26 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) コンピューティングの分野では、電子 トランジスタ 長い間主流の技術でした。 1947 年の発明以来、この小さなデバイスは現代のエレクトロニクスの基礎となり、私たちの生活のほぼすべての側面を変革するデジタル革命を可能にしました。しかし、その普及と比類のない成功にもかかわらず、電子トランジスタには限界があります。高い電力消費、極端な環境条件に対する脆弱性、熱、力、圧力などの外部刺激との直接相互作用の欠如により、研究者は計算への代替アプローチを探求するようになりました。ここでメカニカル コンピューティングが登場します。電子コンピューティングとは異なり、メカニカル コンピューティングは、論理演算を実行するために材料と構造の物理的操作に依存します。このアプローチには、消費電力の低減、セキュリティの向上、電子コンポーネントが頻繁に故障する過酷な環境での動作能力など、いくつかの利点があります。さらに、機械式コンピューティング デバイスは、環境入力に直接応答して処理するように設計でき、分散型インテリジェンスと適応システムの新たな可能性が開かれます。メカニカルコンピューティングの可能性にもかかわらず、この分野の進歩は既存の設計のアドホックな性質によって妨げられてきました。ほとんどの研究は単純な論理ゲートの作成に焦点を当てており、より高度なアプリケーションに必要なモジュール性と拡張性が欠けています。さらに、多くの機械式コンピューティング システムは依然として入出力を手動リセットまたは電気信号に依存しており、その自律性や環境への応答性が制限されています。今回、上海交通大学の研究チームは、これらの課題への対処において大きな進歩を遂げました。雑誌に掲載された最近の研究では 高度機能材料 (「メカニカルトランジスタを用いたサーマルコンピューティング」) では、温度応答性材料と切り替え可能な構造を組み合わせた新しい機械式トランジスタを導入しました。この革新的な設計により、電気を必要とせずに複雑な論理回路とメモリストレージの構築が可能になります。
熱コンピューティング用のメカニカル トランジスタ。 a) 温度信号を伝えるための 3 つの入力端子 (i) ～ (iii) と 1 つの出力端子で構成される機械的トランジスタ、双安定アクチュエータ (iv)、および非対称変位から作製された切紙にヒントを得た熱機械センサー (v) の概略図ポリカーボネート（PC）とインバー合金で構成されたアンプ。 l と w の寸法はそれぞれ 250 mm、85 mm です。 (画像は Wiley-VCH Verlag の許可を得て doi:10.1002/adfm.202401244 から引用) 研究チームが開発した機械式トランジスタは、XNUMX つの熱入力端子と XNUMX つの熱出力端子、および切り替え可能なコンポーネントと温度応答性材料で構成されています。 。 ポリカーボネートとインバー合金を組み合わせた温度応答性素材は、温度変化に応じて形状が変化します。 熱すると伸び、冷やすと縮みます。 この形状変化は、切り替え可能なコンポーネントの状態を制御するために使用され、2 つの安定した構成の間でスナップしてバイナリ状態を表すことができます。
研究者らは、これらの機械的トランジスタをさまざまな構成に配置することで、NOT、OR、AND、NOR、NAND、XOR、XNOR などの論理ゲートの完全なスイートを構築できることを実証しました。 注目すべきことに、熱入力源を再構成するだけで、単一の機械トランジスタを再プログラムしてさまざまな論理機能を実行できるため、電子回路では見られないレベルの柔軟性と効率が得られます。
機械的トランジスタを組み合わせて、より複雑なコンピューティング要素を作成することもできます。 研究者らは、相互接続された 2 つの機械的トランジスタが、情報を保存および検索できる基本的なメモリ ユニットをどのように形成できるかを示しています。 さらに、切り替え可能なコンポーネントに形状記憶ポリマーを使用することで、不揮発性メモリ機能が可能になり、デバイスの電源がオフになっても保存された情報が保持されます。 同じデバイス内でのロジックとメモリのこの統合は、従来のコンピューティング アーキテクチャの制限を克服することを約束するパラダイムであるインメモリ コンピューティングへの道を開きます。
機械的トランジスタの可能性を実証するために、研究者らはコンピューティング システムの重要なコンポーネントである算術論理演算ユニットを構築しました。 注目すべきことに、その設計では、通常 38 個の電子トランジスタが必要となる同じ算術演算を実行するのに、わずか XNUMX 個の機械トランジスタしか必要としません。 このコンポーネント数の大幅な削減により、機械的コンピューティング アプローチの効率性と拡張性が強調されます。
研究者らは、純粋な計算を超えて、機械的トランジスタがどのように環境適応システムを可能にするかについても実証しています。 2 つの機械的トランジスタを順番に配置することで、周囲温度の変化に応答してソーラー パネルの展開を制御できるデバイスを作成します。 このアプリケーションは、極端な温度変動や放射線被ばくのために電子部品が適さない可能性がある航空宇宙など、環境と相互作用して環境に適応できる自律システムを促進するメカニカル コンピューティングの可能性を示しています。
