Μηχανικός υπολογιστής από ελατήρια και μέταλλο λειτουργεί χωρίς ηλεκτρική ενέργεια!

Σύνοψη

• Επιστήμονες από τα πανεπιστήμια St. Olaf και Syracuse παρουσίασαν έναν υπολογιστή κατασκευασμένο αποκλειστικά από ελατήρια και μεταλλικές ράβδους.
• Η συσκευή λειτουργεί πλήρως μηχανικά, χωρίς την ανάγκη ηλεκτρικής ενέργειας, μπαταριών ή ημιαγωγών, αξιοποιώντας την ιδιότητα των υλικών να “θυμούνται” την προηγούμενη φυσική τους κατάσταση.
• Αναπτύχθηκαν τρία πρωτότυπα: ένα που μετράει κινήσεις (έως το τρία), ένα που ξεχωρίζει μονούς και ζυγούς αριθμούς ωθήσεων, και ένα που καταγράφει το μέγεθος της ασκούμενης δύναμης.
• Η τεχνολογία προορίζεται για περιβάλλοντα όπου τα παραδοσιακά μικροτσίπ καταστρέφονται (ακραίες θερμοκρασίες, διαβρωτικά χημικά), καθώς και για την ανάπτυξη πιο έξυπνων τεχνητών μελών.

Η διαρκής σμίκρυνση των ημιαγωγών και η κυριαρχία του πυριτίου έχουν εδραιώσει την αντίληψη ότι η υπολογιστική διαδικασία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, μια νέα έρευνα αποδεικνύει ότι τα φυσικά υλικά μπορούν να αναλάβουν ρόλο επεξεργαστή. Οι ερευνητές από το κολέγιο St. Olaf και το Πανεπιστήμιο Syracuse κατασκεύασαν λειτουργικούς υπολογιστές χρησιμοποιώντας αποκλειστικά συμβατικά εξαρτήματα: ελατήρια και μεταλλικές ράβδους.

Η συγκεκριμένη προσέγγιση δεν στοχεύει στην αντικατάσταση των σύγχρονων ηλεκτρονικών υπολογιστών. Αντιθέτως, επικεντρώνεται στην επίλυση ενός συγκεκριμένου τεχνικού προβλήματος: την ικανότητα εκτέλεσης βασικών υπολογισμών και λήψης αποφάσεων σε συνθήκες όπου τα παραδοσιακά κυκλώματα απλώς δεν μπορούν να επιβιώσουν.

Πώς λειτουργεί ο μηχανικός υπολογιστής χωρίς ρεύμα;

Ο μηχανικός υπολογιστής των πανεπιστημίων St. Olaf και Syracuse λειτουργεί αποκλειστικά μέσω ελατηρίων και μεταλλικών ράβδων, απουσία ηλεκτρικής ενέργειας. Αξιοποιώντας τη φυσική μνήμη των υλικών, εκτελεί βασικούς υπολογισμούς, όπως η καταμέτρηση κινήσεων και η αναγνώριση επιπέδων άσκησης δύναμης, προσφέροντας μια λύση για περιβάλλοντα όπου τα παραδοσιακά μικροτσίπ αποτυγχάνουν.

Τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος

• Δομή: Αποτελείται από διασυνδεδεμένα χαλύβδινα ελατήρια και άκαμπτες ράβδους που δημιουργούν ένα φυσικό δίκτυο μεταφοράς κινητικής ενέργειας.
• Αρχή Λειτουργίας: Βασίζεται στην ιδιότητα των υλικών να συγκρατούν πληροφορίες μέσω της παραμόρφωσης τους (όπως το καουτσούκ “θυμάται” πόσο έχει τεντωθεί).
• Μορφή Εισαγωγής Δεδομένων: Οι εντολές δίνονται μέσω φυσικής ώθησης ή έλξης των εξαρτημάτων.

Η επιστημονική ομάδα ανέπτυξε τρεις ξεχωριστές μηχανικές διατάξεις, καθεμία προγραμματισμένη μέσω της γεωμετρίας της για να εκτελεί μια συγκεκριμένη διεργασία. Το πρώτο πρωτότυπο έχει τη δυνατότητα να μετράει πόσες φορές έχει πιεστεί μπρος-πίσω, φτάνοντας έως τον αριθμό τρία. Το δεύτερο μοντέλο λειτουργεί ως διακόπτης λογικής, ικανό να διακρίνει εάν έχει δεχθεί μονό ή ζυγό αριθμό ωθήσεων. Το τρίτο και πιο σύνθετο σύστημα έχει τη δυνατότητα να αξιολογεί και να αποθηκεύει δεδομένα σχετικά με το μέγεθος της δύναμης που του ασκήθηκε, ξεχωρίζοντας μια μέτρια πίεση από μια ισχυρή.

Ποιες είναι οι πραγματικές εφαρμογές των έξυπνων υλικών;

Η συγκεκριμένη τεχνολογία απευθύνεται σε ακραία βιομηχανικά και φυσικά περιβάλλοντα με υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες, έντονη ραδιενέργεια ή διαβρωτικά χημικά, όπου ο συμβατικός ηλεκτρονικός εξοπλισμός καταστρέφεται. Παράλληλα, η χρήση μηχανικών υλικών που αισθάνονται και αντιδρούν αυτόνομα αναμένεται να βελτιώσει την απόκριση των τεχνητών μελών και να συμβάλει στην κατασκευή διαδραστικών απτικών δωματίων.

Η εφαρμογή τέτοιων συστημάτων λύνει ένα κρίσιμο πρόβλημα στη βιομηχανική παρακολούθηση. Για παράδειγμα, στο εσωτερικό ενός αντιδραστήρα, σε εγκαταστάσεις βαθιάς γεώτρησης ή στο Διάστημα, η προστασία των μικροτσίπ απαιτεί βαριές, ακριβές και συχνά αναποτελεσματικές θωρακίσεις. Ένας αισθητήρας που λειτουργεί αμιγώς μηχανικά και μπορεί να “θυμάται” εάν η πίεση σε μια βαλβίδα υπερέβη το κρίσιμο όριο, καταγράφοντας το γεγονός μέσω της παραμόρφωσης των ελατηρίων του, αφαιρεί την ανάγκη για τροφοδοσία και ηλεκτρονική αποθήκευση.

Επιπλέον, η έρευνα ανοίγει τον δρόμο για την επόμενη γενιά των “έξυπνων υλικών”. Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, ο απώτερος στόχος είναι η δημιουργία υλικών που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. Στον τομέα της ιατρικής, τα τεχνητά μέλη θα μπορούσαν να ενσωματώσουν τέτοιους μηχανικούς υπολογιστές στο εσωτερικό τους για να προσαρμόζουν τη σκληρότητα ή την ευελιξία τους ανάλογα με την επιφάνεια που πατάει ο χρήστης, χωρίς την καθυστέρηση που συνεπάγεται η ψηφιακή επεξεργασία σημάτων.

Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτή η κατεύθυνση έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της ακαδημαϊκής κοινότητας τα τελευταία χρόνια. Πριν από λίγα χρόνια, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας είχαν παρουσιάσει μια αντίστοιχη ιδέα μηχανικού υπολογιστή, η οποία χρησιμοποιούσε διασυνδεδεμένους πλαστικούς κύβους για την εισαγωγή και επεξεργασία δεδομένων. Η μετάβαση, ωστόσο, από τα πλαστικά στα μεταλλικά ελατήρια της ομάδας του St. Olaf προσφέρει σαφώς υψηλότερη αντοχή και μεγαλύτερη ακρίβεια στη μεταφορά των μηχανικών δυνάμεων.