机械计算机依靠剪纸立方体而不是电子设备

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出了一种受剪纸艺术启发的机械计算机，它使用刚性、互连的聚合物立方体的复杂结构来存储、检索和擦除数据，而无需依赖电子元件。该系统还包括一个可逆功能，允许用户控制何时允许编辑数据以及何时应将数据锁定在原位。

机械计算机是使用机械部件而非电子部件运行的计算机。从历史上看，这些机械部件是杠杆或齿轮之类的东西。然而，机械计算机也可以使用多稳态结构制造，这意味着它们具有多个稳定状态——想想任何可以折叠成多个稳定位置的东西。

“我们想在这里做几件事，”这项研究的论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授 Jie Yin 说道。“首先，我们想开发一种稳定的机械系统来存储数据。

“其次，这个概念验证工作侧重于二进制计算函数，立方体要么被推上去，要么被推下去——要么是 1，要么是 0。但我们认为这里还有更复杂的计算潜力，数据通过给定立方体被推上去的高度来传达。我们在这个概念验证系统中展示了立方体可以有五种或更多不同的状态。从理论上讲，这意味着给定的立方体不仅可以传达 1 或 0，还可以传达 2、3 或 4。”

该论文发表在《科学进展》杂志上。

新型机械计算机的基本单元是 1 厘米长的塑料立方体，这些立方体被分成由 64 个相互连接的立方体组成的功能单元。这些单元的设计灵感来自剪纸艺术，即剪纸和折叠纸的艺术。尹和他的同事将剪纸的原理应用于被切割成连通立方体的三维材料。

当任何立方体被向上或向下推时，所有相连立方体的几何形状(或结构)都会发生变化。这可以通过物理上向上或向下推其中一个立方体来实现，也可以通过将磁板连接到功能单元的顶部并施加磁场来远程向上或向下推它来实现。这些 64 个立方体功能单元可以组合在一起形成越来越复杂的元结构，从而可以存储更多数据或进行更复杂的计算。

立方体由薄薄的弹性胶带连接。要编辑数据，你必须改变功能单元的配置。这需要用户拉动元结构的边缘，从而拉伸弹性胶带，让你能够上下推动立方体。当你释放元结构时，胶带会收缩，将立方体(以及数据)锁定在原位。

“这项技术的一个潜在应用是，它允许用户创建三维机械加密或解密，”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员 Yanbin Li 说道。“例如，功能单元的特定配置可以用作 3D 密码。

“而且信息密度相当高，”李说。“使用二进制框架(立方体要么向上，要么向下)，一个由 9 个功能单元组成的简单元结构就有超过 362,000 种可能的配置。”

“但我们并不一定局限于二进制环境，”Yin 说道。“每个由 64 个立方体组成的功能单元可以配置成各种各样的架构，立方体最多可堆叠 5 个立方体。这使得计算的发展远远超出了二进制代码。我们在这里的概念验证工作展示了这些架构的潜在范围，但我们还没有开发出利用这些架构的代码。我们有兴趣与其他研究人员合作，探索这些元结构的编码潜力。”

李说：“我们还对探索这些元结构的潜在效用感兴趣，以创建在三维环境中显示信息的触觉系统，而不是以屏幕上的像素显示信息。”

论文共同通讯作者是北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系副教授苏浩。论文由北卡罗来纳州立大学前博士生俞双叶和洪耀叶、北卡罗来纳州立大学现任博士生卿海涛和齐方杰以及北卡罗来纳州立大学前博士后研究员赵耀共同撰写。