Keajaiban Metamaterial: Kubus Kirigami Membuka Masa Depan Komputasi Mekanik

Para peneliti telah mengembangkan komputer mekanik baru yang terinspirasi oleh kirigami, memanfaatkan kubus polimer yang saling berhubungan untuk penyimpanan knowledge tanpa perangkat elektronik.

Sistem ini memungkinkan beberapa standing stabil, meningkatkan komputasi biner untuk berpotensi menyertakan standing knowledge tambahan. Desainnya, yang memanfaatkan prinsip kirigami, memungkinkan penyimpanan knowledge dan struktur komputasi yang kompleks dengan aplikasi praktis dalam enkripsi mekanis dan sistem haptik.

Inovasi Komputasi Mekanik

Para peneliti di North Carolina State College telah mengembangkan komputer mekanis yang terinspirasi dari kirigami yang menggunakan struktur kompleks kubus polimer yang kaku dan saling terhubung untuk menyimpan, mengambil, dan menghapus knowledge tanpa bergantung pada komponen elektronik. Sistem ini juga mencakup fitur reversibel yang memungkinkan pengguna untuk mengontrol kapan pengeditan knowledge diizinkan dan kapan knowledge harus dikunci di tempatnya. Sistem ini dijelaskan dalam sebuah makalah, “Metastruktur Komputasi Mekanis yang Dapat Diprogram Ulang dan Dikonfigurasi Ulang dengan Memori yang Stabil dan Berkepadatan Tinggi” yang diterbitkan hari ini (26 Juni) dalam jurnal akses terbuka Kemajuan Ilmu Pengetahuan.

Komputer mekanis adalah komputer yang beroperasi menggunakan komponen mekanis, bukan komponen elektronik. Secara historis, komponen mekanis ini berupa tuas atau roda gigi. Namun, komputer mekanis juga dapat dibuat menggunakan struktur yang multistabil, artinya komputer tersebut memiliki lebih dari satu keadaan stabil – bayangkan apa pun yang dapat dilipat ke lebih dari satu posisi stabil.

Peneliti dari North Carolina State College telah mengembangkan komputer mekanis yang terinspirasi dari kirigami yang menggunakan struktur kompleks kubus polimer yang kaku dan saling terhubung untuk menyimpan, mengambil, dan menghapus knowledge tanpa bergantung pada komponen elektronik. Kredit: Yanbin Li, NC State College

Meningkatkan Penyimpanan dan Kompleksitas Knowledge

“Kami tertarik untuk melakukan beberapa hal di sini,” kata Jie Yin, salah satu penulis korespondensi makalah tentang pekerjaan tersebut dan seorang profesor madya teknik mesin dan kedirgantaraan di NC State. “Pertama, kami tertarik untuk mengembangkan sistem mekanis yang stabil untuk menyimpan knowledge.

“Kedua, pekerjaan pembuktian konsep ini difokuskan pada fungsi komputasi biner dengan kubus yang didorong ke atas atau ke bawah – bisa berupa angka 1 atau 0. Namun, kami pikir ada potensi di sini untuk komputasi yang lebih kompleks, dengan knowledge yang disampaikan berdasarkan seberapa tinggi kubus tertentu didorong ke atas. Kami telah menunjukkan dalam sistem pembuktian konsep ini bahwa kubus dapat memiliki lima atau lebih standing yang berbeda. Secara teoritis, itu berarti kubus tertentu tidak hanya dapat menyampaikan angka 1 atau 0, tetapi juga angka 2, 3, atau 4.”

Desain Terinspirasi oleh Kirigami

Unit dasar komputer mekanik baru ini adalah kubus plastik berukuran 1 sentimeter, yang dikelompokkan menjadi unit fungsional yang terdiri dari 64 kubus yang saling terhubung. Desain unit ini terinspirasi oleh kirigami, yaitu seni memotong dan melipat kertas. Yin dan rekan kerjanya telah menerapkan prinsip kirigami pada materials tiga dimensi yang dipotong menjadi kubus yang saling terhubung.

