장치가 전원 공급 장치 없이 작동할 수 있다

전자 계산 작업이 없다면 우리의 일상 생활은 크게 달라질 것이다. 엘리베이터, 자동 판매기, 개찰구, 세탁기 및 신호등과 같은 일상적인 장치는 간단한 전자 컴퓨팅에 의존하여 상태를 전환한다. 그러나 이러한 장치가 전원 공급 장치 없이 작동할 수 있다면 어떨까요? 라이덴 대학(Leiden University)의 마틴 반 헤케(Martin van Hecke)와 AMOLF가 이끄는 연구팀은 스마트 고무 구조가 이러한 계산 작업을 수행할 수 있는 방법을 보여주었다. "우리는 이제 정보를 처리할 수 있도록 간단한 재료를 설계하는 방법을 알고 있습니다"라고 van Hecke는 말했다.

5월 20일 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 이 연구는 기계 시스템을 사용한 계산에 대한 획기적인 접근 방식을 보여준다. 전통적으로 전자 장치는 디지털 비트와 복잡한 회로를 사용하여 계산을 수행한다. 그러나 연구원들은 가느다란 고무 요소를 기계적 비트로 사용하여 "메타 물질"로 조립하는 혁신적인 계산 방법을 발견했다. 이러한 재료가 기계로 작동하도록 하는 핵심은 개별 비트 간의 상호 작용을 제어하는 데 있다.

이진 카운터

초기 시연으로 연구팀은 2비트 바이너리 카운터 역할을 할 수 있는 고무 컴퓨터를 개발했다. 함께 제공되는 비디오에서 볼 수 있듯이 메타물질을 늘리면 "00"에서 "11"까지 계산되고 놓으면 "00"으로 반환된다. 이 장치는 미리 구부러진 고무 빔을 기계적 비트로 사용하며, 이를 연결하여 상호 작용을 중재한다. 이 구성을 통해 정보를 저장하고 처리할 수 있다. 카운팅은 유한 상태 기계의 기본적인 예이며, 이 고무 장치는 간단한 로봇의 다리 움직임을 제어하는 데 사용할 수 있다.

"팬데믹 기간 동안 중국으로 돌아가기 전 마지막 달에 중요한 실험적 돌파구가 마련되었습니다"라고 라이덴 대학교와 AMOLF의 방문 박사 과정 학생이었고 현재 마드리드에서 박사 후 과정을 밟고 있는 연구원 Jingran Liu는 말했다. "우리는 갑자기 더 복잡한 3비트 시스템을 설계하는 방법을 깨달았고, 며칠 만에 4개의 작업 샘플을 만들었습니다."

더 강력한 메타물질

연구자들은 3비트 메타물질이 2비트 메타물질보다 훨씬 더 강력하다는 것을 빠르게 발견했다. "이 샘플이 어떻게 조작되는지에 따라 17개의 다른 간단한 계산을 수행할 수 있습니다"라고 AMOLF 박사후 연구원 Lishuai Jin은 설명했다.

예를 들어, 이러한 메타물질은 개찰구의 기능을 복제할 수 있다. "개찰구는 회전하는 팔로 출입을 관리하며, 동전을 넣고 고객의 밀기에 따라 잠그고 잠금 해제한다. 우리의 메타물질은 특정 상태 시퀀스와 구동 펄스를 통해 이 메커니즘을 모방할 수 있습니다"라고 Jin은 말했다. 또한 고무 컴퓨터는 콤비네이션 잠금 장치, 자동 판매기 및 기타 여러 응용 프로그램에 사용할 수 있다.

컴퓨팅의 새로운 시대

"우리의 연구는 복잡한 계산이 전통적인 컴퓨팅과는 완전히 다른 방식으로 스마트 메타물질에 의해 수행될 수 있음을 보여줍니다"라고 Liu는 말했다. "제가 매우 흥미롭게 생각하는 것은 우리의 원칙이 기계에만 국한되지 않는다는 것입니다. 더욱이, 물리학에서는 중요하지만 연구하기 어려운 복잡한 기억 효과는 이제 효율적인 컴퓨팅이라는 매우 유용한 데 사용될 수 있습니다."

스마트 고무 구조를 사용한 계산에 대한 이 혁신적인 접근 방식은 기존 전자 부품에 의존하지 않고 장치에 전원을 공급하고 작업을 수행할 수 있는 새로운 가능성의 세계를 열어준다.  제조사 Impact Lab