26. mars 2024 (Nanowerk Spotlight) Innen databehandling, det elektroniske transistor har lenge vært den dominerende teknologien. Siden oppfinnelsen i 1947 har denne lille enheten blitt grunnlaget for moderne elektronikk, og muliggjør den digitale revolusjonen som har forvandlet nesten alle aspekter av livene våre. Til tross for sin allestedsnærværende og enestående suksess, har den elektroniske transistoren sine begrensninger. Høyt strømforbruk, sårbarhet for ekstreme miljøforhold og mangel på direkte interaksjon med ytre stimuli som varme, kraft og trykk har motivert forskere til å utforske alternative tilnærminger til beregning. Det er her mekanisk databehandling kommer inn. I motsetning til elektronisk databehandling er mekanisk databehandling avhengig av fysisk manipulering av materialer og strukturer for å utføre logiske operasjoner. Denne tilnærmingen gir flere fordeler, inkludert lavere strømforbruk, økt sikkerhet og muligheten til å operere i tøffe miljøer der elektroniske komponenter ofte svikter. Dessuten kan mekaniske dataenheter utformes for å reagere direkte på og behandle miljøinndata, noe som åpner for nye muligheter for desentralisert intelligens og adaptive systemer. Til tross for potensialet til mekanisk databehandling, har fremgang på feltet blitt hindret av ad hoc-naturen til eksisterende design. Mest forskning har fokusert på å lage enkle logiske porter, som mangler modulariteten og skalerbarheten som er nødvendig for mer avanserte applikasjoner. I tillegg er mange mekaniske datasystemer fortsatt avhengige av manuell tilbakestilling eller elektriske signaler for inngang og utgang, noe som begrenser deres autonomi og miljørespons. Nå har et team av forskere fra Shanghai Jiao Tong University gjort et betydelig fremskritt når det gjelder å takle disse utfordringene. I en fersk studie publisert i tidsskriftet Avanserte funksjonelle materialer ("Termisk databehandling med mekaniske transistorer"), introduserer de en ny mekanisk transistor som kombinerer et temperaturresponsivt materiale og en byttbar struktur. Denne innovative designen muliggjør konstruksjon av komplekse logiske kretser og minnelagring, alt uten behov for strøm.
En mekanisk transistor for termisk databehandling. a) Skjematisk av en mekanisk transistor som består av tre inngangsterminaler (i)-(iii) og en utgangsterminal for å overføre temperatursignaler, en bistabil aktuator (iv) og en Kirigami-inspirert termomekanisk sensor (v) laget av en asymmetrisk forskyvning forsterker sammensatt av polykarbonat (PC) og invar-legering. Dimensjonene til l og w er henholdsvis 250 og 85 mm. (Bilde tilpasset fra doi:10.1002/adfm.202401244 med tillatelse fra Wiley-VCH Verlag) Den mekaniske transistoren utviklet av forskerteamet består av tre termiske inngangsterminaler og en termisk utgangsterminal, sammen med en koblingsbar komponent og et temperaturresponsivt materiale . Det temperaturfølsomme materialet, laget av en kombinasjon av polykarbonat og en invar-legering, endrer form som svar på temperaturvariasjoner. Ved oppvarming forlenges den, og når den avkjøles trekker den seg sammen. Denne formendringen brukes til å kontrollere tilstanden til den byttebare komponenten, som kan knipse mellom to stabile konfigurasjoner for å representere binære tilstander.
Ved å arrangere disse mekaniske transistorene i forskjellige konfigurasjoner, demonstrerer forskerne evnen til å konstruere en full pakke med logiske porter, inkludert NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR og XNOR. Bemerkelsesverdig nok kan en enkelt mekanisk transistor omprogrammeres til å utføre forskjellige logiske funksjoner ganske enkelt ved å rekonfigurere de termiske inngangskildene, og tilby et nivå av fleksibilitet og effektivitet som ikke sees i elektroniske kretser.
De mekaniske transistorene kan også kombineres for å lage mer komplekse dataelementer. Forskerne viser hvordan to sammenkoblede mekaniske transistorer kan danne en grunnleggende minneenhet, i stand til å lagre og hente informasjon. Videre, ved å bruke en form-minne-polymer i den byttebare komponenten, muliggjør de ikke-flyktig minnefunksjonalitet, noe som betyr at den lagrede informasjonen beholdes selv når enheten er slått av. Denne integrasjonen av logikk og minne i samme enhet baner vei for in-memory computing, et paradigme som lover å overvinne begrensningene til tradisjonelle dataarkitekturer.
For å vise frem potensialet til deres mekaniske transistorer, konstruerer forskerne en aritmetisk logisk enhet, en nøkkelkomponent i datasystemer. Bemerkelsesverdig nok krever designen deres bare syv mekaniske transistorer for å utføre den samme aritmetiske operasjonen som vanligvis vil kreve 38 elektroniske transistorer. Denne drastiske reduksjonen i komponentantall fremhever effektiviteten og skalerbarheten til den mekaniske databehandlingsmetoden.
Utover ren beregning, demonstrerer forskerne også hvordan deres mekaniske transistorer kan muliggjøre miljøtilpasningssystemer. Ved å arrangere to mekaniske transistorer i en sekvens, skaper de en enhet som er i stand til å reagere på omgivelsestemperaturendringer for å kontrollere utplasseringen av solcellepaneler. Denne applikasjonen illustrerer potensialet for mekanisk databehandling for å lette autonome systemer som kan samhandle med og tilpasse seg omgivelsene, for eksempel i romfart, hvor elektroniske komponenter kanskje ikke er egnet på grunn av ekstreme temperatursvingninger og strålingseksponering.
