26 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerk聚光燈）在計算領域，電子 晶體管 長期以來一直是主導技術。自 1947 年發明以來，這種微型設備已成為現代電子產品的基礎，引發了數位革命，幾乎改變了我們生活的方方面面。然而，儘管電子晶體管無處不在且取得了無與倫比的成功，但它也有其局限性。高功耗、易受極端環境條件影響以及缺乏與熱、力和壓力等外部刺激的直接交互作用，促使研究人員探索替代計算方法。這就是機械計算的用武之地。與電子計算不同，機械計算依賴材料和結構的物理操作來執行邏輯運算。這種方法具有多種優點，包括更低的功耗、更高的安全性以及能夠在電子元件經常發生故障的惡劣環境中運作。此外，機械計算設備可以設計為直接響應和處理環境輸入，為分散式智慧和自適應系統開闢了新的可能性。儘管機械計算具有潛力，但現有設計的臨時性阻礙了該領域的進展。大多數研究都集中在簡單邏輯閘的創建上，缺乏更高級應用所需的模組化和可擴展性。此外，許多機械計算系統仍然依賴手動重置或電訊號進行輸入和輸出，限制了它們的自主性和環境響應能力。現在，上海交通大學的一組研究人員在應對這些挑戰方面取得了重大進展。在最近發表在該雜誌上的一項研究中 高級功能材料 (“機械電晶體的熱計算”），他們推出了一種新穎的機械晶體管，它結合了溫度響應材料和可切換結構。這種創新設計可以建構複雜的邏輯電路和記憶體存儲，而無需電力。
用於熱計算的機械晶體管。 a）由三個輸入端子（i）-（iii）和一個用於傳輸溫度訊號的輸出端子、雙穩態執行器（iv）和由不對稱位移製成的受剪紙啟發的熱機械感測器（v ）組成的機械電晶體示意圖放大器由聚碳酸酯（PC）和因瓦合金組成。 l 和 w 的尺寸分別為 250 和 85 毫米。 （圖片改編自 doi:10.1002/adfm.202401244，經 Wiley-VCH Verlag 許可）研究團隊開發的機械電晶體由三個熱輸入端和一個熱輸出端，以及一個可開關元件和一種溫度響應材料組成。 這種溫度響應材料由聚碳酸酯和殷鋼合金製成，可根據溫度變化而改變形狀。 加熱時，它會伸長，冷卻時，它會收縮。 這種形狀變化用於控制可切換組件的狀態，該組件可以在兩個穩定配置之間切換以表示二元狀態。
透過以各種配置排列這些機械晶體管，研究人員展示了建造全套邏輯閘的能力，包括 NOT、OR、AND、NOR、NAND、XOR 和 XNOR。 值得注意的是，只需重新配置熱輸入源，就可以對單一機械電晶體進行重新編程，以執行不同的邏輯功能，從而提供電子電路中所沒有的靈活性和效率。
機械晶體管還可以組合起來創建更複雜的計算元件。 研究人員展示了兩個互連的機械電晶體如何形成一個基本的儲存單元，能夠儲存和檢索資訊。 此外，透過在可切換組件中使用形狀記憶聚合物，它們可以實現非揮發性儲存功能，這意味著即使設備斷電，儲存的資訊也能保留。 這種邏輯和內存在同一裝置中的集合成為記憶體運算鋪平了道路，這種範式有望克服傳統運算架構的限制。
為了展示機械電晶體的潛力，研究人員建構了算術邏輯單元，這是計算系統的關鍵組件。 值得注意的是，他們的設計只需要 38 個機械電晶體即可執行通常需要 XNUMX 個電子電晶體的相同算術運算。 組件數量的大幅減少凸顯了機械計算方法的效率和可擴展性。
除了純粹的計算之外，研究人員還展示了他們的機械晶體管如何實現環境自適應系統。 透過按順序排列兩個機械晶體管，他們創建了一種能夠響應環境溫度變化來控制太陽能電池板部署的設備。 該應用說明了機械運算在促進自主系統方面的潛力，這些系統可以與周圍環境互動並適應周圍環境，例如在航空航天領域，由於極端的溫度波動和輻射暴露，電子元件可能不適合該領域。
