26 مارس 2024 (أضواء Nanowerk) في مجال الحوسبة الإلكترونية الترانزستور منذ فترة طويلة كانت التكنولوجيا المهيمنة. منذ اختراعه في عام 1947، أصبح هذا الجهاز الصغير أساسًا للإلكترونيات الحديثة، مما أتاح الثورة الرقمية التي غيرت كل جانب من جوانب حياتنا تقريبًا. ومع ذلك، على الرغم من انتشاره ونجاحه الذي لا مثيل له، فإن الترانزستور الإلكتروني له حدوده. إن الاستهلاك العالي للطاقة، والتعرض للظروف البيئية القاسية، وعدم وجود تفاعل مباشر مع المحفزات الخارجية مثل الحرارة والقوة والضغط، قد حفز الباحثين على استكشاف طرق بديلة للحساب. وهنا يأتي دور الحوسبة الميكانيكية. على عكس الحوسبة الإلكترونية، تعتمد الحوسبة الميكانيكية على المعالجة المادية للمواد والهياكل لتنفيذ عمليات منطقية. يوفر هذا النهج العديد من المزايا، بما في ذلك انخفاض استهلاك الطاقة وزيادة الأمان والقدرة على العمل في بيئات قاسية حيث تفشل المكونات الإلكترونية غالبًا. علاوة على ذلك، يمكن تصميم أجهزة الحوسبة الميكانيكية للاستجابة بشكل مباشر للمدخلات البيئية ومعالجتها، مما يفتح إمكانيات جديدة للذكاء اللامركزي والأنظمة التكيفية. على الرغم من إمكانات الحوسبة الميكانيكية، فقد تم إعاقة التقدم في هذا المجال بسبب الطبيعة المخصصة للتصميمات الحالية. ركزت معظم الأبحاث على إنشاء بوابات منطقية بسيطة، تفتقر إلى النمطية وقابلية التوسع اللازمة للتطبيقات الأكثر تقدمًا. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال العديد من أنظمة الحوسبة الميكانيكية تعتمد على عمليات إعادة الضبط اليدوية أو الإشارات الكهربائية للإدخال والإخراج، مما يحد من استقلاليتها واستجابتها للبيئة. والآن، حقق فريق من الباحثين من جامعة شنغهاي جياو تونغ تقدمًا كبيرًا في معالجة هذه التحديات. وفي دراسة حديثة نشرت في المجلة المواد الوظيفية المتقدمة ("الحوسبة الحرارية باستخدام الترانزستورات الميكانيكية")، فقد قدموا ترانزستورًا ميكانيكيًا جديدًا يجمع بين مادة تستجيب لدرجة الحرارة وبنية قابلة للتحويل. يتيح هذا التصميم المبتكر بناء دوائر منطقية معقدة وذاكرة تخزين، كل ذلك دون الحاجة إلى الكهرباء.
ترانزستور ميكانيكي للحوسبة الحرارية. أ) رسم تخطيطي لترانزستور ميكانيكي يتكون من ثلاثة أطراف إدخال (i) - (iii) ومحطة إخراج واحدة لنقل إشارات درجة الحرارة، ومشغل ثنائي الثبات (iv)، ومستشعر ميكانيكي حراري مستوحى من كيريجامي (v) ملفق من إزاحة غير متماثلة يتكون مكبر الصوت من مادة البولي كربونات (PC) وسبائك إنفار. أبعاد l و w هي 250 و 85 ملم على التوالي. (الصورة مقتبسة من doi:10.1002/adfm.202401244 بإذن من Wiley-VCH Verlag) يتكون الترانزستور الميكانيكي الذي طوره فريق البحث من ثلاثة أطراف إدخال حرارية وطرف إخراج حراري واحد، بالإضافة إلى مكون قابل للتحويل ومادة تستجيب لدرجة الحرارة. . المادة المستجيبة للحرارة، المصنوعة من مزيج من البولي كربونات وسبائك إنفار، يتغير شكلها استجابة لتغيرات درجات الحرارة. عند تسخينه يستطيل، وعندما يبرد ينكمش. يتم استخدام تغيير الشكل هذا للتحكم في حالة المكون القابل للتحويل، والذي يمكن أن ينجذب بين تكوينين مستقرين لتمثيل الحالات الثنائية.
