- Pesquisadores da NC State desenvolveram um computador mecânico baseado em kirigami que armazena, recupera e apaga dados usando apenas cubos de polímero conectados, sem componentes eletrônicos
- A unidade básica é uma unidade funcional formada por 64 cubos plásticos de 1 cm, e ao empurrar os cubos para cima ou para baixo mudam-se estados como 1 e 0 e também a geometria total da estrutura
- A edição de dados é possível ao puxar a borda da metaestrutura para esticar uma fita elástica, e ao soltar, a fita se contrai e fixa os cubos e os dados
- Mesmo uma metaestrutura simples com 9 unidades funcionais pode criar mais de 362.000 configurações usando apenas o modo binário, e também foi demonstrada uma configuração multiestado com cubos empilhados em até 5 níveis de altura
- A estrutura pode ser expandida para criptografia e descriptografia mecânicas, sistemas hápticos que exibem informações em 3 dimensões e métodos de codificação além do binário
Memória mecânica sem componentes eletrônicos
- Pesquisadores da NC State desenvolveram um computador mecânico inspirado em kirigami capaz de armazenar, recuperar e apagar dados sem depender de componentes eletrônicos
- O sistema usa uma estrutura complexa de cubos de polímero rígidos e interligados
- O usuário pode alternar entre um estado em que os dados podem ser editados e outro em que os dados ficam travados no lugar
- Computadores mecânicos funcionam com peças mecânicas em vez de componentes eletrônicos e, historicamente, usavam partes como alavancas ou engrenagens
- Este sistema utiliza uma estrutura multiestável, capaz de ter dois ou mais estados estáveis
Como os cubos de kirigami mudam de estado
- A unidade básica é um cubo plástico de 1 cm, e 64 cubos conectados formam uma unidade funcional
- O projeto da unidade funcional partiu do kirigami, a arte de cortar e dobrar papel, aplicando esse princípio a um material 3D cortado composto por cubos conectados
- Ao empurrar um cubo para cima ou para baixo, toda a geometria ou arquitetura dos cubos conectados muda junto
- É possível empurrar fisicamente cada cubo para cima ou para baixo
- Também é possível mover o sistema remotamente fixando uma placa magnética sobre a unidade funcional e aplicando um campo magnético
- Ao reunir unidades funcionais de 64 cubos em uma metaestrutura mais complexa, é possível armazenar mais dados ou realizar cálculos mais complexos
Mecanismo de escrita, bloqueio e apagamento
- Os cubos são conectados por uma fina fita elástica
- Para editar os dados, é preciso mudar a configuração da unidade funcional, e o usuário puxa a borda da metaestrutura para esticar a fita elástica
- Com a fita esticada, os cubos podem ser empurrados para cima e para baixo
- Ao soltar a metaestrutura, a fita se contrai e os cubos e os dados ficam fixados
- É possível ver o vídeo do computador mecânico em https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM
Representação de informação além do binário
- O trabalho de prova de conceito se concentrou em computação binária, na qual o estado do cubo para cima ou para baixo é tratado como 1 ou 0
- Também seria possível fazer computação mais complexa usando como dado a altura que cada cubo alcança
- No sistema de prova de conceito, os cubos podem ter 5 ou mais estados
- Em teoria, um único cubo poderia representar não apenas 1 ou 0, mas também 2, 3 e 4
- Cada unidade funcional de 64 cubos pode ser configurada em várias arquiteturas nas quais os cubos são empilhados em até 5 níveis de altura
- No entanto, o código para usar essa arquitetura ainda não foi desenvolvido, e os pesquisadores têm interesse em colaborar para explorar o potencial de codificação da metaestrutura
Possível expansão para criptografia e sistemas hápticos
- Uma aplicação potencial é a criptografia e descriptografia mecânicas em 3 dimensões
- Uma configuração específica de unidade funcional pode atuar como uma senha 3D
- Mesmo no framework binário, em que os cubos só têm estado para cima ou para baixo, uma metaestrutura simples com 9 unidades funcionais tem mais de 362.000 configurações possíveis
- Essa metaestrutura também pode ser usada em um sistema háptico que exibe informações em um contexto tridimensional, em vez de pixels em uma tela
- O artigo “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” foi publicado no periódico de acesso aberto Science Advances
- A plataforma pode funcionar como unidades binárias ou voxels popup para escrever, apagar, ler e criptografar informações, bem como para computação lógica mecânica, e ao liberar o estado de pré-tração é possível estabilizar a informação de modo resistente a perturbações mecânicas e magnéticas externas
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Eles chegaram a criar pelo menos uma porta lógica que realmente funciona? No vídeo, só aparece alguém manipulando diretamente bits para virá-los para frente e para trás.
Edit: olhando o artigo, parece que sim. “Por fim, exploramos essa metaestrutura como uma porta lógica mecânica simples. As Figuras 8(C, D) mostram que as operações das portas lógicas ‘OR’ e ‘AND’ foram implementadas usando a biestabilidade independente de elementos locais.”
Na seção “Mechanical logic gates”, eles explicam que implementaram portas OR/AND. Para ler a saída, cobrem uma pequena área sobre a plataforma com uma placa plana de altura ajustável; se a placa fica levantada na horizontal, lê-se “1”; se fica inclinada ou abaixada, lê-se “0”.
