26 maart 2024 (Nanowerk-schijnwerper) Op het gebied van computers, de elektronische transistor is lange tijd de dominante technologie geweest. Sinds de uitvinding in 1947 is dit kleine apparaat de basis geworden van de moderne elektronica, waardoor de digitale revolutie mogelijk is geworden die bijna elk aspect van ons leven heeft getransformeerd. Ondanks zijn alomtegenwoordigheid en ongeëvenaarde succes heeft de elektronische transistor echter zijn beperkingen. Een hoog energieverbruik, kwetsbaarheid voor extreme omgevingsomstandigheden en een gebrek aan directe interactie met externe stimuli zoals hitte, kracht en druk hebben onderzoekers gemotiveerd om alternatieve berekeningsmethoden te onderzoeken. Hier komt mechanisch computergebruik om de hoek kijken. In tegenstelling tot elektronisch computergebruik is mechanisch computergebruik afhankelijk van de fysieke manipulatie van materialen en structuren om logische bewerkingen uit te voeren. Deze aanpak biedt verschillende voordelen, waaronder een lager energieverbruik, verhoogde veiligheid en de mogelijkheid om te werken in zware omgevingen waar elektronische componenten vaak falen. Bovendien kunnen mechanische computerapparatuur worden ontworpen om direct te reageren op omgevingsinvloeden en deze te verwerken, waardoor nieuwe mogelijkheden worden geopend voor gedecentraliseerde intelligentie en adaptieve systemen. Ondanks het potentieel van mechanisch computergebruik wordt de vooruitgang op dit gebied belemmerd door het ad-hockarakter van bestaande ontwerpen. Het meeste onderzoek heeft zich geconcentreerd op het creëren van eenvoudige logische poorten, waarbij de modulariteit en schaalbaarheid ontbreken die nodig is voor meer geavanceerde toepassingen. Bovendien zijn veel mechanische computersystemen nog steeds afhankelijk van handmatige resets of elektrische signalen voor invoer en uitvoer, waardoor hun autonomie en reactievermogen op de omgeving worden beperkt. Nu heeft een team van onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong Universiteit een aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het aanpakken van deze uitdagingen. Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen (“Thermische computers met mechanische transistors”), introduceren ze een nieuwe mechanische transistor die een temperatuurgevoelig materiaal en een schakelbare structuur combineert. Dit innovatieve ontwerp maakt de constructie van complexe logische circuits en geheugenopslag mogelijk, allemaal zonder de noodzaak van elektriciteit.
Een mechanische transistor voor thermisch computergebruik. a) Schematische weergave van een mechanische transistor bestaande uit drie ingangsterminals (i) - (iii) en één uitgangsterminal voor het transporteren van temperatuursignalen, een bistabiele actuator (iv) en een op Kirigami geïnspireerde thermomechanische sensor (v) vervaardigd uit een asymmetrische verplaatsing versterker samengesteld uit polycarbonaat (PC) en invar-legering. De afmetingen van l en b zijn respectievelijk 250 en 85 mm. (Afbeelding aangepast van doi:10.1002/adfm.202401244 met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De mechanische transistor ontwikkeld door het onderzoeksteam bestaat uit drie thermische ingangsterminals en één thermische uitgangsterminal, samen met een schakelbare component en een temperatuurgevoelig materiaal . Het temperatuurgevoelige materiaal, gemaakt van een combinatie van polycarbonaat en een invar-legering, verandert van vorm als reactie op temperatuurschommelingen. Bij verhitting wordt het langer en bij afkoeling krimpt het. Deze vormverandering wordt gebruikt om de status van de schakelbare component te regelen, die tussen twee stabiele configuraties kan schakelen om binaire toestanden weer te geven.
Door deze mechanische transistors in verschillende configuraties te rangschikken, demonstreren de onderzoekers het vermogen om een volledige reeks logische poorten te construeren, waaronder NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR en XNOR. Opmerkelijk is dat een enkele mechanische transistor kan worden geherprogrammeerd om verschillende logische functies uit te voeren, simpelweg door de thermische invoerbronnen opnieuw te configureren, wat een niveau van flexibiliteit en efficiëntie biedt dat niet te zien is in elektronische circuits.
De mechanische transistors kunnen ook worden gecombineerd om complexere computerelementen te creëren. De onderzoekers laten zien hoe twee onderling verbonden mechanische transistors een basisgeheugeneenheid kunnen vormen, die informatie kan opslaan en ophalen. Bovendien maken ze door het gebruik van een vormgeheugenpolymeer in de schakelbare component niet-vluchtige geheugenfunctionaliteit mogelijk, wat betekent dat de opgeslagen informatie behouden blijft, zelfs als het apparaat is uitgeschakeld. Deze integratie van logica en geheugen binnen hetzelfde apparaat maakt de weg vrij voor in-memory computing, een paradigma dat belooft de beperkingen van traditionele computerarchitecturen te overwinnen.
Om het potentieel van hun mechanische transistors te demonstreren, construeren de onderzoekers een rekenkundige logische eenheid, een sleutelcomponent van computersystemen. Opmerkelijk genoeg vereist hun ontwerp slechts zeven mechanische transistors om dezelfde rekenkundige bewerking uit te voeren waarvoor normaal gesproken 38 elektronische transistors nodig zijn. Deze drastische vermindering van het aantal componenten benadrukt de efficiëntie en schaalbaarheid van de mechanische computerbenadering.