Ketika salah satu kubus didorong ke atas atau ke bawah, geometri – atau arsitektur – dari semua kubus yang terhubung akan berubah. Hal ini dapat dilakukan dengan mendorong salah satu kubus ke atas atau ke bawah secara fisik, atau dengan menempelkan pelat magnet di bagian atas unit fungsional dan menerapkan medan magnet untuk mendorongnya ke atas atau ke bawah dari jarak jauh. Unit fungsional yang berjumlah 64 kubus ini dapat dikelompokkan bersama menjadi metastruktur yang semakin kompleks yang memungkinkan penyimpanan lebih banyak knowledge atau untuk melakukan perhitungan yang lebih kompleks.

Kubus-kubus tersebut dihubungkan dengan pita elastis tipis. Untuk mengedit knowledge, Anda harus mengubah konfigurasi unit fungsional. Untuk itu, pengguna harus menarik tepi metastruktur, yang akan meregangkan pita elastis dan memungkinkan Anda untuk mendorong kubus ke atas atau ke bawah. Saat Anda melepaskan metastruktur, pita akan berkontraksi, mengunci kubus – dan knowledge – pada tempatnya.

Aplikasi Potensial dan Arah Masa Depan

“Salah satu aplikasi potensial untuk ini adalah memungkinkan pengguna membuat enkripsi atau dekripsi mekanis tiga dimensi,” kata Yanbin Li, penulis pertama makalah dan peneliti pascadoktoral di NC State. “Misalnya, konfigurasi unit fungsional tertentu dapat berfungsi sebagai kata sandi 3D.

“Dan kepadatan informasinya cukup bagus,” kata Li. “Dengan menggunakan kerangka biner – di mana kubus berada di atas atau di bawah – metastruktur sederhana yang terdiri dari 9 unit fungsional memiliki lebih dari 362.000 kemungkinan konfigurasi.”

“Namun, kami tidak terbatas pada konteks biner,” kata Yin. “Setiap unit fungsional yang terdiri dari 64 kubus dapat dikonfigurasikan ke dalam berbagai macam arsitektur, dengan kubus yang ditumpuk hingga setinggi lima kubus. Hal ini memungkinkan pengembangan komputasi yang jauh melampaui kode biner. Pekerjaan pembuktian konsep kami di sini menunjukkan berbagai potensi arsitektur ini, tetapi kami belum mengembangkan kode yang memanfaatkan arsitektur tersebut. Kami tertarik untuk berkolaborasi dengan peneliti lain guna mengeksplorasi potensi pengodean metastruktur ini.”

Kesimpulan

“Kami juga tertarik untuk mengeksplorasi potensi manfaat metastruktur ini untuk menciptakan sistem haptik yang menampilkan informasi dalam konteks tiga dimensi, bukan sebagai piksel di layar,” kata Li.

Referensi: “Metastruktur komputasi mekanis yang dapat diprogram ulang dan dikonfigurasi ulang dengan memori yang stabil dan berdensitas tinggi” oleh Yanbin Li, Shuangyue Yu, Haitao Qing, Yaoye Hong, Yao Zhao, Fangjie Qi, Hao Su dan Jie Yin, 26 Juni 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.ado6476

Penulis yang turut serta dalam penelitian ini adalah Hao Su, seorang profesor madya teknik mesin dan kedirgantaraan di NC State. Penelitian ini ditulis bersama oleh Shuangye Yu dan Yaoye Hong, mantan mahasiswa Ph.D. di NC State; Haitao Qing dan Fangjie Qi, mahasiswa Ph.D. saat ini di NC State; dan Yao Zhao, mantan peneliti pascadoktoral di NC State.

Pekerjaan ini dilakukan dengan dukungan dari Nationwide Science Basis di bawah hibah 2005374, 2126072, dan 2231419.