Mechaniczny komputer – kostki Kirigami zamiast elektroniki

Uniwersytet w Karolinie Północnej stworzył komputer mechaniczny, wykorzystujący sześciany kirigami zamiast elektroniki.

Naukowcy z North Carolina State University opracowali mechaniczny system komputerowy inspirowany kirigami, który działa bez komponentów elektronicznych. System wykorzystuje strukturę złożoną ze sztywnych, połączonych ze sobą kostek polimerowych do zarządzania przechowywaniem, wyszukiwaniem i usuwaniem danych. Intrygującym aspektem tego systemu jest jego odwracalna funkcja, która umożliwia użytkownikom określenie, kiedy dane mogą być edytowane, a kiedy powinny być bezpiecznie zablokowane.

Komputery mechaniczne to w istocie urządzenia, które działają dzięki częściom mechanicznym, a nie obwodom elektronicznym. Tradycyjnie części te obejmują mechanizmy takie jak dźwignie i koła zębate. Jednak komputery mechaniczne mogą być również konstruowane przy użyciu struktur wielostabilnych, co oznacza, że mogą istnieć w wielu stabilnych stanach. Znanym przykładem tej koncepcji jest struktura, którą można złożyć w różnych stabilnych konfiguracjach.

„Mieliśmy dwa główne cele”, wyjaśnia Jie Yin, współautor badania i profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej w NC State. „Po pierwsze, chcieliśmy stworzyć niezawodny system mechaniczny do przechowywania danych. Po drugie, nasz projekt proof-of-concept koncentrował się na binarnych funkcjach obliczeniowych, w których pozycja sześcianu – w górę lub w dół – reprezentowała binarną 1 lub 0. Uważamy jednak, że istnieje potencjał do bardziej wyrafinowanych obliczeń, z danymi przekazywanymi przez wysokość sześcianu. Wykazaliśmy, że kostki w naszym systemie mogą mieć pięć lub więcej stanów, teoretycznie umożliwiając pojedynczej kostce reprezentowanie wartości wykraczających poza binarne 1 i 0, takich jak 2, 3 lub 4”.

Podstawowymi elementami tego mechanicznego komputera są 1-centymetrowe plastikowe kostki, które są montowane w funkcjonalne jednostki składające się z 64 połączonych ze sobą kostek. Projekt czerpie inspirację z kirigami, sztuki cięcia i składania papieru, i stosuje jej zasady do trójwymiarowych materiałów skonfigurowanych w połączone kostki.

Manipulowanie tymi sześcianami poprzez popychanie ich w górę lub w dół zmienia geometrię lub architekturę całej połączonej struktury. Można to osiągnąć ręcznie, naciskając na kostki lub zdalnie, mocując płytkę magnetyczną do górnej części urządzenia i stosując pole magnetyczne do przesuwania kostek. Te 64-sześcianowe jednostki można łączyć w bardziej złożone metastruktury, zwiększając możliwości przechowywania danych.

Kostki są połączone cienkimi, elastycznymi paskami taśmy. Aby zmodyfikować dane, użytkownicy muszą dostosować konfigurację jednostek funkcjonalnych, co wymaga rozciągnięcia elastycznej taśmy i zmiany położenia kostek. Po zwolnieniu struktury taśma cofa się, blokując kostki – i dane – na miejscu.

„Jednym z potencjalnych zastosowań jest tworzenie trójwymiarowego mechanicznego szyfrowania lub deszyfrowania” – zauważa Yanbin Li, pierwszy autor badania i badacz podoktorancki w NC State. „Na przykład, określona konfiguracja jednostek funkcjonalnych mogłaby funkcjonować jako hasło 3D. Gęstość informacji jest imponująca. W binarnej strukturze, w której kostki są albo w górę, albo w dół, prosta metastruktura dziewięciu jednostek funkcjonalnych oferuje ponad 362 000 możliwych konfiguracji”.

„Ale nie jesteśmy ograniczeni do ram binarnych”, dodaje Yin. „Każda jednostka składająca się z 64 sześcianów może być ułożona w różne architektury, z sześcianami ułożonymi do pięciu wysokości. Ta zdolność umożliwia obliczenia wykraczające poza kod binarny. Nasza koncepcja demonstruje te możliwości architektoniczne, ale nie opracowaliśmy jeszcze kodu, aby w pełni wykorzystać te struktury. Jesteśmy otwarci na współpracę z innymi badaczami w celu zbadania zastosowań kodowania dla tych metastruktur”.

Li dalej rozwija potencjalne zastosowania tych struktur w opracowywaniu systemów haptycznych, które mogłyby wyświetlać informacje w formacie trójwymiarowym zamiast tradycyjnych ekranów opartych na pikselach.

Współautorem badania jest Hao Su, inny profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej w NC State. W artykule uwzględniono również wkład Shuangye Yu i Yaoye Hong, byłych doktorantów; Haitao Qing i Fangjie Qi, obecnych doktorantów; oraz Yao Zhao, byłego badacza podoktoranckiego w NC State.

Szymon Ślubowski