L’ordinateur mécanique repose sur des cubes kirigami, pas sur l’électronique

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont développé un ordinateur mécanique inspiré du kirigami qui utilise une structure complexe de cubes polymères rigides et interconnectés pour stocker, récupérer et effacer des données sans recourir à des composants électroniques. Le système comprend également une fonctionnalité réversible qui permet aux utilisateurs de contrôler quand la modification des données est autorisée et quand les données doivent être verrouillées en place.

Les ordinateurs mécaniques sont des ordinateurs qui fonctionnent avec des composants mécaniques plutôt qu’électroniques. Historiquement, ces composants mécaniques étaient des choses comme des leviers ou des engrenages. Cependant, les ordinateurs mécaniques peuvent également être fabriqués à l’aide de structures multistables, ce qui signifie qu’ils ont plus d’un état stable – pensez à tout ce qui peut être replié dans plusieurs positions stables.

“Nous souhaitions faire plusieurs choses ici”, explique Jie Yin, co-auteur correspondant d’un article sur les travaux et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à NC State. “Tout d’abord, nous souhaitions développer un système mécanique stable pour stocker les données.

“Deuxièmement, ce travail de validation de principe s’est concentré sur les fonctions informatiques binaires avec un cube poussé vers le haut ou vers le bas : il s’agit soit d’un 1, soit d’un 0. Mais nous pensons qu’il existe ici un potentiel pour un calcul plus complexe, avec des données transmises. par la hauteur à laquelle un cube donné a été poussé. Nous avons montré dans ce système de preuve de concept que les cubes peuvent avoir cinq états différents ou plus. Théoriquement, cela signifie qu’un cube donné peut transmettre non seulement un 1 ou un 0, mais aussi un 2, 3 ou 4.”

L’étude est publiée sur le arXiv serveur de préimpression.

Les unités fondamentales du nouvel ordinateur mécanique sont des cubes en plastique de 1 centimètre, regroupés en unités fonctionnelles composées de 64 cubes interconnectés. Le design de ces unités s’inspire du kirigami, qui est l’art de couper et de plier le papier. Yin et ses collaborateurs ont appliqué les principes du kirigami à des matériaux tridimensionnels découpés en cubes connectés.

Lorsque l’un des cubes est poussé vers le haut ou vers le bas, cela modifie la géométrie (ou l’architecture) de tous les cubes connectés. Cela peut être fait en appuyant physiquement vers le haut ou vers le bas sur l’un des cubes, ou en fixant une plaque magnétique au sommet de l’unité fonctionnelle et en appliquant un champ magnétique pour la pousser vers le haut ou vers le bas à distance. Ces unités fonctionnelles de 64 cubes peuvent être regroupées en métastructures de plus en plus complexes qui permettent de stocker plus de données ou d’effectuer des calculs plus complexes.

Les cubes sont reliés par de fines bandes de ruban élastique. Pour éditer des données, vous devez modifier la configuration des unités fonctionnelles. Cela oblige les utilisateurs à tirer sur les bords de la métastructure, ce qui étire le ruban élastique et permet de pousser les cubes vers le haut ou vers le bas. Lorsque vous relâchez la métastructure, la bande se contracte, verrouillant les cubes (et les données) en place.

“Une application potentielle de cela est que cela permet aux utilisateurs de créer un cryptage ou un décryptage mécanique tridimensionnel”, explique Yanbin Li, premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral à NC State. “Par exemple, une configuration spécifique d’unités fonctionnelles pourrait servir de mot de passe 3D.

“Et la densité de l’information est assez bonne”, dit Li. “En utilisant un cadre binaire, où les cubes sont soit vers le haut, soit vers le bas, une simple métastructure de 9 unités fonctionnelles offre plus de 362 000 configurations possibles.”

“Mais nous ne sommes pas nécessairement limités à un contexte binaire”, explique Yin. “Chaque unité fonctionnelle de 64 cubes peut être configurée dans une grande variété d’architectures, avec des cubes empilés jusqu’à cinq cubes de haut. Cela permet le développement d’un calcul qui va bien au-delà du code binaire. Notre travail de preuve de concept démontre ici le gamme potentielle de ces architectures, mais nous n’avons pas développé de code qui capitalise sur ces architectures. Nous serions intéressés à collaborer avec d’autres chercheurs pour explorer le potentiel de codage de ces métastructures.

“Nous souhaitons également explorer l’utilité potentielle de ces métastructures pour créer des systèmes haptiques qui affichent des informations dans un contexte tridimensionnel, plutôt que sous forme de pixels sur un écran”, explique Li.

L’auteur co-correspondant de l’article est Hao Su, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à NC State. L’article a été co-écrit par Shuangye Yu et Yaoye Hong, ancien doctorant. étudiants de NC State; Haitao Qing et Fangjie Qi, doctorants actuels. étudiants de NC State; et Yao Zhao, ancien chercheur postdoctoral à NC State.