Ученые построили вычислительную систему из стальных прутьев и пружин, которой не нужен внешний источник питания
В мире, одержимом уменьшением размеров чипов и ускорением зарядки, группа ученых выбрала противоположное направление. Исследователи из колледжа Святого Олафа и Сиракузского университета в США создали механическую вычислительную систему, которая не требует внешнего питания. Устройство, по сути, представляет собой компьютер, собранный из пружин, а его интеллект заключается в натяжении пружин и движении стали.
Эти не требующие батарей машины выполняют логические и вычислительные задачи с помощью физических компонентов, предлагая альтернативу электронным процессорам. В отличие от обычной электроники, данные устройства полагаются на «память», присущую самим физическим материалам — например, резина сохраняет информацию о том, насколько сильно ее растянули или сжали.
Проект родился из простого наблюдения за физическим миром. Джоуи Полсен, доцент физики колледжа Святого Олафа, пояснил, что люди обычно представляют память как нечто, находящееся в жестком диске компьютера или внутри нашего мозга. Однако многие повседневные материалы сохраняют своего рода воспоминания о своем прошлом. Исследовательская группа хотела понять, можно ли использовать обычные материалы не только для запоминания движения, но и для обработки информации, то есть для вычислений.
Основываясь на физической памяти, команда сконструировала три механические системы из стальных прутьев и пружин. Эти устройства выполняют конкретные вычислительные задачи: одно работает как счетчик физических нажатий, другое функционирует как логический вентиль, различающий четные и нечетные входные сигналы, а третье служит датчиком, который сохраняет память о приложенной силе. Вместе эти механизмы демонстрируют, что сложная обработка информации может происходить за счет структурного движения, а не электрических сигналов. Как отметил Полсен, теперь у ученых есть рациональный способ создания таких машин, которые могут выполнять простые вычисления без компьютерного чипа или источника питания.
Хотя это может звучать как шаг назад, перспективы такого подхода весьма футуристичны. Кремниевые чипы хрупки: они плавятся при экстремальной жаре, дают сбои под воздействием высокого уровня радиации и разрушаются в агрессивных химических средах. Механические компьютеры, напротив, созданы для долговечности и могут функционировать в условиях, которые уничтожили бы обычные аппаратные системы. В будущем, например, может появиться протез конечности, который чувствует давление и реагирует на него без батарейного блока, или датчик внутри реактивного двигателя, отслеживающий износ исключительно за счет вибрации самого двигателя.
Полсен подчеркнул, что полученные результаты являются шагом на пути к созданию материалов, которые могут воспринимать окружающую среду, принимать решение и затем реагировать. Такие материалы, часто называемые «умными», могли бы улучшить жизнь людей за счет более отзывчивых искусственных конечностей или помещений, реагирующих на прикосновения. Для развития этой технологии Полсен фокусируется на масштабируемости и пределах возможностей механических систем. В настоящее время студенты колледжа Святого Олафа изучают, как взаимодействуют и влияют друг на друга несколько роторов, что может привести к созданию более сложных сетей. Эта текущая работа направлена на превращение отдельных компонентов в сложные многокомпонентные машины.
Результаты исследования были в журнале Nature Communications.