من خلال ترتيب هذه الترانزستورات الميكانيكية في تكوينات مختلفة، أظهر الباحثون القدرة على بناء مجموعة كاملة من البوابات المنطقية، بما في ذلك NOT وOR وAND وNOR وNAND وXOR وXNOR. ومن اللافت للنظر أنه يمكن إعادة برمجة ترانزستور ميكانيكي واحد لأداء وظائف منطقية مختلفة ببساطة عن طريق إعادة تشكيل مصادر الإدخال الحرارية، مما يوفر مستوى من المرونة والكفاءة غير موجود في الدوائر الإلكترونية.
يمكن أيضًا دمج الترانزستورات الميكانيكية لإنشاء عناصر حوسبة أكثر تعقيدًا. يوضح الباحثون كيف يمكن لترانزستورين ميكانيكيين مترابطين أن يشكلا وحدة ذاكرة أساسية، قادرة على تخزين المعلومات واسترجاعها. علاوة على ذلك، باستخدام بوليمر ذاكرة الشكل في المكون القابل للتحويل، فإنها تتيح وظيفة الذاكرة غير المتطايرة، مما يعني الاحتفاظ بالمعلومات المخزنة حتى عند إيقاف تشغيل الجهاز. هذا التكامل بين المنطق والذاكرة داخل نفس الجهاز يمهد الطريق للحوسبة في الذاكرة، وهو نموذج يعد بالتغلب على قيود بنيات الحوسبة التقليدية.
ولعرض إمكانات الترانزستورات الميكانيكية، قام الباحثون ببناء وحدة منطقية حسابية، وهي مكون رئيسي في أنظمة الحوسبة. ومن اللافت للنظر أن تصميمها لا يتطلب سوى سبعة ترانزستورات ميكانيكية لإجراء نفس العملية الحسابية التي تتطلب عادةً 38 ترانزستورًا إلكترونيًا. يسلط هذا الانخفاض الجذري في عدد المكونات الضوء على كفاءة وقابلية التوسع في نهج الحوسبة الميكانيكية.
وبعيدًا عن الحسابات البحتة، يوضح الباحثون أيضًا كيف يمكن للترانزستورات الميكانيكية الخاصة بهم تمكين الأنظمة التكيفية بيئيًا. ومن خلال ترتيب ترانزستورين ميكانيكيين على التوالي، قاموا بإنشاء جهاز قادر على الاستجابة لتغيرات درجة الحرارة المحيطة للتحكم في نشر الألواح الشمسية. يوضح هذا التطبيق إمكانية الحوسبة الميكانيكية لتسهيل الأنظمة المستقلة التي يمكنها التفاعل مع البيئة المحيطة بها والتكيف معها، كما هو الحال في الفضاء الجوي، حيث قد لا تكون المكونات الإلكترونية مناسبة بسبب التقلبات الشديدة في درجات الحرارة والتعرض للإشعاع.
في حين أن تطوير هذا الترانزستور الميكانيكي يمثل معلما هاما في مجال الحوسبة الميكانيكية، إلا أن التحديات لا تزال قائمة. يعد تبديد الحرارة وفقدان التوصيل من الاعتبارات الحاسمة لقابلية التوسع والتطبيق العملي لهذه الأجهزة. ستحتاج الأبحاث المستقبلية إلى معالجة هذه المشكلات لتحقيق إمكانات الحوسبة الميكانيكية بشكل كامل.
ومع ذلك، فإن الترانزستور الميكانيكي الذي طوره فريق البحث يقدم لمحة عن المستقبل حيث الحدود بين الحساب والعالم المادي غير واضحة بشكل متزايد. ومن خلال تسخير الخصائص المتأصلة للمواد والهياكل، تتمتع الحوسبة الميكانيكية بالقدرة على الدخول في موجة جديدة من الأنظمة التكيفية والفعالة والمستجيبة للبيئة.
ترانزستور ميكانيكي للحوسبة الحرارية. أ) رسم تخطيطي لترانزستور ميكانيكي يتكون من ثلاثة أطراف إدخال (i) - (iii) ومحطة إخراج واحدة لنقل إشارات درجة الحرارة، ومشغل ثنائي الثبات (iv)، ومستشعر ميكانيكي حراري مستوحى من كيريجامي (v) ملفق من إزاحة غير متماثلة يتكون مكبر الصوت من مادة البولي كربونات (PC) وسبائك إنفار. أبعاد l و w هي 250 و 85 ملم على التوالي. (الصورة مقتبسة من doi:10.1002/adfm.202401244 بإذن من Wiley-VCH Verlag) يتكون الترانزستور الميكانيكي الذي طوره فريق البحث من ثلاثة أطراف إدخال حرارية وطرف إخراج حراري واحد، بالإضافة إلى مكون قابل للتحويل ومادة تستجيب لدرجة الحرارة. . المادة المستجيبة للحرارة، المصنوعة من مزيج من البولي كربونات وسبائك إنفار، يتغير شكلها استجابة لتغيرات درجات الحرارة. عند تسخينه يستطيل، وعندما يبرد ينكمش. يتم استخدام تغيير الشكل هذا للتحكم في حالة المكون القابل للتحويل، والذي يمكن أن ينجذب بين تكوينين مستقرين لتمثيل الحالات الثنائية.