No OR, depois de levantar e fixar P1, se S1 ou S2 subir, forma-se uma placa horizontal estável e o resultado é “1”. No AND, só quando P1=P2=P3=1 a placa sobe de modo estável por contato em três pontos, produzindo “1”. Em comparação com metaestruturas lógicas mecânicas existentes, que em geral ficavam em 1D/2D, este projeto foi expandido para uma estrutura 3D, e eles dizem que NOR/NAND também podem ser implementados alterando os elementos estruturais.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
“O trabalho de prova de conceito se concentrou em funções de computação binária, nas quais os cubos são empurrados para cima ou para baixo. Mas acreditamos que também há possibilidade de computações mais complexas, em que os dados são transmitidos de acordo com o quanto um cubo específico foi empurrado para cima. Mostramos que, dentro desse sistema, um cubo pode ter cinco ou mais estados. Em teoria, isso significa que um único cubo poderia transmitir não só 1 ou 0, mas também 2, 3 e 4.”
Isso está tentando ficar entre computação analógica e computação digital? Só pela explicação, soa como um sistema limitado de computador analógico.
Também há muitos métodos não binários em sistemas digitais modernos. Por exemplo, SSDs QLC com NAND flash armazenam 16 níveis em uma célula, codificando o equivalente a 4 bits. Além disso, 64-QAM é um esquema de modulação usado em 802.11n Wi-Fi, TV digital terrestre etc., no qual duas senoides com fases diferentes podem ter, cada uma, até 8 níveis de amplitude.
Computadores eletrônicos também nem sempre foram binários. Um dos primeiros computadores soviéticos realizava seus cálculos principais usando ternário, em vez dos 2 dígitos familiares.
Memórias flash também usam células multinível que armazenam até 4 bits por célula.
“Um computador mecânico é um computador que opera com componentes mecânicos, não com componentes eletrônicos.”
Para quem se empolga com computadores mecânicos, vale lembrar que um elétron é cerca de mil vezes mais leve que um núcleon. Então, como um computador mecânico precisa fundamentalmente mover átomos para funcionar, é provável que ele sempre use mais energia do que um computador eletrônico.
Será esse o objetivo final? Em teoria, existe algo que possa chegar mais perto do limite de Landauer do que a computação fotônica? Não é minha área, mas parece uma boa pergunta para fazer aqui.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
Dito isso, olhando para o GA144 de Chuck Moore, ainda parece haver bastante margem para otimizar a computação eletrônica mesmo nessas situações extremas.
[0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
Se eu virasse bilionário, gostaria de criar em casa uma sala grande dedicada apenas a computadores pré-elétricos. É impressionante como tantas coisas se tornaram quase triviais depois que os transistores se popularizaram, e objetos como The Writer Automaton sempre foram incrivelmente fascinantes.
Fiz engenharia mecânica e hoje trabalho em outra área, mas, à parte entender sua importância social, sempre me fascinou a forma como princípios mecânicos são manipulados para atingir objetivos.
Para que isso poderia ser usado? Ambientes de alta radiação ou outros ambientes extremos?
Com uma solução mecânica, a condutividade elétrica poderia deixar de ser um requisito, então os componentes talvez durassem mais.
https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS
Será que existe algum caso em que uma sociedade tenha sido reinicializada a partir de “computação mecânica” até chegar novamente a chips funcionais? Supondo que um evento eletromagnético em escala planetária destruísse toda a computação, como colocaríamos fábricas como a TSMC de volta ao normal? Como manteríamos a produção de alimentos?
Seria possível recuperar a partir do estado zero usando apenas esses computadores mecânicos e instruções básicas?
Muita coisa poderia ser reciclada, mas há limites. Além disso, a maior parte do conhecimento está armazenada digitalmente, e uma parte considerável dele está em formatos proprietários. Se não conseguirmos recuperar tudo de algum modo antes que a especialização existente desapareça, talvez não consigamos recuperá-la por muito tempo, ou nunca mais.
De todo modo, acho que experimentos do tipo “vamos criar uma sociedade” são, em geral, impossíveis. Mesmo se você se esforçar muito, eles favorecem estratégias cujo valor esperado é positivo, mas cuja probabilidade de fracasso é alta demais para ser aceitável. Como você sabe que, se der errado na prática, pode voltar à realidade e ir ao hospital, dá para aceitar até riscos como uma chance de uns 5% de morrer de infecção. Uma vez, há 95% de chance de tudo dar certo; mas, se você lançar os dados por várias gerações, uma falha fatal acaba aparecendo.
Se for possível fabricar ou recuperar fios, e produzir peças simples de chapa metálica, como latão, então dá para fazer eletroímãs. Se dá para fazer eletroímãs, dá para fazer relés, e isso é suficiente. Não vai dar para fazer streaming multimídia, mas controle automático e comunicação a longa distância são possíveis.
Dito isso, talvez não seja algo de fácil acesso; e, se o que você encontrar for apenas uma plataforma de execução confiável como um iPhone, a situação pode ficar bem complicada.
[1] http://collapseos.org/
Talvez seja uma pergunta boba, mas um computador desses seria adequado para ambientes hostis, como um rover de exploração de Vênus?
Gosto bastante da ideia de enviar os dados de volta por meio de um retrorrefletor rotativo lido por laser a partir da órbita.
Link do artigo. Pena que não é open source.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
Lembra um pouco QAM
Parece que The Diamond Age, de Neal Stephenson, virou realidade