Computadora mecánica que funciona con cubos de kirigami en lugar de dispositivos electrónicos

 (news.ncsu.edu)
1 puntos por GN⁺ 2024-07-06 | 1 comentarios | Compartir por WhatsApp
  • Un equipo de NC State desarrolló una computadora mecánica basada en kirigami que almacena, recupera y borra datos usando únicamente cubos de polímero conectados, sin componentes electrónicos
  • La unidad básica es una unidad funcional compuesta por 64 cubos de plástico de 1 cm; al empujar los cubos hacia arriba o hacia abajo se cambian estados como 1 y 0 y también la geometría total
  • La edición de datos es posible al estirar una cinta elástica desde el borde de la metaestructura, y al soltarla la cinta se contrae y fija los cubos y los datos
  • Incluso una metaestructura simple de 9 unidades funcionales puede crear más de 362,000 configuraciones usando solo un método binario, y también se demostró una configuración de múltiples estados apilando cubos hasta una altura de 5
  • Esta estructura podría ampliarse a cifrado y descifrado mecánico, sistemas hápticos que muestran información tridimensional y esquemas de codificación más allá del binario

Memoria mecánica sin componentes electrónicos

  • Un equipo de NC State desarrolló una computadora mecánica inspirada en el kirigami capaz de almacenar, recuperar y borrar datos sin depender de componentes electrónicos
  • El sistema utiliza una estructura compleja de cubos de polímero rígidos e interconectados
  • El usuario puede alternar entre un estado en el que es posible editar datos y otro en el que los datos quedan bloqueados en su lugar
  • Las computadoras mecánicas funcionan con piezas mecánicas en lugar de componentes electrónicos, y en el pasado han usado piezas como palancas o engranajes
  • Este sistema aprovecha una estructura multiestable que puede tener dos o más estados estables

Cómo los cubos de kirigami cambian de estado

  • La unidad básica es un cubo de plástico de 1 cm, y 64 cubos conectados forman una unidad funcional
  • El diseño de la unidad funcional parte del kirigami, el arte de cortar y doblar papel, y aplica este principio a un material tridimensional cortado formado por cubos conectados
  • Si se empuja un cubo hacia arriba o hacia abajo, la geometría o arquitectura de todos los cubos conectados cambia junto con él
    • Es posible empujar físicamente un cubo hacia arriba o hacia abajo de manera directa
    • También se puede mover a distancia colocando una placa magnética sobre la unidad funcional y aplicando un campo magnético
  • Si la unidad funcional de 64 cubos se agrupa en una metaestructura más compleja, puede almacenar más datos o realizar cálculos más complejos

Mecanismo de escritura, bloqueo y borrado

  • Los cubos están conectados por una delgada cinta elástica
  • Para editar datos, hay que cambiar la configuración de la unidad funcional, y el usuario estira la cinta elástica tirando del borde de la metaestructura
  • Cuando la cinta está estirada, se pueden empujar los cubos hacia arriba o hacia abajo
  • Al soltar la metaestructura, la cinta se contrae y los cubos y los datos quedan fijados
  • Se puede ver un video de la computadora mecánica en https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM

Representación de información más allá del binario

  • El trabajo de prueba de concepto se centró en la computación binaria, considerando como 1 o 0 los estados en que los cubos suben o bajan
  • También es posible una computación más compleja si se usa como dato la altura a la que se eleva cada cubo
  • En el sistema de prueba de concepto, los cubos pueden tener 5 o más estados
    • En teoría, un solo cubo podría representar no solo 1 o 0, sino también 2, 3 y 4
  • Cada unidad funcional de 64 cubos puede configurarse en distintas arquitecturas en las que los cubos se apilan hasta una altura máxima de 5
  • Sin embargo, el código para aprovechar esta arquitectura todavía no se ha desarrollado, y el equipo de investigación está interesado en colaborar para explorar el potencial de codificación de la metaestructura

Posibles extensiones a cifrado y sistemas hápticos

  • Una posible aplicación es el cifrado y descifrado mecánico en 3 dimensiones
    • Una configuración específica de unidades funcionales podría actuar como una contraseña 3D
  • Incluso en un marco binario en el que los cubos solo tienen estados arriba o abajo, una metaestructura simple compuesta por 9 unidades funcionales tiene más de 362,000 configuraciones posibles
  • Esta metaestructura también podría usarse en un sistema háptico que muestre información en un contexto tridimensional en lugar de píxeles en una pantalla
  • El artículo “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” fue publicado en la revista de acceso abierto Science Advances
  • Esta plataforma puede funcionar como una unidad binaria o como vóxeles emergentes para escribir, borrar, leer y cifrar información, así como para computación lógica mecánica; al liberar el estado de pretensión, es posible estabilizar la información de manera que resista perturbaciones mecánicas y magnéticas externas

