Forskere ser på tidligere databehandlinger for at låse op for 3-D-printede mekaniske logiske porte for fremtiden

Tager en side fra fortiden, Forskere og ingeniører fra Lawrence Livermore National Laboratory kombinerer mekanisk databehandling med 3-D-udskrivning som en del af et forsøg på at skabe "følende" materialer, der kan reagere på ændringer i deres omgivelser, selv i ekstreme miljøer, der ville ødelægge elektroniske komponenter, såsom høj stråling, varme eller tryk.

Originale computere, ligesom Charles Babbages Difference Engine, var fuldt mekaniske, fyldt med gear og håndtag, der drejede, flyttet og flyttet for at løse komplekse matematiske beregninger. Efter Anden Verdenskrig og fremkomsten af ​​vakuumrør og elektroniske kredsløb, mekaniske computere gik for det meste vejen af ​​dodo.

Imidlertid, sætte et nyt twist på den gamle teknologi, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere og bidragydere fra University of California, Los Angeles (UCLA) er 3-D-printende mekaniske logiske porte - de grundlæggende byggesten i computere, der er i stand til at udføre enhver form for matematiske beregninger.

Ligesom LEGO'er, disse 3-D-printede logiske porte kunne bruges til at bygge næsten alt, forskere sagde, indlejret i enhver form for arkitektonisk materiale og programmeret til at reagere på dets omgivelser ved fysisk at ændre form uden behov for elektricitet - nyttigt i områder med høj stråling, varme eller tryk. Forskningen blev offentliggjort online i dag af tidsskriftet Naturkommunikation .

"Visse elektriske applikationer er begrænsede, der henviser til, at med dette system, materialet kunne fuldstændig omkonfigurere sig selv, " sagde ledende forsker Andy Pascall. "Hvis du indlejrede logiske porte i materiale, at materialet kunne fornemme noget om sit miljø. Det er en måde at have et responsivt materiale på; vi kan lide at kalde det et 'følende' materiale - som kunne have komplicerede reaktioner på temperatur, tryk, osv. Tanken er, at det er ud over at være smart. Den reagerer på en kontrolleret, præcis måde."

Mekaniske logiske porte, selvom det ikke er så kraftfuldt som typiske computere, kunne vise sig nyttig i rovere sendt til fjendtlige miljøer som Venus, eller i lavstrømscomputere, der er beregnet til at overleve nukleare eller elektromagnetiske pulseksplosioner, der ville ødelægge elektroniske enheder, sagde forskere. I en venusisk rover, Pascall sagde, at videnskabsmænd kunne implementere et kontrolsystem, så hvis roveren blev for varm, materialet kunne åbne sine porer for at tillade mere kølevæske, uden behov for elektricitet.

Enhederne kunne også bruges i robotter, der sendes til at indsamle information om atomreaktorer (f. Fukushima) eller, mens de fremstår som enhver form for materiale, kunne være skjult inde i næsten enhver form for tænkelig struktur.

"Det gode ved vores design er, at det ikke er begrænset i skala, " sagde Pascall. "Vi kan gå ned til en ordre på flere mikroner op til så stor, som du har brug for den, og det kan hurtigt prototypes. Dette ville være en vanskelig opgave uden 3-D-print."

LLNL forskningsingeniør Robert Panas, tidligere LLNL postdoc-forsker Jonathan Hopkins, som nu er assisterende professor i mekanisk rumfart og ingeniørvidenskab ved UCLA, og sommerstuderende Adam Song designede enhedens bøjelige porte, der tillader systemet at bøje og bevæge sig.

Panas, projektets hovedefterforsker, sagde bøjningerne opfører sig som kontakter. Bøjningerne er kædet sammen og, når de stimuleres, udløse en kaskade af konfigurationer, der kan bruges til at udføre mekaniske logiske beregninger uden ekstern strøm. Selve portene fungerer på grund af forskydning, tager et eksternt binært signal ind fra en transducer, såsom en trykimpuls eller lysimpuls fra et fiberoptisk kabel og udføre en logisk beregning. Resultatet er oversat til bevægelse, skabe en dominoeffekt gennem alle portene, der fysisk ændrer enhedens form.

"Mange mekaniske logiske designs har væsentlige begrænsninger, og du støder ind i fantasifulde designs, som ikke kunne fremstilles, " sagde Panas. "Det, vi gør, er at bruge disse bøjninger, disse fleksible elementer, der er 3-D printet, som ændrer, hvordan den logiske struktur kan hænge sammen. Vi indså til sidst, at vi havde brug for en forskydningslogikopsætning (for at overføre information). Overraskende nok, det virkede faktisk."

Bøjningens knækvirkning gør det muligt for strukturen at forprogrammeres eller lagre information uden behov for en hjælpeenergistrøm, Panas sagde, hvilket gør dem velegnede til miljøer med høj stråling, temperatur eller tryk. Panas sagde, at logiske porte kunne bruges til at indsamle temperaturmålinger i vacciner eller fødevarer og give besked, når visse tærskler er nået, eller inde i broer for at indsamle data om strukturel belastning, for eksempel.

"Vi ser dette som en simpel logik, der lægges ind i materialer med store mængder, potentielt få aflæsninger på steder, hvor du normalt ikke kan få data, " sagde Panas.

På UCLA, Hopkins brugte en 3-D printproces kaldet to-foton stereolitografi, hvor en laser scanner i en fotohærdende flydende polymer, der hærder og hærder, hvor laseren skinner, at udskrive et sæt porte på et sub-mikron niveau.

"Når strukturen blev udskrevet, vi deformerede det derefter på plads ved hjælp af forskellige lasere, der fungerer som optiske pincet, " Hopkins forklarede. "Vi aktiverede derefter kontakterne ved hjælp af disse optiske pincet også. Det er en revolutionerende ny tilgang til fremstilling af disse materialer i mikroskala."

Designet blev drevet af beregningsmæssig modellering af portenes knækadfærd, og selvom de blev designet i to dimensioner, Pascall sagde, at han gerne ville flytte til 3-D. Pascall håber, at teknologien kan bruges til at designe sikker, personlige kontrolsystemer, og nævnte planer er at frigive designet som open source. Teknologien kunne også være et undervisningsværktøj for studerende, som kunne udskrive deres egne logiske porte ved hjælp af kommercielle 3-D-printere og lære om, hvordan computere fungerer, han tilføjede.