このメカニカル トランジスタの開発はメカニカル コンピューティングの分野における重要なマイルストーンですが、課題はまだ残っています。 熱放散と伝導損失は、これらのデバイスの拡張性と実用化にとって重要な考慮事項です。 メカニカルコンピューティングの可能性を完全に実現するには、将来の研究でこれらの問題に対処する必要があります。
それにもかかわらず、この研究チームが開発した機械的トランジスタは、計算と物理世界の間の境界がますます曖昧になる未来を垣間見ることができます。 メカニカルコンピューティングは、材料と構造の固有の特性を利用することにより、適応性があり、効率的で、環境に対応したシステムの新たな波をもたらす可能性を秘めています。
熱コンピューティング用のメカニカル トランジスタ。 a) 温度信号を伝えるための 3 つの入力端子 (i) ～ (iii) と 1 つの出力端子で構成される機械的トランジスタ、双安定アクチュエータ (iv)、および非対称変位から作製された切紙にヒントを得た熱機械センサー (v) の概略図ポリカーボネート（PC）とインバー合金で構成されたアンプ。 l と w の寸法はそれぞれ 250 mm、85 mm です。 (画像は Wiley-VCH Verlag の許可を得て doi:10.1002/adfm.202401244 から引用) 研究チームが開発した機械式トランジスタは、XNUMX つの熱入力端子と XNUMX つの熱出力端子、および切り替え可能なコンポーネントと温度応答性材料で構成されています。 。 ポリカーボネートとインバー合金を組み合わせた温度応答性素材は、温度変化に応じて形状が変化します。 熱すると伸び、冷やすと縮みます。 この形状変化は、切り替え可能なコンポーネントの状態を制御するために使用され、2 つの安定した構成の間でスナップしてバイナリ状態を表すことができます。
研究者らは、これらの機械的トランジスタをさまざまな構成に配置することで、NOT、OR、AND、NOR、NAND、XOR、XNOR などの論理ゲートの完全なスイートを構築できることを実証しました。 注目すべきことに、熱入力源を再構成するだけで、単一の機械トランジスタを再プログラムしてさまざまな論理機能を実行できるため、電子回路では見られないレベルの柔軟性と効率が得られます。
機械的トランジスタを組み合わせて、より複雑なコンピューティング要素を作成することもできます。 研究者らは、相互接続された 2 つの機械的トランジスタが、情報を保存および検索できる基本的なメモリ ユニットをどのように形成できるかを示しています。 さらに、切り替え可能なコンポーネントに形状記憶ポリマーを使用することで、不揮発性メモリ機能が可能になり、デバイスの電源がオフになっても保存された情報が保持されます。 同じデバイス内でのロジックとメモリのこの統合は、従来のコンピューティング アーキテクチャの制限を克服することを約束するパラダイムであるインメモリ コンピューティングへの道を開きます。
機械的トランジスタの可能性を実証するために、研究者らはコンピューティング システムの重要なコンポーネントである算術論理演算ユニットを構築しました。 注目すべきことに、その設計では、通常 38 個の電子トランジスタが必要となる同じ算術演算を実行するのに、わずか XNUMX 個の機械トランジスタしか必要としません。 このコンポーネント数の大幅な削減により、機械的コンピューティング アプローチの効率性と拡張性が強調されます。
研究者らは、純粋な計算を超えて、機械的トランジスタがどのように環境適応システムを可能にするかについても実証しています。 2 つの機械的トランジスタを順番に配置することで、周囲温度の変化に応答してソーラー パネルの展開を制御できるデバイスを作成します。 このアプリケーションは、極端な温度変動や放射線被ばくのために電子部品が適さない可能性がある航空宇宙など、環境と相互作用して環境に適応できる自律システムを促進するメカニカル コンピューティングの可能性を示しています。
このメカニカル トランジスタの開発はメカニカル コンピューティングの分野における重要なマイルストーンですが、課題はまだ残っています。 熱放散と伝導損失は、これらのデバイスの拡張性と実用化にとって重要な考慮事項です。 メカニカルコンピューティングの可能性を完全に実現するには、将来の研究でこれらの問題に対処する必要があります。
それにもかかわらず、この研究チームが開発した機械的トランジスタは、計算と物理世界の間の境界がますます曖昧になる未来を垣間見ることができます。 メカニカルコンピューティングは、材料と構造の固有の特性を利用することにより、適応性があり、効率的で、環境に対応したシステムの新たな波をもたらす可能性を秘めています。
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
ナノ社会：技術の境界を押し上げる,
ナノテクノロジー：未来は小さい,
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- 情報源： https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