Lecturas relacionadas

1 comentarios

 
GN⁺ 2024-07-06
Comentarios en Hacker News

  • ¿De verdad construyeron хотя sea una puerta lógica que funcione? En el video solo se ve cómo invierten bits manualmente hacia adelante y hacia atrás
    Edit: al ver el paper, parece que sí. “Finalmente, exploramos esta metaestructura como puertas lógicas mecánicas simples. La figura 8(C, D) muestra que se implementó el funcionamiento de puertas lógicas ‘OR’ y ‘AND’ aprovechando la bistabilidad independiente de elementos locales”

    • Está en el paper completo. No es open source y todavía no parece haber sido subido a un archivo
      En la sección “Mechanical logic gates” explican que implementaron puertas OR/AND. Para leer la salida, colocan una placa plana de altura ajustable sobre una pequeña región de la plataforma; si la placa queda elevada horizontalmente, se lee como “1”, y si queda inclinada o baja, se lee como “0”
      En OR, tras elevar y fijar P1, si S1 o S2 se elevan se forma una placa horizontal estable y eso da “1”; en AND, solo cuando P1=P2=P3=1 la placa queda establemente elevada por contacto en tres puntos y da “1”. A diferencia de metaestructuras lógicas mecánicas anteriores, que en su mayoría se quedaban en 1D/2D, este diseño se expandió a una estructura 3D, y dicen que también se pueden implementar NOR/NAND cambiando elementos estructurales
      https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
    • Según entiendo, para tener una base con la que se pueda construir cualquier circuito hace falta una puerta NAND. Así que, si además se agrega un inversor, potencialmente podría acercarse a la completitud de Turing

  • “El trabajo de prueba de concepto se centró en la capacidad de cálculo binario donde los cubos son empujados hacia arriba o hacia abajo. Pero creemos que también existe la posibilidad de cálculos más complejos transmitiendo datos según qué tan alto se empuje un cubo específico. Mostramos que dentro de este sistema un cubo puede tener cinco o más estados. En teoría, eso significa que un solo cubo podría transmitir no solo 1 o 0, sino también 2, 3 y 4.”
    ¿Esto intenta ubicarse entre el cálculo analógico y el digital? Por la descripción, suena como un sistema de computadora analógica limitado

    • Digital no significa necesariamente binario. Un sistema digital solo necesita tener una cantidad fija de niveles, a diferencia de un sistema analógico que usa valores continuos. Un sistema binario que usa 1 y 0 es solo un ejemplo de eso
      Incluso en sistemas digitales modernos hay muchos enfoques no binarios. Por ejemplo, los SSD QLC con NAND flash almacenan 16 niveles en una sola celda y codifican el equivalente a 4 bits. Además, 64-QAM es un esquema de modulación usado en Wi‑Fi 802.11n o en TV digital terrestre, donde dos ondas senoidales con distinta fase pueden tener hasta 8 niveles de amplitud cada una
      Las computadoras electrónicas tampoco fueron siempre binarias. Una de las primeras computadoras soviéticas realizaba sus cálculos principales usando ternario en lugar de los habituales 2 dígitos
    • Incluso entre los dispositivos de almacenamiento digital existentes, a veces se usan múltiples niveles más allá de 0 y 1 para aumentar la densidad. Por ejemplo, el coprocesador de coma flotante 8087 almacenaba su microcódigo en una ROM de 4 niveles que guardaba 2 bits por transistor, porque una ROM normal ocupaba demasiado espacio en el die
      La memoria flash también usa celdas multinivel que almacenan hasta 4 bits por celda

  • “Una computadora mecánica es una computadora que funciona con partes mecánicas en lugar de componentes electrónicos.”
    Para quienes se entusiasman con las computadoras mecánicas, vale la pena recordar que los electrones son unas mil veces más livianos que los nucleones. Por eso, una computadora mecánica probablemente siempre consumirá más energía que una electrónica, porque para funcionar tiene que mover átomos de forma fundamental

    • Si llevamos esa lógica hasta el final, entonces la computación fotónica debería ser mucho más eficiente que la computación electrónica. Parece plausible que algún día lo sea
      ¿Será ese el objetivo final? En teoría, ¿hay algo que pueda acercarse más al límite de Landauer que la computación fotónica? No es mi área, pero parece una buena pregunta para hacer aquí
      https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
    • Aunque no sea más eficiente, podría ser más resistente a una tormenta electromagnética y menos vulnerable al sobrecalentamiento. Tal vez vaya por el lado de adaptarse a entornos con muchas restricciones
    • ¿No dependerá de qué proporción de energía se usa en el cálculo y cuál en traer y almacenar los bits relacionados? Si los requisitos fueran cálculo muy lento y almacenamiento extremadamente prolongado, la computación mecánica podría tener ventajas teóricas
      Aun así, viendo el GA144 de Chuck Moore, parece que incluso en situaciones tan extremas todavía queda bastante margen para optimizar la computación electrónica
      [0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
    • Es cierto, pero normalmente también hay que ver cuántos electrones se mueven con una sola señal

