提起機(jī)械計(jì)算機(jī)，很多人可能以為只能在博物館看到。這種計(jì)算機(jī)使用機(jī)械部件來處理信息，其歷史比傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)更長(zhǎng)。古老的機(jī)械計(jì)算機(jī)可以追溯到 19 世紀(jì)，通常由齒輪和杠桿組成，體積非常龐大。

但最近，北卡羅來納州立大學(xué)的一項(xiàng)研究打破了這一刻板印象，他們?cè)?2024 年還在研究機(jī)械計(jì)算機(jī)，而且相關(guān)成果登上了 Science 子刊。

上面這張圖就是他們做出來的成品，它使用剛性、互連的聚合物立方體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)、檢索和擦除數(shù)據(jù)，而無需依賴電子元件。該系統(tǒng)還包括一個(gè)可逆功能，允許用戶控制何時(shí)允許編輯數(shù)據(jù)以及何時(shí)應(yīng)將數(shù)據(jù)鎖定在原位。

具體來說，新機(jī)械計(jì)算機(jī)的基本單元是 1 厘米的塑料立方體，這些立方體被組合成由 64 個(gè)相互連接的立方體組成的功能單元。立方體的上升或下降可以表示「0」或「1」。使用這種二進(jìn)制框架，即立方體上升或下降，一個(gè)簡(jiǎn)單的由 9 個(gè)功能單元組成的元結(jié)構(gòu)有超過 362,000 種可能的配置。

這種機(jī)械計(jì)算機(jī)的一個(gè)潛在應(yīng)用是創(chuàng)建三維的機(jī)械加密或解密系統(tǒng)。例如，特定配置的功能單元可以作為 3D 密碼。

研究者表示，這項(xiàng)研究的設(shè)計(jì)靈感來源于一門古老的剪紙藝術(shù)（kirigami）—— 通過巧妙地切割和操縱一張紙，可以創(chuàng)造出迷人的裝飾品。就像下面所展示的。

3D 金字塔卡片。圖源：https://www.pinterest.com/pin/3d-pyramid-cardpyramid-pop-up-cardpaper-craft-artkirigamiorigami3d--857654322810750175/

當(dāng)其中一塊立方體被向上或向下推時(shí)，所有與之相連的立方體的幾何形狀（或結(jié)構(gòu)）隨之發(fā)生變化。這可以通過物理上的向上或向下推其中一個(gè)立方體來實(shí)現(xiàn)：

施加力讓立方體移動(dòng)

也可以通過將磁板連接到功能單元的頂部并施加磁場(chǎng)來遠(yuǎn)程向上或向下推動(dòng)來實(shí)現(xiàn)：

施加磁場(chǎng)讓立方體移動(dòng)

由 64 個(gè)立方體組成的功能單元可以進(jìn)一步組合在一起形成越來越復(fù)雜的元結(jié)構(gòu)，從而可以存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)或進(jìn)行更復(fù)雜的計(jì)算。

每個(gè)立方體之間由薄薄的彈性膠帶連接，用戶編輯數(shù)據(jù)的時(shí)候，隨著立方體的拉動(dòng)，彈性膠帶開始延伸，當(dāng)釋放元結(jié)構(gòu)時(shí)，彈性膠帶會(huì)收縮，讓立方體回歸原位，類似于機(jī)械式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和編輯。 

除了開發(fā)一種穩(wěn)定的機(jī)械系統(tǒng)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，研究者認(rèn)為這款機(jī)械計(jì)算機(jī)還有更復(fù)雜的計(jì)算潛力，因?yàn)閿?shù)據(jù)是通過給定立方體被推上去的高度來表示的。因而他們證明了立方體可以有五種或更多不同的狀態(tài)。這意味著給定的立方體不僅可以傳達(dá) 1 或 0，還可以傳達(dá) 2、3 或 4。

整個(gè)機(jī)械計(jì)算機(jī)的架構(gòu)如下所示， 圖 1A（i） 為元結(jié)構(gòu)，由可重構(gòu)的基于剛體的構(gòu)建塊分層平面構(gòu)成。每個(gè)構(gòu)建塊由 2 × 2 單元格和亞單元組成（圖 1B。立方體通過彈性旋轉(zhuǎn)鉸鏈在其邊緣粘合，在構(gòu)建塊和單元格中形成靈活的閉環(huán)機(jī)制，用于形狀重構(gòu) (圖 1B)。拉伸平面元結(jié)構(gòu)會(huì)有周期性波紋表面特征的分岔和多穩(wěn)態(tài)狀態(tài)（圖 1A (ii)），研究發(fā)現(xiàn)，所有脊?fàn)疃味伎梢栽O(shè)計(jì)成在預(yù)拉伸狀態(tài)下的雙穩(wěn)態(tài)。每個(gè)雙穩(wěn)態(tài)元件都可以作為一個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制單元，通過在平面外機(jī)械或磁驅(qū)動(dòng)下突然彈起，輕松且可逆地彈出（1 狀態(tài)）或向下（0 狀態(tài)）[圖 1A (iii) 和圖 S1，A 至 C]。此類物理二進(jìn)制元素可用于組合信息寫入 [圖 1，A (iv) 和 C (i 至 iii)]、擦除、讀取和加密，以及用于信息顯示的體素（圖 1D）。

由于設(shè)計(jì)新穎，這個(gè)機(jī)械計(jì)算機(jī)在 HackerNew 上引起了熱議。有人問：「他們?cè)斐隹梢怨ぷ鞯倪壿嬮T了嗎？視頻里只看到二進(jìn)制位的翻轉(zhuǎn)。」

作者其實(shí)在論文里回答了這個(gè)問題。圖 8（C 和 D）展示了利用局部元件的獨(dú)立雙穩(wěn)性實(shí)現(xiàn)「OR」和「AND」邏輯門操作。

為了便于讀取輸出信息（詳見圖 S17A 和補(bǔ)充材料），作者在頂部使用了一塊可調(diào)節(jié)高度的平板，以覆蓋平臺(tái)的一小塊區(qū)域。其初始狀態(tài)設(shè)置為輸出「0」。當(dāng)頂板平整且升高時(shí)，它的輸出為「1」，在傾斜或降低的情況下輸出為「0」。頂板的配置是由與雙穩(wěn)態(tài)元件粘合在一起的三個(gè)支架的彈起（ pop-up，「1」）或彈落（pop-down，「0」）運(yùn)動(dòng)作為輸入決定的。在中心放置一個(gè)金字塔支撐，記為 P_1，周圍還有兩個(gè)相鄰的支撐，例如，S_1 和 S_2 的立方體以及 P_2 和 P_3 的金字塔分別用于 OR 和 AND 邏輯門。

此外，通過改變結(jié)構(gòu)元件，如圖 S19 所示，該計(jì)算機(jī)還可以進(jìn)行「NOR」和「NAND」二進(jìn)制邏輯計(jì)算。

還有一些網(wǎng)友談?wù)撈鹆诉@個(gè)計(jì)算機(jī)的實(shí)用性。大家猜測(cè)，它可能會(huì)在一些極端環(huán)境中發(fā)揮作用。

關(guān)于該研究的更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參見原論文。

• 論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
• 論文標(biāo)題：Reprogrammable and reconfigurable mechanical computing metastructures with stable and high-density memory