研究人员利用“智能”橡胶结构执行计算任务

如果没有电子设备执行计算任务，我们的日常生活将会大不相同。电梯、自动售货机、旋转门、洗衣机甚至交通信号灯等设备都使用一种简单的电子计算来切换状态。但是，如果没有电源来操作这些设备怎么办？

由莱顿大学和 AMOLF 的 Martin van Hecke 领导的研究小组现已展示了智能橡胶结构如何执行此类计算任务。“我们现在知道如何设计简单的材料，以便它们能够处理信息。”

这 学习 发表于 美国国家科学院院刊 5月20日。

在电子学中，数字比特用于执行计算，涉及由许多元件组成的复杂电路。研究人员找到了一种替代的计算策略，使用细长的橡胶元件作为机械比特，并将多个比特组装在一起形成“超材料”。但要让这些材料像机器一样工作，他们发现关键是控制这些单个比特之间的相互作用。

二进制计数器

作为第一个例子，研究小组创造了一台可以充当两位二进制计数器的橡胶计算机——如随附的电影中所演示的那样，通过拉伸超材料使其从“00”计数到“11”，通过释放它回到“00”。

该团队使用预弯曲橡胶梁作为机械部件，通过连接它们来调节相互作用。这样就可以存储和处理信息。计数是所谓的简单有限状态机的一个重要例子，这种橡胶装置可以用于控制简单机器人腿部的运动。

旋转闸门和密码锁

“在我疫情期间回国前的最后一个月，实验取得了重大突破，”研究员刘静然说，他当时是莱顿大学和 AMOLF 的客座博士生，现在是马德里的博士后。“我们突然意识到如何设计一个更复杂的三比特系统，几天之内，我们就制作了四个工作样品。”

研究人员很快意识到，这种三位超材料比两位超材料强大得多。AMOLF 博士后 Lishuai Jin 解释说：“根据这些样品的操作方式，它们可以执行 17 种不同的简单计算。”

例如，超材料可以复制旋转闸门的功能。“旋转闸门通过旋转臂管理入口——根据硬币插入和顾客的推挤来锁定和解锁。我们的超材料可以通过特定的状态序列和驱动脉冲来模拟这种机制，”金说。此外，橡胶计算机还可以用于密码锁或自动售货机等。

“我们的工作表明，智能超材料可以以与传统计算完全不同的方式执行复杂的计算，”刘说。“令我非常兴奋的是，我们的原理并不局限于力学。此外，复杂的记忆效应在物理学中很重要，但很难研究，现在可以用于极其有用的事情：高效计算。”