雖然這種機械晶體管的開發代表了機械計算領域的一個重要里程碑，但挑戰仍然存在。 散熱和傳導損耗是這些設備的可擴展性和實際應用的關鍵考慮因素。 未來的研究需要解決這些問題，以充分發揮機械運算的潛力。
儘管如此，該研究團隊開發的機械晶體管讓我們得以一窺計算與物理世界之間的界限日益模糊的未來。 透過利用材料和結構的固有特性，機械運算有可能引領自適應、高效和環境響應系統的新浪潮。
用於熱計算的機械晶體管。 a）由三個輸入端子（i）-（iii）和一個用於傳輸溫度訊號的輸出端子、雙穩態執行器（iv）和由不對稱位移製成的受剪紙啟發的熱機械感測器（v ）組成的機械電晶體示意圖放大器由聚碳酸酯（PC）和因瓦合金組成。 l 和 w 的尺寸分別為 250 和 85 毫米。 （圖片改編自 doi:10.1002/adfm.202401244，經 Wiley-VCH Verlag 許可）研究團隊開發的機械電晶體由三個熱輸入端和一個熱輸出端，以及一個可開關元件和一種溫度響應材料組成。 這種溫度響應材料由聚碳酸酯和殷鋼合金製成，可根據溫度變化而改變形狀。 加熱時，它會伸長，冷卻時，它會收縮。 這種形狀變化用於控制可切換組件的狀態，該組件可以在兩個穩定配置之間切換以表示二元狀態。
透過以各種配置排列這些機械晶體管，研究人員展示了建造全套邏輯閘的能力，包括 NOT、OR、AND、NOR、NAND、XOR 和 XNOR。 值得注意的是，只需重新配置熱輸入源，就可以對單一機械電晶體進行重新編程，以執行不同的邏輯功能，從而提供電子電路中所沒有的靈活性和效率。
機械晶體管還可以組合起來創建更複雜的計算元件。 研究人員展示了兩個互連的機械電晶體如何形成一個基本的儲存單元，能夠儲存和檢索資訊。 此外，透過在可切換組件中使用形狀記憶聚合物，它們可以實現非揮發性儲存功能，這意味著即使設備斷電，儲存的資訊也能保留。 這種邏輯和內存在同一裝置中的集合成為記憶體運算鋪平了道路，這種範式有望克服傳統運算架構的限制。
為了展示機械電晶體的潛力，研究人員建構了算術邏輯單元，這是計算系統的關鍵組件。 值得注意的是，他們的設計只需要 38 個機械電晶體即可執行通常需要 XNUMX 個電子電晶體的相同算術運算。 組件數量的大幅減少凸顯了機械計算方法的效率和可擴展性。
除了純粹的計算之外，研究人員還展示了他們的機械晶體管如何實現環境自適應系統。 透過按順序排列兩個機械晶體管，他們創建了一種能夠響應環境溫度變化來控制太陽能電池板部署的設備。 該應用說明了機械運算在促進自主系統方面的潛力，這些系統可以與周圍環境互動並適應周圍環境，例如在航空航天領域，由於極端的溫度波動和輻射暴露，電子元件可能不適合該領域。
雖然這種機械晶體管的開發代表了機械計算領域的一個重要里程碑，但挑戰仍然存在。 散熱和傳導損耗是這些設備的可擴展性和實際應用的關鍵考慮因素。 未來的研究需要解決這些問題，以充分發揮機械運算的潛力。
儘管如此，該研究團隊開發的機械晶體管讓我們得以一窺計算與物理世界之間的界限日益模糊的未來。 透過利用材料和結構的固有特性，機械運算有可能引領自適應、高效和環境響應系統的新浪潮。
By
邁克爾·
伯傑
– Michael 是皇家化學學會三本書的作者：
納米社會：突破技術邊界,
納米技術：微小的未來和
納米工程：看不見的技能和工具
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