Naast pure berekeningen laten de onderzoekers ook zien hoe hun mechanische transistors omgevingsadaptieve systemen mogelijk kunnen maken. Door twee mechanische transistors achter elkaar te plaatsen, creëren ze een apparaat dat kan reageren op veranderingen in de omgevingstemperatuur om de inzet van zonnepanelen te controleren. Deze toepassing illustreert het potentieel van mechanisch computergebruik om autonome systemen te faciliteren die kunnen communiceren met en zich kunnen aanpassen aan hun omgeving, zoals in de lucht- en ruimtevaart, waar elektronische componenten mogelijk niet geschikt zijn vanwege extreme temperatuurschommelingen en blootstelling aan straling.
Hoewel de ontwikkeling van deze mechanische transistor een belangrijke mijlpaal betekent op het gebied van mechanisch computergebruik, blijven er uitdagingen bestaan. Warmtedissipatie en geleidingsverliezen zijn kritische overwegingen voor de schaalbaarheid en praktische toepassing van deze apparaten. Toekomstig onderzoek zal deze problemen moeten aanpakken om het potentieel van mechanisch computergebruik volledig te realiseren.
Niettemin biedt de mechanische transistor die door dit onderzoeksteam is ontwikkeld een kijkje in een toekomst waarin de grenzen tussen computergebruik en de fysieke wereld steeds vager worden. Door de inherente eigenschappen van materialen en structuren te benutten, heeft mechanisch computergebruik het potentieel om een nieuwe golf van adaptieve, efficiënte en milieuvriendelijke systemen in te luiden.
Een mechanische transistor voor thermisch computergebruik. a) Schematische weergave van een mechanische transistor bestaande uit drie ingangsterminals (i) - (iii) en één uitgangsterminal voor het transporteren van temperatuursignalen, een bistabiele actuator (iv) en een op Kirigami geïnspireerde thermomechanische sensor (v) vervaardigd uit een asymmetrische verplaatsing versterker samengesteld uit polycarbonaat (PC) en invar-legering. De afmetingen van l en b zijn respectievelijk 250 en 85 mm. (Afbeelding aangepast van doi:10.1002/adfm.202401244 met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De mechanische transistor ontwikkeld door het onderzoeksteam bestaat uit drie thermische ingangsterminals en één thermische uitgangsterminal, samen met een schakelbare component en een temperatuurgevoelig materiaal . Het temperatuurgevoelige materiaal, gemaakt van een combinatie van polycarbonaat en een invar-legering, verandert van vorm als reactie op temperatuurschommelingen. Bij verhitting wordt het langer en bij afkoeling krimpt het. Deze vormverandering wordt gebruikt om de status van de schakelbare component te regelen, die tussen twee stabiele configuraties kan schakelen om binaire toestanden weer te geven.
Door deze mechanische transistors in verschillende configuraties te rangschikken, demonstreren de onderzoekers het vermogen om een volledige reeks logische poorten te construeren, waaronder NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR en XNOR. Opmerkelijk is dat een enkele mechanische transistor kan worden geherprogrammeerd om verschillende logische functies uit te voeren, simpelweg door de thermische invoerbronnen opnieuw te configureren, wat een niveau van flexibiliteit en efficiëntie biedt dat niet te zien is in elektronische circuits.
De mechanische transistors kunnen ook worden gecombineerd om complexere computerelementen te creëren. De onderzoekers laten zien hoe twee onderling verbonden mechanische transistors een basisgeheugeneenheid kunnen vormen, die informatie kan opslaan en ophalen. Bovendien maken ze door het gebruik van een vormgeheugenpolymeer in de schakelbare component niet-vluchtige geheugenfunctionaliteit mogelijk, wat betekent dat de opgeslagen informatie behouden blijft, zelfs als het apparaat is uitgeschakeld. Deze integratie van logica en geheugen binnen hetzelfde apparaat maakt de weg vrij voor in-memory computing, een paradigma dat belooft de beperkingen van traditionele computerarchitecturen te overwinnen.
Om het potentieel van hun mechanische transistors te demonstreren, construeren de onderzoekers een rekenkundige logische eenheid, een sleutelcomponent van computersystemen. Opmerkelijk genoeg vereist hun ontwerp slechts zeven mechanische transistors om dezelfde rekenkundige bewerking uit te voeren waarvoor normaal gesproken 38 elektronische transistors nodig zijn. Deze drastische vermindering van het aantal componenten benadrukt de efficiëntie en schaalbaarheid van de mechanische computerbenadering.
Naast pure berekeningen laten de onderzoekers ook zien hoe hun mechanische transistors omgevingsadaptieve systemen mogelijk kunnen maken. Door twee mechanische transistors achter elkaar te plaatsen, creëren ze een apparaat dat kan reageren op veranderingen in de omgevingstemperatuur om de inzet van zonnepanelen te controleren. Deze toepassing illustreert het potentieel van mechanisch computergebruik om autonome systemen te faciliteren die kunnen communiceren met en zich kunnen aanpassen aan hun omgeving, zoals in de lucht- en ruimtevaart, waar elektronische componenten mogelijk niet geschikt zijn vanwege extreme temperatuurschommelingen en blootstelling aan straling.
Hoewel de ontwikkeling van deze mechanische transistor een belangrijke mijlpaal betekent op het gebied van mechanisch computergebruik, blijven er uitdagingen bestaan. Warmtedissipatie en geleidingsverliezen zijn kritische overwegingen voor de schaalbaarheid en praktische toepassing van deze apparaten. Toekomstig onderzoek zal deze problemen moeten aanpakken om het potentieel van mechanisch computergebruik volledig te realiseren.
Niettemin biedt de mechanische transistor die door dit onderzoeksteam is ontwikkeld een kijkje in een toekomst waarin de grenzen tussen computergebruik en de fysieke wereld steeds vager worden. Door de inherente eigenschappen van materialen en structuren te benutten, heeft mechanisch computergebruik het potentieel om een nieuwe golf van adaptieve, efficiënte en milieuvriendelijke systemen in te luiden.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