من خلال ترتيب هذه الترانزستورات الميكانيكية في تكوينات مختلفة، أظهر الباحثون القدرة على بناء مجموعة كاملة من البوابات المنطقية، بما في ذلك NOT وOR وAND وNOR وNAND وXOR وXNOR. ومن اللافت للنظر أنه يمكن إعادة برمجة ترانزستور ميكانيكي واحد لأداء وظائف منطقية مختلفة ببساطة عن طريق إعادة تشكيل مصادر الإدخال الحرارية، مما يوفر مستوى من المرونة والكفاءة غير موجود في الدوائر الإلكترونية.
يمكن أيضًا دمج الترانزستورات الميكانيكية لإنشاء عناصر حوسبة أكثر تعقيدًا. يوضح الباحثون كيف يمكن لترانزستورين ميكانيكيين مترابطين أن يشكلا وحدة ذاكرة أساسية، قادرة على تخزين المعلومات واسترجاعها. علاوة على ذلك، باستخدام بوليمر ذاكرة الشكل في المكون القابل للتحويل، فإنها تتيح وظيفة الذاكرة غير المتطايرة، مما يعني الاحتفاظ بالمعلومات المخزنة حتى عند إيقاف تشغيل الجهاز. هذا التكامل بين المنطق والذاكرة داخل نفس الجهاز يمهد الطريق للحوسبة في الذاكرة، وهو نموذج يعد بالتغلب على قيود بنيات الحوسبة التقليدية.
ولعرض إمكانات الترانزستورات الميكانيكية، قام الباحثون ببناء وحدة منطقية حسابية، وهي مكون رئيسي في أنظمة الحوسبة. ومن اللافت للنظر أن تصميمها لا يتطلب سوى سبعة ترانزستورات ميكانيكية لإجراء نفس العملية الحسابية التي تتطلب عادةً 38 ترانزستورًا إلكترونيًا. يسلط هذا الانخفاض الجذري في عدد المكونات الضوء على كفاءة وقابلية التوسع في نهج الحوسبة الميكانيكية.
وبعيدًا عن الحسابات البحتة، يوضح الباحثون أيضًا كيف يمكن للترانزستورات الميكانيكية الخاصة بهم تمكين الأنظمة التكيفية بيئيًا. ومن خلال ترتيب ترانزستورين ميكانيكيين على التوالي، قاموا بإنشاء جهاز قادر على الاستجابة لتغيرات درجة الحرارة المحيطة للتحكم في نشر الألواح الشمسية. يوضح هذا التطبيق إمكانية الحوسبة الميكانيكية لتسهيل الأنظمة المستقلة التي يمكنها التفاعل مع البيئة المحيطة بها والتكيف معها، كما هو الحال في الفضاء الجوي، حيث قد لا تكون المكونات الإلكترونية مناسبة بسبب التقلبات الشديدة في درجات الحرارة والتعرض للإشعاع.
في حين أن تطوير هذا الترانزستور الميكانيكي يمثل معلما هاما في مجال الحوسبة الميكانيكية، إلا أن التحديات لا تزال قائمة. يعد تبديد الحرارة وفقدان التوصيل من الاعتبارات الحاسمة لقابلية التوسع والتطبيق العملي لهذه الأجهزة. ستحتاج الأبحاث المستقبلية إلى معالجة هذه المشكلات لتحقيق إمكانات الحوسبة الميكانيكية بشكل كامل.
ومع ذلك، فإن الترانزستور الميكانيكي الذي طوره فريق البحث يقدم لمحة عن المستقبل حيث الحدود بين الحساب والعالم المادي غير واضحة بشكل متزايد. ومن خلال تسخير الخصائص المتأصلة للمواد والهياكل، تتمتع الحوسبة الميكانيكية بالقدرة على الدخول في موجة جديدة من الأنظمة التكيفية والفعالة والمستجيبة للبيئة.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
