tar en sida från det förflutna, Forskare och ingenjörer från Lawrence Livermore National Laboratory kombinerar mekanisk beräkning med 3D-utskrift som en del av ett försök att skapa "kännande" material som kan reagera på förändringar i sin omgivning, även i extrema miljöer som skulle förstöra elektroniska komponenter, som hög strålning, värme eller tryck.

Original datorer, som Charles Babbages Difference Engine, var helt mekaniska, fylld med växlar och spakar som vred, flyttade och skiftade för att lösa komplexa matematiska beräkningar. Efter andra världskriget och uppkomsten av vakuumrör och elektroniska kretsar, mekaniska datorer gick mestadels vägen för dodo.

Dock, sätta en ny twist på den gamla tekniken, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och bidragsgivare från University of California, Los Angeles (UCLA) är mekaniska logiska grindar för 3D-utskrift - de grundläggande byggstenarna i datorer som kan utföra alla slags matematiska beräkningar.

Som LEGO, dessa 3-D-printade logiska grindar kan användas för att bygga nästan vad som helst, forskare sa, inbäddad i alla typer av byggt material och programmerat att reagera på sin miljö genom att fysiskt ändra form utan behov av elektricitet – användbart i områden med hög strålning, värme eller tryck. Forskningen publicerades online idag av tidskriften Naturkommunikation .

"Vissa elektriska tillämpningar är begränsade, med detta system, materialet kan helt omkonfigurera sig själv, " sa huvudforskaren Andy Pascall. "Om du bäddade in logiska grindar i material, det materialet kunde känna något om sin miljö. Det är ett sätt att ha ett responsivt material; vi gillar att kalla det ett "kännande" material - som kan ha komplicerade reaktioner på temperatur, tryck, etc. Tanken är att det är bortom att vara smart. Den svarar på ett kontrollerat, exakt sätt."

Mekaniska logiska grindar, även om den inte är lika kraftfull som vanliga datorer, kan visa sig användbar i rovers som skickas till fientliga miljöer som Venus, eller i lågeffektdatorer avsedda att överleva kärnkrafts- eller elektromagnetiska pulsexplosioner som skulle förstöra elektroniska enheter, sa forskare. I en venusisk rover, Pascall sa att forskare kunde implementera ett kontrollsystem så om rovern blev för varm, materialet kan öppna sina porer för att släppa in mer kylvätska, utan el behövs.

Enheterna kan också användas i robotar som skickas för att samla in information om kärnreaktorer (t.ex. Fukushima) eller, samtidigt som det ser ut som vilken typ av material som helst, kan döljas i nästan vilken typ av tänkbar struktur som helst.

"Det fina med vår design är att den inte är begränsad i skala, " Sa Pascall. "Vi kan gå ner till en order på flera mikroner upp till så stor som du behöver den ska vara, och det kan snabbt prototyperas. Detta skulle vara en svår uppgift utan 3D-utskrift."

LLNL forskningsingenjör Robert Panas, tidigare LLNL-postdoktor Jonathan Hopkins, som nu är biträdande professor i mekanisk flyg- och rymdteknik vid UCLA, och sommarstudenten Adam Song designade enhetens flexurportar som gör att systemet kan böjas och röra sig.

Panas, projektets huvudutredare, sa att böjningarna beter sig som omkopplare. Böjningarna är sammankedjade och, när de stimuleras, utlösa en kaskad av konfigurationer som kan användas för att utföra mekaniska logiska beräkningar utan extern ström. Själva grindarna fungerar på grund av förskjutning, tar in en extern binär signal från en givare, såsom en tryckpuls eller ljuspuls från en fiberoptisk kabel och att utföra en logisk beräkning. Resultatet översätts till rörelse, skapar en dominoeffekt genom alla portar som fysiskt förändrar enhetens form.

"Många mekaniska logiska konstruktioner har betydande begränsningar och du stöter på fantasifulla konstruktioner som inte kunde tillverkas, ", sa Panas. "Vad vi gör är att använda dessa böjningar, dessa flexibla element som är 3-D-utskrivna, vilket förändrar hur den logiska strukturen kan gå ihop. Vi insåg så småningom att vi behövde en förskjutningslogikinställning (för att överföra information). Förvånande, det fungerade faktiskt."

Böjningarnas bucklande verkan gör att strukturen kan förprogrammeras eller lagra information utan behov av ett extra energiflöde, Panas sa, vilket gör dem väl lämpade för miljöer med hög strålning, temperatur eller tryck. Panas sa att logiska grindar skulle kunna användas för att samla in temperaturavläsningar i vacciner eller livsmedel och meddela när vissa tröskelvärden har nåtts, eller inuti broar för att samla in data om strukturell belastning, till exempel.

"Vi ser detta som enkel logik som sätts in i material med stora volymer, potentiellt få avläsningar på platser där du normalt inte kan få data, sa Panas.

Vid UCLA, Hopkins använde en 3D-utskriftsprocess som kallas två-foton stereolitografi, där en laser skannar i en fotohärdbar flytande polymer som härdar och härdar där lasern lyser, att skriva ut en uppsättning grindar på en submikronnivå.

"När strukturen var tryckt, vi deformerade den sedan på plats med hjälp av olika lasrar som fungerar som optiska pincett, " Hopkins förklarade. "Vi aktiverade sedan switcharna med hjälp av de optiska pincett också. Det är en revolutionerande ny metod för att tillverka dessa material i mikroskala."

Designen drevs av beräkningsmodellering av grindarnas knäckningsbeteende, och även om de designades i två dimensioner, Pascall sa att han skulle vilja gå över till 3D. Pascall hoppas att tekniken kan användas för att designa säkra, personliga styrsystem, och nämnda planer är att släppa designen som öppen källkod. Tekniken kan också vara ett läromedel för studenter, som kunde skriva ut sina egna logiska grindar med kommersiella 3D-skrivare och lära sig om hur datorer fungerar, han lade till.