26 mars 2024 (Nanowerk Spotlight) Inom datorområdet, det elektroniska transistor har länge varit den dominerande tekniken. Sedan dess uppfinning 1947 har denna lilla enhet blivit grunden för modern elektronik, vilket möjliggör den digitala revolutionen som har förändrat nästan alla aspekter av våra liv. Men trots sin allestädes närvarande och oöverträffade framgång har den elektroniska transistorn sina begränsningar. Hög strömförbrukning, sårbarhet för extrema miljöförhållanden och brist på direkt interaktion med externa stimuli som värme, kraft och tryck har motiverat forskare att utforska alternativa metoder för beräkning. Det är här mekanisk beräkning kommer in. Till skillnad från elektronisk beräkning bygger mekanisk beräkning på fysisk manipulation av material och strukturer för att utföra logiska operationer. Detta tillvägagångssätt erbjuder flera fördelar, inklusive lägre strömförbrukning, ökad säkerhet och möjligheten att arbeta i tuffa miljöer där elektroniska komponenter ofta misslyckas. Dessutom kan mekaniska datorenheter designas för att direkt svara på och bearbeta miljöinput, vilket öppnar upp nya möjligheter för decentraliserad intelligens och adaptiva system. Trots potentialen för mekanisk beräkning har framsteg på området hindrats av ad hoc-karaktären hos befintliga konstruktioner. Mest forskning har fokuserat på skapandet av enkla logiska grindar, som saknar den modularitet och skalbarhet som krävs för mer avancerade applikationer. Dessutom är många mekaniska datorsystem fortfarande beroende av manuella återställningar eller elektriska signaler för in- och utmatning, vilket begränsar deras autonomi och miljökänslighet. Nu har ett team av forskare från Shanghai Jiao Tong University gjort ett betydande framsteg när det gäller att ta itu med dessa utmaningar. I en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften Avancerade funktionella material ("Termisk beräkning med mekaniska transistorer"), introducerar de en ny mekanisk transistor som kombinerar ett temperaturkänsligt material och en omkopplingsbar struktur. Denna innovativa design möjliggör konstruktion av komplexa logiska kretsar och minneslagring, allt utan behov av elektricitet.
En mekanisk transistor för termisk beräkning. a) Schematisk av en mekanisk transistor som består av tre ingångsterminaler (i)-(iii) och en utgångsterminal för att överföra temperatursignaler, ett bistabilt ställdon (iv) och en Kirigami-inspirerad termomekanisk sensor (v) tillverkad av en asymmetrisk förskjutning förstärkare sammansatt av polykarbonat (PC) och invarlegering. Måtten på l och w är 250 respektive 85 mm. (Bilden anpassad från doi:10.1002/adfm.202401244 med tillstånd av Wiley-VCH Verlag) Den mekaniska transistorn som utvecklats av forskargruppen består av tre termiska ingångar och en termisk utgång, tillsammans med en omkopplingsbar komponent och ett temperaturkänsligt material . Det temperaturkänsliga materialet, tillverkat av en kombination av polykarbonat och en invarlegering, ändrar form som svar på temperaturvariationer. När den värms förlängs den och när den kyls drar den ihop sig. Denna formändring används för att styra tillståndet för den omkopplingsbara komponenten, som kan snäppa mellan två stabila konfigurationer för att representera binära tillstånd.
Genom att arrangera dessa mekaniska transistorer i olika konfigurationer demonstrerar forskarna förmågan att konstruera en hel uppsättning logiska grindar, inklusive NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR och XNOR. Anmärkningsvärt nog kan en enda mekanisk transistor omprogrammeras för att utföra olika logiska funktioner helt enkelt genom att omkonfigurera de termiska ingångskällorna, vilket erbjuder en nivå av flexibilitet och effektivitet som inte syns i elektroniska kretsar.
De mekaniska transistorerna kan också kombineras för att skapa mer komplexa beräkningselement. Forskarna visar hur två sammankopplade mekaniska transistorer kan bilda en grundläggande minnesenhet, kapabel att lagra och hämta information. Dessutom, genom att använda en formminnespolymer i den omkopplingsbara komponenten, möjliggör de icke-flyktigt minnesfunktionalitet, vilket innebär att den lagrade informationen behålls även när enheten stängs av. Denna integrering av logik och minne inom samma enhet banar väg för in-memory computing, ett paradigm som lovar att övervinna begränsningarna hos traditionella datorarkitekturer.
För att visa upp potentialen hos deras mekaniska transistorer, konstruerar forskarna en aritmetisk logisk enhet, en nyckelkomponent i datorsystem. Anmärkningsvärt nog kräver deras design endast sju mekaniska transistorer för att utföra samma aritmetiska operation som vanligtvis skulle kräva 38 elektroniska transistorer. Denna drastiska minskning av antalet komponenter framhäver effektiviteten och skalbarheten hos den mekaniska beräkningsmetoden.
