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Os pesquisadores criaram um computador mecânico inspirado no kirigami usando cubos de polímero interconectados, capazes de armazenar e manipular dados em vários estados estáveis, oferecendo uma base para computação mecânica avançada e criptografia sem componentes eletrônicos. Crédito: SciTechDaily.com
Os pesquisadores desenvolveram um novo computador mecânico inspirado no kirigami, utilizando cubos de polímero interconectados para armazenamento de dados sem eletrônica.
Este sistema permite vários estados estáveis, aprimorando a computação binária para incluir potencialmente estados de dados adicionais. O design, aproveitando os princípios do kirigami, permite estruturas complexas de armazenamento e computação de dados com aplicações práticas em criptografia mecânica e sistemas hápticos.
Inovação em Computação Mecânica
Pesquisadores em Universidade Estadual da Carolina do Norte desenvolveram um computador mecânico inspirado no kirigami que usa uma estrutura complexa de cubos de polímero rígidos e interconectados para armazenar, recuperar e apagar dados sem depender de componentes eletrônicos. O sistema também inclui um recurso reversível que permite aos usuários controlar quando a edição de dados é permitida e quando os dados devem ser bloqueados. O sistema é descrito em um artigo, “Metaestruturas de computação mecânica reprogramáveis e reconfiguráveis com memória estável e de alta densidade”, que foi publicado hoje (26 de junho) na revista de acesso aberto Avanços da Ciência.
Computadores mecânicos são computadores que operam com componentes mecânicos em vez de eletrônicos. Historicamente, esses componentes mecânicos têm sido coisas como alavancas ou engrenagens. No entanto, os computadores mecânicos também podem ser fabricados utilizando estruturas multiestáveis, o que significa que têm mais de um estado estável – pense em qualquer coisa que possa ser dobrada em mais de uma posição estável.
Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte desenvolveram um computador mecânico inspirado no kirigami que usa uma estrutura complexa de cubos de polímero rígidos e interconectados para armazenar, recuperar e apagar dados sem depender de componentes eletrônicos. Crédito: Yanbin Li, Universidade Estadual da Carolina do Norte
Aprimorando o armazenamento e a complexidade de dados
“Estávamos interessados em fazer algumas coisas aqui”, diz Jie Yin, co-autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na NC State. “Primeiro, estávamos interessados em desenvolver um sistema mecânico estável para armazenamento de dados.
“Em segundo lugar, este trabalho de prova de conceito focou-se em funções de computação binária com um cubo sendo empurrado para cima ou para baixo – é 1 ou 0. Mas achamos que há potencial aqui para uma computação mais complexa, com dados sendo transmitidos pela altura em que um determinado cubo foi empurrado. Mostramos neste sistema de prova de conceito que os cubos podem ter cinco ou mais estados diferentes. Teoricamente, isso significa que um determinado cubo pode transmitir não apenas 1 ou 0, mas também 2, 3 ou 4.”
Design inspirado em Kirigami
As unidades fundamentais do novo computador mecânico são cubos plásticos de 1 centímetro, agrupados em unidades funcionais compostas por 64 cubos interligados. O design dessas unidades foi inspirado no kirigami, que é a arte de cortar e dobrar papel. Yin e seus colaboradores aplicaram os princípios do kirigami a materiais tridimensionais que são cortados em cubos conectados.
Quando qualquer um dos cubos é empurrado para cima ou para baixo, isso altera a geometria – ou arquitetura – de todos os cubos conectados. Isso pode ser feito empurrando fisicamente um dos cubos para cima ou para baixo, ou anexando uma placa magnética ao topo da unidade funcional e aplicando um campo magnético para empurrá-lo remotamente para cima ou para baixo. Estas unidades funcionais de 64 cubos podem ser agrupadas em metaestruturas cada vez mais complexas que permitem armazenar mais dados ou realizar cálculos mais complexos.
Os cubos são conectados por finas tiras de fita elástica. Para editar dados, é necessário alterar a configuração das unidades funcionais. Isso exige que os usuários puxem as bordas da metaestrutura, o que estica a fita elástica e permite empurrar os cubos para cima ou para baixo. Quando você libera a metaestrutura, a fita se contrai, prendendo os cubos – e os dados – no lugar.
Aplicações potenciais e direções futuras
“Uma aplicação potencial para isso é que ele permite que os usuários criem criptografia ou descriptografia mecânica tridimensional”, diz Yanbin Li, primeiro autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado na NC State. “Por exemplo, uma configuração específica de unidades funcionais poderia servir como uma senha 3D.
“E a densidade da informação é muito boa”, diz Li. “Usando uma estrutura binária – onde os cubos estão para cima ou para baixo – uma metaestrutura simples de 9 unidades funcionais tem mais de 362.000 configurações possíveis.”
“Mas não estamos necessariamente limitados a um contexto binário”, diz Yin. “Cada unidade funcional de 64 cubos pode ser configurada em uma ampla variedade de arquiteturas, com cubos empilhados em até cinco cubos de altura. Isto permite o desenvolvimento de computação que vai muito além do código binário. Nosso trabalho de prova de conceito aqui demonstra o alcance potencial dessas arquiteturas, mas não desenvolvemos código que aproveite essas arquiteturas. Estaríamos interessados em colaborar com outros pesquisadores para explorar o potencial de codificação dessas metaestruturas.”
Conclusão
“Também estamos interessados em explorar a utilidade potencial dessas metaestruturas para criar sistemas hápticos que exibem informações em um contexto tridimensional, em vez de pixels em uma tela”, diz Li.
Referência: “Metaestruturas de computação mecânica reprogramáveis e reconfiguráveis com memória estável e de alta densidade” por Yanbin Li, Shuangyue Yu, Haitao Qing, Yaoye Hong, Yao Zhao, Fangjie Qi, Hao Su e Jie Yin, 26 de junho de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.ado6476
O co-autor correspondente do artigo é Hao Su, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na NC State. O artigo foi coautor de Shuangye Yu e Yaoye Hong, ex-Ph.D. estudantes da NC State; Haitao Qing e Fangjie Qi, atuais Ph.D. estudantes da NC State; e Yao Zhao, ex-pesquisador de pós-doutorado na NC State.
O trabalho foi realizado com apoio da National Science Foundation por meio das bolsas 2005374, 2126072 e 2231419.