Een pagina uit het verleden nemen, Wetenschappers en ingenieurs van Lawrence Livermore National Laboratory combineren mechanisch computergebruik met 3D-printen als onderdeel van een poging om 'bewuste' materialen te creëren die kunnen reageren op veranderingen in hun omgeving, zelfs in extreme omgevingen die elektronische componenten zouden vernietigen, zoals hoge straling, warmte of druk.

Originele computers, zoals Charles Babbage's Difference Engine, waren volledig mechanisch, gevuld met tandwielen en hendels die draaiden, verplaatst en verschoven om complexe wiskundige berekeningen op te lossen. Na de Tweede Wereldoorlog en de opkomst van vacuümbuizen en elektronische circuits, mechanische computers gingen meestal de weg van de dodo.

Echter, een nieuwe draai geven aan de oude technologie, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) onderzoekers en medewerkers van de University of California, Los Angeles (UCLA) zijn mechanische logische poorten voor 3D-printen - de basisbouwstenen van computers die in staat zijn om elke vorm van wiskundige berekeningen uit te voeren.

Zoals LEGO's, deze 3D-geprinte logische poorten kunnen worden gebruikt om zo ongeveer alles te bouwen, onderzoekers zeiden, ingebed in elk type architectonisch materiaal en geprogrammeerd om op zijn omgeving te reageren door fysiek van vorm te veranderen zonder dat er elektriciteit nodig is - handig in gebieden met veel straling, warmte of druk. Het onderzoek is vandaag online gepubliceerd door het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Bepaalde elektrische toepassingen zijn beperkt, overwegende dat met dit systeem het materiaal kon zichzelf volledig herconfigureren, ", zei hoofdonderzoeker Andy Pascall. "Als je logische poorten in materiaal verwerkt, dat materiaal iets kon voelen over zijn omgeving. Het is een manier om responsief materiaal te hebben; we noemen het graag een 'voelend' materiaal - dat gecompliceerde reacties op temperatuur kan hebben, druk, enz. Het idee is dat het niet slim is. Het reageert in een gecontroleerde, precieze manier."

Mechanische logische poorten, hoewel niet zo krachtig als typische computers, nuttig zou kunnen zijn in rovers die naar vijandige omgevingen zoals Venus worden gestuurd, of in computers met een laag vermogen die bedoeld zijn om nucleaire of elektromagnetische pulsen te overleven die elektronische apparaten zouden vernietigen, aldus onderzoekers. In een Venusiaanse rover, Pascall zei dat wetenschappers een controlesysteem kunnen implementeren, dus als de rover te heet wordt, het materiaal kan zijn poriën openen om meer koelvloeistof toe te laten, zonder dat er elektriciteit nodig is.

De apparaten kunnen ook worden gebruikt in robots die worden verzonden om informatie over kernreactoren te verzamelen (bijv. Fukushima) of, terwijl het lijkt op elk soort materiaal, zou kunnen worden verborgen in zowat elke denkbare structuur.

"Het leuke van ons ontwerp is dat het niet beperkt is in schaal, "Zei Pascall. "We kunnen naar een bestelling van enkele microns gaan tot zo groot als je nodig hebt, en het kan snel worden geprototypeerd. Dit zou een moeilijke taak zijn zonder 3D-printen."

LLNL onderzoeksingenieur Robert Panas, voormalig LLNL postdoctoraal onderzoeker Jonathan Hopkins, die nu een assistent-professor mechanische lucht- en ruimtevaart en engineering is aan de UCLA, en zomerstudent Adam Song ontwierpen de buigpoorten van het apparaat waardoor het systeem kan buigen en bewegen.

Pana's, hoofdonderzoeker van het project, zei dat de buigingen zich gedragen als schakelaars. De buigingen zijn aan elkaar geketend en, wanneer gestimuleerd, trigger een cascade van configuraties die kunnen worden gebruikt om mechanische logische berekeningen uit te voeren zonder externe voeding. De poorten zelf werken door verplaatsing, een extern binair signaal van een transducer opnemen, zoals een drukpuls of lichtpuls van een glasvezelkabel en het uitvoeren van een logische berekening. Het resultaat wordt vertaald naar beweging, het creëren van een domino-effect door alle poorten die de vorm van het apparaat fysiek veranderen.

"Veel mechanische logica-ontwerpen hebben substantiële beperkingen en je komt fantasievolle ontwerpen tegen die niet kunnen worden gefabriceerd, " zei Panas. "Wat we doen is deze buigingen gebruiken, deze flexibele elementen die 3D geprint zijn, wat verandert hoe de logische structuur samen kan gaan. Uiteindelijk realiseerden we ons dat we een verplaatsingslogica nodig hadden (om informatie over te dragen). Verrassend genoeg, het is echt gelukt."

Dankzij de knikactie van de buigingen kan de structuur worden voorgeprogrammeerd of informatie opslaan zonder dat een hulpenergiestroom nodig is, Panas zei, waardoor ze zeer geschikt zijn voor omgevingen met hoge straling, temperatuur of druk. Panas zei dat logische poorten kunnen worden gebruikt om temperatuurmetingen in vaccins of voedingsmiddelen te verzamelen en te melden wanneer bepaalde drempels zijn bereikt, of in bruggen om gegevens te verzamelen over structurele belasting, bijvoorbeeld.

"We zien dit als eenvoudige logica die in materialen met een hoog volume wordt gestopt, mogelijk metingen krijgen op plaatsen waar u normaal geen gegevens kunt krijgen, ' zei Panas.

aan de UCLA, Hopkins gebruikte een 3D-printproces genaamd two-photon stereolithography, waar een laser scant in een door licht uithardbaar vloeibaar polymeer dat uithardt en uithardt waar de laser schijnt, om een ​​set poorten op submicronniveau af te drukken.

"Toen de structuur eenmaal was afgedrukt, we hebben het vervolgens op zijn plaats vervormd met behulp van verschillende lasers die fungeren als een optisch pincet, "Verklaarde Hopkins. "Vervolgens bedienden we de schakelaars met dat optische pincet. Het is een revolutionaire nieuwe benadering om deze materialen op microschaal te maken."

Het ontwerp is gebaseerd op het computationeel modelleren van het knikgedrag van de poorten, en hoewel ze in twee dimensies waren ontworpen, Pascall zei dat hij graag naar 3D zou willen verhuizen. Pascall hoopt dat de technologie kan worden gebruikt om veilige, gepersonaliseerde controlesystemen, en de plannen zijn om het ontwerp als open source vrij te geven. De technologie kan ook een leermiddel zijn voor studenten, die hun eigen logische poorten kunnen printen met commerciële 3D-printers en leren hoe computers werken, hij voegde toe.