Rekenen met rubber
Zonder elektronica die computertaken uitvoert zou ons dagelijks leven er heel anders uitzien. Apparaten zoals liften, verkoopautomaten, draaihekken, wasmachines en zelfs verkeerslichten maken gebruik van een eenvoudige vorm van elektronisch computergebruik om van de ene toestand naar de andere over te schakelen. Maar wat als er geen stroomvoorziening beschikbaar is om deze apparaten te laten werken? Een onderzoeksteam onder leiding van Martin van Hecke van de Universiteit Leiden en AMOLF heeft nu aangetoond hoe slimme rubberen structuren zulke rekentaken kunnen uitvoeren. 'We weten nu hoe we eenvoudige materialen zo kunnen ontwerpen dat ze informatie kunnen verwerken.' Het onderzoek is op 20 mei gepubliceerd in het tijdschrift PNAS.
In de elektronica worden digitale bits gebruikt om berekeningen uit te voeren, met complexe circuits die uit vele elementen bestaan. De onderzoekers hebben een alternatieve strategie gevonden om te rekenen, waarbij ze smalle rubberen elementen gebruiken als mechanische bits en meerdere bits samenvoegen in een 'metamateriaal'. Maar om deze materialen als machines te laten werken, ontdekten ze dat de sleutel ligt in het beheersen van de interacties tussen deze individuele bits.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofEen binaire teller
Als eerste voorbeeld creëerde het onderzoeksteam een rubberen computer die kan fungeren als een binaire teller met twee bits - zoals wordt gedemonstreerd in het begeleidende filmpje, waarbij het uitrekken van het metamateriaal ervoor zorgt dat het telt van '00' naar '11', en weer terug naar '00' door los te laten. Het team gebruikt voorgebogen rubberen balken als mechanische bits, die de interacties bemiddelen door ze met elkaar te verbinden. Zo kan informatie worden opgeslagen en verwerkt. Tellen is een belangrijk voorbeeld van een eenvoudige zogenaamde 'eindige toestandsmachine' en dit rubberen apparaat kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de beweging van de benen van een eenvoudige robot te besturen.
Draaihekken en combinatiesloten
'Een belangrijke experimentele doorbraak vond plaats in de laatste maand voor mijn terugkeer naar China tijdens de pandemie', vertelt onderzoeker Jingran Liu, die destijds promovendus was aan de Universiteit Leiden en AMOLF, en nu postdoc is in Madrid. 'We realiseerden ons ineens hoe we een complexer systeem met drie bits konden ontwerpen, en binnen een paar dagen hadden we vier werkende monsters gemaakt.' De onderzoekers realiseerden zich al snel dat zulke drie-bits metamaterialen veel krachtiger waren dan de twee-bits voorgangers. 'Afhankelijk van hoe deze monsters worden gemanipuleerd, kunnen ze zeventien verschillende eenvoudige berekeningen uitvoeren,' legt postdoc Lishuai Jin uit.
De metamaterialen zouden bijvoorbeeld de functionaliteit van een draaihek kunnen nabootsen. Die beheert de toegang met zijn draaiende armen, die vergrendelen en ontgrendelen als reactie op het inwerpen van munten en een duw van de klant. 'Onze metamaterialen kunnen dit mechanisme nabootsen door middel van een specifieke volgorde van toestanden en stuurpulsen,' zegt Jin. Bovendien kan de rubberen computer ook worden gebruikt voor een combinatieslot of automaat, en nog veel meer.
Een nieuwe vorm van berekenen?
'Ons werk laat zien dat complexe berekeningen kunnen worden uitgevoerd door slimme metamaterialen, op een manier die compleet verschilt van traditionele berekeningen', zegt Liu. 'Wat ik erg fascinerend vind, is dat onze principes niet beperkt zijn tot mechanica. Bovendien kunnen complexe geheugeneffecten, die belangrijk zijn in de natuurkunde maar moeilijk te bestuderen, nu gebruikt worden voor iets heel nuttigs: efficiënt computergebruik.'
Referentie
Jingran Liu, Margot Teunisse, George Korovin, Ivo R. Vermaire, Lishuai Jin, Hadrien Bense and Martin van Hecke, Controlled Pathways and Sequential Information Processing in Serially Coupled Mechanical Hysterons, Proc. Natl. Acad. Sci. 2024, 121 (22) : e2308414121.
Lees het oorspronkelijke persbericht bij AMOLF.