ノースカロライナ州立大学 (NCSU) の研究者らは、電子部品を使用せず、物理的な“押し引き”によってデータの保存、取り出し、消去が可能な新しい機械式コンピューターを開発した。この画期的な研究は、日本の「切り絵」に着想を得ているという。
キューブを上下させることでバイナリデータを表現
研究チームは、紙を複雑に切ったり折ったりする日本の切り絵の原理を3次元材料に応用し、相互に接続された剛性のあるポリマーキューブの複雑な構造を使用して、機械式コンピューターを作り上げた。この設計により、データの編集が可能な状態と、データをロックして保存できる状態を切り替えられる可逆的な機能を実現した。
システムの基本単位は1センチメートルのプラスチック製キューブで、64個の相互接続されたキューブから成る機能ユニットを形成している。これらのキューブは薄い弾性テープで接続されており、メタ構造の端を引っ張ることでテープが伸び、キューブを上下に動かしてデータを編集できる。メタ構造を解放するとテープが収縮し、キューブとデータが所定の位置にロックされる。
このシステムでは、64個の各キューブ・ユニットを「上げる」または「下げる」ことで、バイナリデータ(1または0)を表現することができると言う。複数のユニットを連鎖させれば、3D構造の正確なジオメトリを利用して、より複雑なデータをエンコードすることも可能とのことだ。
このシステムのデータの入力や編集は、主に手動で行うことが可能だ。メタ構造の端を引っ張り、立方体を物理的に上下に動かすことでデータを変更する。磁気プレートを使って磁界で遠隔から構造を再構成することも可能だという。いったんデータが入力されると、弾性テープの収縮によって構造が固定され、追加のエネルギー入力なしでデータを保持できるという特性もある。
論文の共同責任著者であり、NCUの機械航空工学科准教授であるJie Yin氏は次のように述べている。「まず、データを保存するための安定した機械システムの開発に興味がありました。次に、このプルーフオブコンセプトの研究では、キューブを上に押すか下に押すかの二進計算機能に焦点を当てました。つまり、1か0です。しかし、ここにはより複雑な計算の可能性があると考えています。特定のキューブがどれだけ高く押し上げられたかによってデータを伝達できる可能性があります。このプルーフオブコンセプトシステムの中で、キューブが5つ以上の異なる状態を持つことを示しました。理論的には、これは特定のキューブが1や0だけでなく、2、3、4も伝達できることを意味します」。
研究の第一著者であり、NCUのポスドク研究員であるYanbin Li氏は、潜在的な応用例を説明する。「この技術の潜在的な応用例の 1 つは、ユーザーが 3 次元の機械的な暗号化や復号化を作成できるようになることです。たとえば、機能ユニットの特定の構成は、3Dパスワードとして機能する可能性があります」と、説明する。加えて、情報密度の高さも強調した：「情報密度は非常に高いです。キューブが上か下か、という二進法の枠組みを使えば、9つの機能ユニットからなる単純な構造体は、36万2000以上の可能な構成を持つことになります」。キューブは最大5つまで積み重ねることができ、1ユニットあたりのデータ量を大幅に増やすストレージ・スキームへの扉を開くことができる。
研究チームは、この技術のさらなる可能性も探っている。Yin氏は「各64キューブの機能ユニットは、キューブを最大5段まで積み上げられる広範な構造に構成できます。これにより、バイナリコードをはるかに超えた複雑な計算の開発が可能になります」と述べ、他の研究者とのコラボレーションに関心を示している。
また、Li氏は「これらのメタ構造を使用して、画面上のピクセルではなく、3次元の文脈で情報を表示するハプティックシステムを作成する可能性を探ることにも興味があります」と付け加えた。
もちろん、これはまだ極めて初期段階の研究である。現在の切り紙のプロトタイプは、基本的な機械的原理を示しただけで、実際にコーディング・アーキテクチャやユーザー・インターフェースを開発するのは、まったく別の課題だ。
論文
- Science Advance: Mechanical Computer Relies On Kirigami Cubes, Not Electronics
参考文献
- North Carolina State University: Mechanical Computer Relies On Kirigami Cubes, Not Electronics
研究の要旨
メカニカル・コンピューティングは、多安定構造のような機械システムの変形状態に情報を符号化する。しかし、ほとんどの多安定系において安定した機械的記憶を実現することは依然として困難であり、しばしば2値情報に制限される。ここでは、剛体立方体ベースの機構における運動学的分岐を弾性と結合させることで、安定した高密度の機械的記憶を持つ、変形可能で多安定な機械的コンピューティング準構造を作成することを報告する。平面メタ構造を単純に引き伸ばすだけで、マルチステーブルな波形プラットフォームが形成される。これにより、個々の双安定素子を独立した機械的または磁気的に作動させることができ、ディスプレイ用のポップアップ・ボクセルや、情報の書き込み、消去、読み取り、暗号化、メカノロジカル・コンピューティングなどの様々なタスク用のバイナリ・ユニットとして機能する。事前に伸ばしたひずみを解放することで、外部からの機械的または磁気的な摂動に強く、所定の情報を安定させることができます。一方、再度伸ばすことで、情報の消去や書き換えのための選択的ゾーンやディスクフォーマットのような、編集可能な機械的メモリーが可能になります。さらに、このプラットフォームは再プログラムが可能で、高密度メモリーを実現するために多層構成に変形することができる。
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