  • Si alguna vez me vuelvo multimillonario, quiero tener en casa una habitación grande dedicada solo a computadoras preeléctricas. Sorprende cuánto pasó a ser casi trivial después de que los transistores se volvieron universales, y cosas como The Writer Automaton siempre me han parecido tremendamente fascinantes

    • Si algún día tengo mucho dinero, felizmente lo pagaría. Pero a cambio, me gustaría usarlo para armar una habitación así y poder jugar tocando todas las computadoras hasta entender cómo funcionan
      Estudié ingeniería mecánica y ahora trabajo en otra área, pero independientemente de entender su importancia social, siempre me ha fascinado la forma en que se manipulan los principios mecánicos para lograr un objetivo

  • ¿Para qué se podría usar esto? ¿Entornos de alta radiación u otros ambientes extremos?

    • En Venus, la atmósfera corroe los dispositivos electrónicos a una velocidad increíble. Por eso es un entorno muy difícil para las naves espaciales
      Una solución mecánica podría hacer que la conductividad eléctrica no fuera un requisito indispensable, así que es posible que las piezas duren más
    • Un enfoque parecido podría ser útil para los sistemas microelectromecánicos
      https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS

  • ¿Habrá algún caso en que se haya reiniciado la sociedad desde la “computación mecánica” hasta volver a tener chips funcionales? Si un evento electromagnético a escala planetaria arruinara toda la computación, ¿cómo volverías a normalizar fábricas como las de TSMC? ¿Cómo mantendrías la producción de alimentos?
    ¿Se podría recuperar desde un estado cero solo con este tipo de computadoras mecánicas y unas instrucciones básicas?

    • No estoy seguro de que una sociedad pueda recuperarse después de un colapso. Los recursos fáciles de obtener ya se extrajeron, y los que quedan se están minando y refinando con tecnología muy avanzada.
      Se podrían reciclar muchas cosas, pero hay límites. Además, la mayor parte del conocimiento está almacenada digitalmente, y una parte importante está en formatos propietarios. Si no se logra alguna recuperación antes de que desaparezca la pericia existente, puede que no se vuelva a recuperar en muchísimo tiempo, o tal vez nunca
    • No sé qué significa exactamente “probar con una sociedad”. Si te refieres a simulaciones o experimentos mentales, seguro que hay muchos, con distintos niveles de rigor. Si la pregunta es si se hizo un experimento real, probablemente no.
      De todos modos, creo que los experimentos de “vamos a crear una sociedad” son en general imposibles. Incluso esforzándote mucho, eso favorece estrategias cuyo valor esperado es positivo pero cuya probabilidad de fracaso es inaceptablemente alta. Como sabes que, si fallas, puedes volver a la realidad e ir al hospital, podrías aceptar incluso un riesgo del 5% de infectarte y morir. Una vez puede salir bien con 95% de probabilidad, pero si lanzas los dados a lo largo de varias generaciones, aparece un fallo fatal
    • Babbage se metió en la madriguera equivocada. Incluso con tecnología de la década de 1860 se podía haber construido una computadora automática programable.
      Si puedes fabricar o recuperar alambre y hacer piezas simples de chapa como las de latón, puedes hacer electroimanes. Si puedes hacer electroimanes, puedes hacer relés, y con eso alcanza. No vas a tener streaming multimedia, pero sí control automático y comunicación a distancia
    • Que “un evento electromagnético a escala planetaria arruine toda la computación” es un escenario imposible. Siempre quedarán computadoras funcionando en algún lugar. Porque estaban blindadas, fuera del alcance del desastre, o simplemente tuvieron suerte.
      Aun así, puede que no sean cosas fáciles de aprovechar, y si lo único que encuentras es una plataforma de ejecución confiable como un iPhone, la situación podría volverse bastante frustrante
    • Me hace pensar en CollapseOS [1]. Aunque se parece más a arrancar chips simples para control de energía que a reiniciar la sociedad, pero también se puede ver como parte del mismo proceso.
      [1] http://collapseos.org/

  • Tal vez sea una pregunta tonta, pero ¿una computadora así serviría para entornos hostiles como un rover de exploración de Venus?

  • Aquí está el enlace al paper. Lástima que no sea open source.
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476

  • Me recuerda un poco a QAM

  • Da la impresión de que The Diamond Age de Neal Stephenson se hizo realidad