www.pinterest.com/pin/3d-pyramid-cardpyramid-pop-up-cardpaper-craft-artkirigamiorigami3d--857654322810750175/
當其中一塊立方體被向上或向下推時，所有與之相連的立方體的幾何形狀（或結構）隨之發(fā)生變化。這可以通過物理上的向上或向下推其中一個立方體來實現(xiàn)：
施加力讓立方體移動
也可以通過將磁板連接到功能單元的頂部并施加磁場來遠程向上或向下推動來實現(xiàn)：
施加磁場讓立方體移動
由 64 個立方體組成的功能單元可以進一步組合在一起形成越來越復雜的元結構，從而可以存儲更多數(shù)據(jù)或進行更復雜的計算。
每個立方體之間由薄薄的彈性膠帶連接，用戶編輯數(shù)據(jù)的時候，隨著立方體的拉動，彈性膠帶開始延伸，當釋放元結構時，彈性膠帶會收縮，讓立方體回歸原位，類似于機械式的數(shù)據(jù)存儲和編輯。
除了開發(fā)一種穩(wěn)定的機械系統(tǒng)來存儲數(shù)據(jù)，研究者認為這款機械計算機還有更復雜的計算潛力，因為數(shù)據(jù)是通過給定立方體被推上去的高度來表示的。因而他們證明了立方體可以有五種或更多不同的狀態(tài)。這意味著給定的立方體不僅可以傳達 1 或 0，還可以傳達 2、3 或 4。
整個機械計算機的架構如下所示， 圖 1A（i） 為元結構，由可重構的基于剛體的構建塊分層平面構成。每個構建塊由 2 × 2 單元格和亞單元組成（圖 1B。立方體通過彈性旋轉鉸鏈在其邊緣粘合，在構建塊和單元格中形成靈活的閉環(huán)機制，用于形狀重構 (圖 1B)。拉伸平面元結構會有周期性波紋表面特征的分岔和多穩(wěn)態(tài)狀態(tài)（圖 1A (ii)），研究發(fā)現(xiàn)，所有脊狀段都可以設計成在預拉伸狀態(tài)下的雙穩(wěn)態(tài)。每個雙穩(wěn)態(tài)元件都可以作為一個獨立的二進制單元，通過在平面外機械或磁驅動下突然彈起，輕松且可逆地彈出（1 狀態(tài)）或向下（0 狀態(tài)）[圖 1A (iii) 和圖 S1，A 至 C]。此類物理二進制元素可用于組合信息寫入 [圖 1，A (iv) 和 C (i 至 iii)]、擦除、讀取和加密，以及用于信息顯示的體素（圖 1D）。
由于設計新穎，這個機械計算機在 HackerNew 上引起了熱議。有人問：「他們造出可以工作的邏輯門了嗎？視頻里只看到二進制位的翻轉?！?/span>
作者其實在論文里回答了這個問題。圖 8（C 和 D）展示了利用局部元件的獨立雙穩(wěn)性實現(xiàn)「OR」和「AND」邏輯門操作。
為了便于讀取輸出信息（詳見圖 S17A 和補充材料），作者在頂部使用了一塊可調(diào)節(jié)高度的平板，以覆蓋平臺的一小塊區(qū)域。其初始狀態(tài)設置為輸出「0」。當頂板平整且升高時，它的輸出為「1」，在傾斜或降低的情況下輸出為「0」。頂板的配置是由與雙穩(wěn)態(tài)元件粘合在一起的三個支架的彈起（ pop-up，「1」）或彈落（pop-down，「0」）運動作為輸入決定的。在中心放置一個金字塔支撐，記為 P_1，周圍還有兩個相鄰的支撐，例如，S_1 和 S_2 的立方體以及 P_2 和 P_3 的金字塔分別用于 OR 和 AND 邏輯門。
此外，通過改變結構元件，如圖 S19 所示，該計算機還可以進行「NOR」和「NAND」二進制邏輯計算。
還有一些網(wǎng)友談論起了這個計算機的實用性。大家猜測，它可能會在一些極端環(huán)境中發(fā)揮作用。
關于該研究的更多細節(jié)請參見原論文。
- 論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
- 論文標題：Reprogrammable and reconfigurable mechanical computing metastructures with stable and high-density memory