Utöver ren beräkning visar forskarna också hur deras mekaniska transistorer kan möjliggöra miljöanpassade system. Genom att arrangera två mekaniska transistorer i en sekvens skapar de en enhet som kan reagera på omgivande temperaturförändringar för att styra utbyggnaden av solpaneler. Den här applikationen illustrerar potentialen för mekanisk beräkning för att underlätta autonoma system som kan interagera med och anpassa sig till sin omgivning, till exempel i rymd, där elektroniska komponenter kanske inte är lämpliga på grund av extrema temperaturfluktuationer och strålningsexponering.
Även om utvecklingen av denna mekaniska transistor representerar en betydande milstolpe inom området för mekanisk beräkning, kvarstår utmaningar. Värmeavledning och ledningsförluster är kritiska överväganden för skalbarheten och den praktiska tillämpningen av dessa enheter. Framtida forskning kommer att behöva ta itu med dessa frågor för att fullt ut förverkliga potentialen med mekanisk beräkning.
Ändå ger den mekaniska transistorn som utvecklats av detta forskarteam en inblick i en framtid där gränserna mellan beräkningar och den fysiska världen blir allt mer suddiga. Genom att utnyttja de inneboende egenskaperna hos material och strukturer har mekanisk beräkning potential att inleda en ny våg av adaptiva, effektiva och miljövänliga system.
En mekanisk transistor för termisk beräkning. a) Schematisk av en mekanisk transistor som består av tre ingångsterminaler (i)-(iii) och en utgångsterminal för att överföra temperatursignaler, ett bistabilt ställdon (iv) och en Kirigami-inspirerad termomekanisk sensor (v) tillverkad av en asymmetrisk förskjutning förstärkare sammansatt av polykarbonat (PC) och invarlegering. Måtten på l och w är 250 respektive 85 mm. (Bilden anpassad från doi:10.1002/adfm.202401244 med tillstånd av Wiley-VCH Verlag) Den mekaniska transistorn som utvecklats av forskargruppen består av tre termiska ingångar och en termisk utgång, tillsammans med en omkopplingsbar komponent och ett temperaturkänsligt material . Det temperaturkänsliga materialet, tillverkat av en kombination av polykarbonat och en invarlegering, ändrar form som svar på temperaturvariationer. När den värms förlängs den och när den kyls drar den ihop sig. Denna formändring används för att styra tillståndet för den omkopplingsbara komponenten, som kan snäppa mellan två stabila konfigurationer för att representera binära tillstånd.
Genom att arrangera dessa mekaniska transistorer i olika konfigurationer demonstrerar forskarna förmågan att konstruera en hel uppsättning logiska grindar, inklusive NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR och XNOR. Anmärkningsvärt nog kan en enda mekanisk transistor omprogrammeras för att utföra olika logiska funktioner helt enkelt genom att omkonfigurera de termiska ingångskällorna, vilket erbjuder en nivå av flexibilitet och effektivitet som inte syns i elektroniska kretsar.
De mekaniska transistorerna kan också kombineras för att skapa mer komplexa beräkningselement. Forskarna visar hur två sammankopplade mekaniska transistorer kan bilda en grundläggande minnesenhet, kapabel att lagra och hämta information. Dessutom, genom att använda en formminnespolymer i den omkopplingsbara komponenten, möjliggör de icke-flyktigt minnesfunktionalitet, vilket innebär att den lagrade informationen behålls även när enheten stängs av. Denna integrering av logik och minne inom samma enhet banar väg för in-memory computing, ett paradigm som lovar att övervinna begränsningarna hos traditionella datorarkitekturer.
För att visa upp potentialen hos deras mekaniska transistorer, konstruerar forskarna en aritmetisk logisk enhet, en nyckelkomponent i datorsystem. Anmärkningsvärt nog kräver deras design endast sju mekaniska transistorer för att utföra samma aritmetiska operation som vanligtvis skulle kräva 38 elektroniska transistorer. Denna drastiska minskning av antalet komponenter framhäver effektiviteten och skalbarheten hos den mekaniska beräkningsmetoden.
Utöver ren beräkning visar forskarna också hur deras mekaniska transistorer kan möjliggöra miljöanpassade system. Genom att arrangera två mekaniska transistorer i en sekvens skapar de en enhet som kan reagera på omgivande temperaturförändringar för att styra utbyggnaden av solpaneler. Den här applikationen illustrerar potentialen för mekanisk beräkning för att underlätta autonoma system som kan interagera med och anpassa sig till sin omgivning, till exempel i rymd, där elektroniska komponenter kanske inte är lämpliga på grund av extrema temperaturfluktuationer och strålningsexponering.
Även om utvecklingen av denna mekaniska transistor representerar en betydande milstolpe inom området för mekanisk beräkning, kvarstår utmaningar. Värmeavledning och ledningsförluster är kritiska överväganden för skalbarheten och den praktiska tillämpningen av dessa enheter. Framtida forskning kommer att behöva ta itu med dessa frågor för att fullt ut förverkliga potentialen med mekanisk beräkning.
Ändå ger den mekaniska transistorn som utvecklats av detta forskarteam en inblick i en framtid där gränserna mellan beräkningar och den fysiska världen blir allt mer suddiga. Genom att utnyttja de inneboende egenskaperna hos material och strukturer har mekanisk beräkning potential att inleda en ny våg av adaptiva, effektiva och miljövänliga system.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
