26 de março de 2024 (Destaque do Nanowerk) No campo da computação, o eletrônico transistor tem sido a tecnologia dominante. Desde a sua invenção em 1947, este pequeno dispositivo tornou-se a base da electrónica moderna, permitindo a revolução digital que transformou quase todos os aspectos das nossas vidas. No entanto, apesar de sua onipresença e sucesso incomparável, o transistor eletrônico tem suas limitações. O alto consumo de energia, a vulnerabilidade a condições ambientais extremas e a falta de interação direta com estímulos externos, como calor, força e pressão, motivaram os pesquisadores a explorar abordagens alternativas para a computação. É aqui que entra a computação mecânica. Ao contrário da computação eletrônica, a computação mecânica depende da manipulação física de materiais e estruturas para realizar operações lógicas. Esta abordagem oferece diversas vantagens, incluindo menor consumo de energia, maior segurança e a capacidade de operar em ambientes severos onde os componentes eletrônicos falham frequentemente. Além disso, os dispositivos mecânicos de computação podem ser concebidos para responder e processar diretamente os inputs ambientais, abrindo novas possibilidades para a inteligência descentralizada e os sistemas adaptativos. Apesar do potencial da computação mecânica, o progresso na área tem sido prejudicado pela natureza ad hoc dos projetos existentes. A maioria das pesquisas concentrou-se na criação de portas lógicas simples, sem a modularidade e escalabilidade necessárias para aplicações mais avançadas. Além disso, muitos sistemas de computação mecânica ainda dependem de redefinições manuais ou de sinais elétricos para entrada e saída, limitando sua autonomia e capacidade de resposta ambiental. Agora, uma equipa de investigadores da Universidade Jiao Tong de Xangai fez um avanço significativo na abordagem destes desafios. Em um estudo recente publicado na revista Materiais funcionais avançados (“Computação Térmica com Transistores Mecânicos”), eles introduzem um novo transistor mecânico que combina um material sensível à temperatura e uma estrutura comutável. Este design inovador permite a construção de circuitos lógicos complexos e armazenamento de memória, tudo sem a necessidade de eletricidade.
Um transistor mecânico para computação térmica. a) Esquema de um transistor mecânico composto por três terminais de entrada (i)-(iii) e um terminal de saída para transmissão de sinais de temperatura, um atuador biestável (iv) e um sensor termomecânico inspirado em Kirigami (v) fabricado a partir de um deslocamento assimétrico amplificador composto de policarbonato (PC) e liga invar. As dimensões de l e w são 250 e 85 mm, respectivamente. (Imagem adaptada de doi:10.1002/adfm.202401244 com permissão de Wiley-VCH Verlag) O transistor mecânico desenvolvido pela equipe de pesquisa consiste em três terminais de entrada térmica e um terminal de saída térmica, juntamente com um componente comutável e um material sensível à temperatura . O material sensível à temperatura, feito de uma combinação de policarbonato e uma liga invar, muda de forma em resposta às variações de temperatura. Quando aquecido, alonga-se e, quando resfriado, contrai-se. Essa mudança de forma é usada para controlar o estado do componente comutável, que pode alternar entre duas configurações estáveis para representar estados binários.
Ao organizar esses transistores mecânicos em várias configurações, os pesquisadores demonstram a capacidade de construir um conjunto completo de portas lógicas, incluindo NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR e XNOR. Notavelmente, um único transistor mecânico pode ser reprogramado para executar diferentes funções lógicas simplesmente reconfigurando as fontes de entrada térmica, oferecendo um nível de flexibilidade e eficiência não visto em circuitos eletrônicos.
Os transistores mecânicos também podem ser combinados para criar elementos de computação mais complexos. Os pesquisadores mostram como dois transistores mecânicos interligados podem formar uma unidade básica de memória, capaz de armazenar e recuperar informações. Além disso, ao usar um polímero com memória de formato no componente comutável, eles permitem a funcionalidade de memória não volátil, o que significa que as informações armazenadas são retidas mesmo quando o dispositivo é desligado. Esta integração de lógica e memória dentro do mesmo dispositivo abre caminho para a computação in-memory, um paradigma que promete superar as limitações das arquiteturas de computação tradicionais.
Para mostrar o potencial de seus transistores mecânicos, os pesquisadores constroem uma unidade lógica aritmética, um componente-chave dos sistemas de computação. Notavelmente, seu projeto requer apenas sete transistores mecânicos para realizar a mesma operação aritmética que normalmente necessitaria de 38 transistores eletrônicos. Esta redução drástica na contagem de componentes destaca a eficiência e a escalabilidade da abordagem da computação mecânica.
