2024年的机械计算机：操作像魔方，还上了Science子刊

2024 年了，为什么还要研究机械计算机？

提起机械计算机，很多人可能以为只能在博物馆看到。这种计算机使用机械部件来处理信息，其历史比传统电子计算机更长。古老的机械计算机可以追溯到 19 世纪，通常由齿轮和杠杆组成，体积非常庞大。

但最近，北卡罗来纳州立大学的一项研究打破了这一刻板印象，他们在 2024 年还在研究机械计算机，而且相关成果登上了 Science 子刊。

上面这张图就是他们做出来的成品，它使用刚性、互连的聚合物立方体的复杂结构来存储、检索和擦除数据，而无需依赖电子元件。该系统还包括一个可逆功能，允许用户控制何时允许编辑数据以及何时应将数据锁定在原位。

具体来说，新机械计算机的基本单元是 1 厘米的塑料立方体，这些立方体被组合成由 64 个相互连接的立方体组成的功能单元。立方体的上升或下降可以表示「0」或「1」。使用这种二进制框架，即立方体上升或下降，一个简单的由 9 个功能单元组成的元结构有超过 362,000 种可能的配置。

这种机械计算机的一个潜在应用是创建三维的机械加密或解密系统。例如，特定配置的功能单元可以作为 3D 密码。

研究者表示，这项研究的设计灵感来源于一门古老的剪纸艺术（kirigami）—— 通过巧妙地切割和操纵一张纸，可以创造出迷人的装饰品。就像下面所展示的。

3D 金字塔卡片。图源：https://www.pinterest.com/pin/3d-pyramid-cardpyramid-pop-up-cardpaper-craft-artkirigamiorigami3d--857654322810750175/

当其中一块立方体被向上或向下推时，所有与之相连的立方体的几何形状（或结构）随之发生变化。这可以通过物理上的向上或向下推其中一个立方体来实现：

施加力让立方体移动

也可以通过将磁板连接到功能单元的顶部并施加磁场来远程向上或向下推动来实现：

施加磁场让立方体移动

由 64 个立方体组成的功能单元可以进一步组合在一起形成越来越复杂的元结构，从而可以存储更多数据或进行更复杂的计算。

每个立方体之间由薄薄的弹性胶带连接，用户编辑数据的时候，随着立方体的拉动，弹性胶带开始延伸，当释放元结构时，弹性胶带会收缩，让立方体回归原位，类似于机械式的数据存储和编辑。

除了开发一种稳定的机械系统来存储数据，研究者认为这款机械计算机还有更复杂的计算潜力，因为数据是通过给定立方体被推上去的高度来表示的。因而他们证明了立方体可以有五种或更多不同的状态。这意味着给定的立方体不仅可以传达 1 或 0，还可以传达 2、3 或 4。

整个机械计算机的架构如下所示，图 1A（i）为元结构，由可重构的基于刚体的构建块分层平面构成。每个构建块由 2 × 2 单元格和亚单元组成（图 1B。立方体通过弹性旋转铰链在其边缘粘合，在构建块和单元格中形成灵活的闭环机制，用于形状重构 (图 1B)。拉伸平面元结构会有周期性波纹表面特征的分岔和多稳态状态（图 1A (ii)），研究发现，所有脊状段都可以设计成在预拉伸状态下的双稳态。每个双稳态元件都可以作为一个独立的二进制单元，通过在平面外机械或磁驱动下突然弹起，轻松且可逆地弹出（1 状态）或向下（0 状态）[图 1A (iii) 和图 S1，A 至 C]。此类物理二进制元素可用于组合信息写入 [图 1，A (iv) 和 C (i 至 iii)]、擦除、读取和加密，以及用于信息显示的体素（图 1D）。

由于设计新颖，这个机械计算机在 HackerNew 上引起了热议。有人问：「他们造出可以工作的逻辑门了吗？视频里只看到二进制位的翻转。」

作者其实在论文里回答了这个问题。图 8（C 和 D）展示了利用局部元件的独立双稳性实现「OR」和「AND」逻辑门操作。

为了便于读取输出信息（详见图 S17A 和补充材料），作者在顶部使用了一块可调节高度的平板，以覆盖平台的一小块区域。其初始状态设置为输出「0」。当顶板平整且升高时，它的输出为「1」，在倾斜或降低的情况下输出为「0」。顶板的配置是由与双稳态元件粘合在一起的三个支架的弹起（ pop-up，「1」）或弹落（pop-down，「0」）运动作为输入决定的。在中心放置一个金字塔支撑，记为 P_1，周围还有两个相邻的支撑，例如，S_1 和 S_2 的立方体以及 P_2 和 P_3 的金字塔分别用于 OR 和 AND 逻辑门。

此外，通过改变结构元件，如图 S19 所示，该计算机还可以进行「NOR」和「NAND」二进制逻辑计算。

还有一些网友谈论起了这个计算机的实用性。大家猜测，它可能会在一些极端环境中发挥作用。

关于该研究的更多细节请参见原论文。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
论文标题：Reprogrammable and reconfigurable mechanical computing metastructures with stable and high-density memory

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文章作者：机器之心

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