Mens utviklingen av denne mekaniske transistoren representerer en betydelig milepæl innen mekanisk databehandling, gjenstår det utfordringer. Varmespredning og ledningstap er kritiske hensyn for skalerbarhet og praktisk anvendelse av disse enhetene. Fremtidig forskning vil måtte ta tak i disse problemene for fullt ut å realisere potensialet til mekanisk databehandling.
Likevel gir den mekaniske transistoren utviklet av dette forskerteamet et glimt inn i en fremtid der grensene mellom beregning og den fysiske verden blir stadig mer utvisket. Ved å utnytte de iboende egenskapene til materialer og strukturer, har mekanisk databehandling potensial til å innlede en ny bølge av adaptive, effektive og miljøvennlige systemer.
En mekanisk transistor for termisk databehandling. a) Skjematisk av en mekanisk transistor som består av tre inngangsterminaler (i)-(iii) og en utgangsterminal for å overføre temperatursignaler, en bistabil aktuator (iv) og en Kirigami-inspirert termomekanisk sensor (v) laget av en asymmetrisk forskyvning forsterker sammensatt av polykarbonat (PC) og invar-legering. Dimensjonene til l og w er henholdsvis 250 og 85 mm. (Bilde tilpasset fra doi:10.1002/adfm.202401244 med tillatelse fra Wiley-VCH Verlag) Den mekaniske transistoren utviklet av forskerteamet består av tre termiske inngangsterminaler og en termisk utgangsterminal, sammen med en koblingsbar komponent og et temperaturresponsivt materiale . Det temperaturfølsomme materialet, laget av en kombinasjon av polykarbonat og en invar-legering, endrer form som svar på temperaturvariasjoner. Ved oppvarming forlenges den, og når den avkjøles trekker den seg sammen. Denne formendringen brukes til å kontrollere tilstanden til den byttebare komponenten, som kan knipse mellom to stabile konfigurasjoner for å representere binære tilstander.
Ved å arrangere disse mekaniske transistorene i forskjellige konfigurasjoner, demonstrerer forskerne evnen til å konstruere en full pakke med logiske porter, inkludert NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR og XNOR. Bemerkelsesverdig nok kan en enkelt mekanisk transistor omprogrammeres til å utføre forskjellige logiske funksjoner ganske enkelt ved å rekonfigurere de termiske inngangskildene, og tilby et nivå av fleksibilitet og effektivitet som ikke sees i elektroniske kretser.
De mekaniske transistorene kan også kombineres for å lage mer komplekse dataelementer. Forskerne viser hvordan to sammenkoblede mekaniske transistorer kan danne en grunnleggende minneenhet, i stand til å lagre og hente informasjon. Videre, ved å bruke en form-minne-polymer i den byttebare komponenten, muliggjør de ikke-flyktig minnefunksjonalitet, noe som betyr at den lagrede informasjonen beholdes selv når enheten er slått av. Denne integrasjonen av logikk og minne i samme enhet baner vei for in-memory computing, et paradigme som lover å overvinne begrensningene til tradisjonelle dataarkitekturer.
For å vise frem potensialet til deres mekaniske transistorer, konstruerer forskerne en aritmetisk logisk enhet, en nøkkelkomponent i datasystemer. Bemerkelsesverdig nok krever designen deres bare syv mekaniske transistorer for å utføre den samme aritmetiske operasjonen som vanligvis vil kreve 38 elektroniske transistorer. Denne drastiske reduksjonen i komponentantall fremhever effektiviteten og skalerbarheten til den mekaniske databehandlingsmetoden.
Utover ren beregning, demonstrerer forskerne også hvordan deres mekaniske transistorer kan muliggjøre miljøtilpasningssystemer. Ved å arrangere to mekaniske transistorer i en sekvens, skaper de en enhet som er i stand til å reagere på omgivelsestemperaturendringer for å kontrollere utplasseringen av solcellepaneler. Denne applikasjonen illustrerer potensialet for mekanisk databehandling for å lette autonome systemer som kan samhandle med og tilpasse seg omgivelsene, for eksempel i romfart, hvor elektroniske komponenter kanskje ikke er egnet på grunn av ekstreme temperatursvingninger og strålingseksponering.
Mens utviklingen av denne mekaniske transistoren representerer en betydelig milepæl innen mekanisk databehandling, gjenstår det utfordringer. Varmespredning og ledningstap er kritiske hensyn for skalerbarhet og praktisk anvendelse av disse enhetene. Fremtidig forskning vil måtte ta tak i disse problemene for fullt ut å realisere potensialet til mekanisk databehandling.
Likevel gir den mekaniske transistoren utviklet av dette forskerteamet et glimt inn i en fremtid der grensene mellom beregning og den fysiske verden blir stadig mer utvisket. Ved å utnytte de iboende egenskapene til materialer og strukturer, har mekanisk databehandling potensial til å innlede en ny bølge av adaptive, effektive og miljøvennlige systemer.
– Michael er forfatter av tre bøker av Royal Society of Chemistry:
Nano-samfunnet: Skyver teknologiens grenser,
Nanoteknologi: Fremtiden er litenog
Nanoengineering: Ferdighetene og verktøyene som gjør teknologien usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gjesteforfatter! Bli med i vår store og voksende gruppe gjestebidragere. Har du nettopp publisert en vitenskapelig artikkel eller har andre spennende utvikling å dele med nanoteknologisamfunnet? Slik publiserer du på nanowerk.com.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