Além da computação pura, os pesquisadores também demonstram como seus transistores mecânicos podem permitir sistemas ambientalmente adaptativos. Ao organizar dois transistores mecânicos em sequência, eles criam um dispositivo capaz de responder às mudanças de temperatura ambiente para controlar a implantação de painéis solares. Esta aplicação ilustra o potencial da computação mecânica para facilitar sistemas autônomos que podem interagir e se adaptar ao ambiente, como na indústria aeroespacial, onde os componentes eletrônicos podem não ser adequados devido a flutuações extremas de temperatura e exposição à radiação.
Embora o desenvolvimento deste transistor mecânico represente um marco significativo no campo da computação mecânica, os desafios permanecem. A dissipação de calor e as perdas de condução são considerações críticas para a escalabilidade e aplicação prática destes dispositivos. Pesquisas futuras precisarão abordar essas questões para concretizar plenamente o potencial da computação mecânica.
No entanto, o transistor mecânico desenvolvido por esta equipa de investigação oferece um vislumbre de um futuro onde as fronteiras entre a computação e o mundo físico estão cada vez mais confusas. Ao aproveitar as propriedades inerentes dos materiais e estruturas, a computação mecânica tem o potencial de inaugurar uma nova onda de sistemas adaptativos, eficientes e ambientalmente responsivos.
Um transistor mecânico para computação térmica. a) Esquema de um transistor mecânico composto por três terminais de entrada (i)-(iii) e um terminal de saída para transmissão de sinais de temperatura, um atuador biestável (iv) e um sensor termomecânico inspirado em Kirigami (v) fabricado a partir de um deslocamento assimétrico amplificador composto de policarbonato (PC) e liga invar. As dimensões de l e w são 250 e 85 mm, respectivamente. (Imagem adaptada de doi:10.1002/adfm.202401244 com permissão de Wiley-VCH Verlag) O transistor mecânico desenvolvido pela equipe de pesquisa consiste em três terminais de entrada térmica e um terminal de saída térmica, juntamente com um componente comutável e um material sensível à temperatura . O material sensível à temperatura, feito de uma combinação de policarbonato e uma liga invar, muda de forma em resposta às variações de temperatura. Quando aquecido, alonga-se e, quando resfriado, contrai-se. Essa mudança de forma é usada para controlar o estado do componente comutável, que pode alternar entre duas configurações estáveis para representar estados binários.
Ao organizar esses transistores mecânicos em várias configurações, os pesquisadores demonstram a capacidade de construir um conjunto completo de portas lógicas, incluindo NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR e XNOR. Notavelmente, um único transistor mecânico pode ser reprogramado para executar diferentes funções lógicas simplesmente reconfigurando as fontes de entrada térmica, oferecendo um nível de flexibilidade e eficiência não visto em circuitos eletrônicos.
Os transistores mecânicos também podem ser combinados para criar elementos de computação mais complexos. Os pesquisadores mostram como dois transistores mecânicos interligados podem formar uma unidade básica de memória, capaz de armazenar e recuperar informações. Além disso, ao usar um polímero com memória de formato no componente comutável, eles permitem a funcionalidade de memória não volátil, o que significa que as informações armazenadas são retidas mesmo quando o dispositivo é desligado. Esta integração de lógica e memória dentro do mesmo dispositivo abre caminho para a computação in-memory, um paradigma que promete superar as limitações das arquiteturas de computação tradicionais.
Para mostrar o potencial de seus transistores mecânicos, os pesquisadores constroem uma unidade lógica aritmética, um componente-chave dos sistemas de computação. Notavelmente, seu projeto requer apenas sete transistores mecânicos para realizar a mesma operação aritmética que normalmente necessitaria de 38 transistores eletrônicos. Esta redução drástica na contagem de componentes destaca a eficiência e a escalabilidade da abordagem da computação mecânica.
Além da computação pura, os pesquisadores também demonstram como seus transistores mecânicos podem permitir sistemas ambientalmente adaptativos. Ao organizar dois transistores mecânicos em sequência, eles criam um dispositivo capaz de responder às mudanças de temperatura ambiente para controlar a implantação de painéis solares. Esta aplicação ilustra o potencial da computação mecânica para facilitar sistemas autônomos que podem interagir e se adaptar ao ambiente, como na indústria aeroespacial, onde os componentes eletrônicos podem não ser adequados devido a flutuações extremas de temperatura e exposição à radiação.
Embora o desenvolvimento deste transistor mecânico represente um marco significativo no campo da computação mecânica, os desafios permanecem. A dissipação de calor e as perdas de condução são considerações críticas para a escalabilidade e aplicação prática destes dispositivos. Pesquisas futuras precisarão abordar essas questões para concretizar plenamente o potencial da computação mecânica.
No entanto, o transistor mecânico desenvolvido por esta equipa de investigação oferece um vislumbre de um futuro onde as fronteiras entre a computação e o mundo físico estão cada vez mais confusas. Ao aproveitar as propriedades inerentes dos materiais e estruturas, a computação mecânica tem o potencial de inaugurar uma nova onda de sistemas adaptativos, eficientes e ambientalmente responsivos.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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- Fonte: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
