Stroje bez batérií sú schopné vykonávať logické a pamäťové úlohy pomocou mechanických komponentov. Našli sme alternatívu elektronických procesorov?
Vo svete závislom od malých čipov a rýchleho nabíjania sa tím vedcov vydal opačným smerom. Skonštruovali mechanický výpočtový systém fungujúci bez potreby externého napájania. Jeho inteligencia spočíva iba v napätí pružín a pohybe ocele. Zdroj: St. Olaf College
Dnešné počítače sú neoddeliteľne spojené s elektronikou, kremíkovými čipmi a miliardami tranzistorov. Nový výskum publikovaný v časopise Nature Communication však ukazuje, že to tak byť nemusí.
Vedci zo St. Olaf College a Syracuse University totiž vytvorili zariadenie, ktoré dokáže fungovať bez elektrickej energie. Využíva iba pružiny, kovové tyče a opiera sa o fyzikálne vlastnosti materiálov. Tento mechanický počítač predstavuje radikálne prehodnotenie samotnej definície výpočtu. Namiesto elektrických signálov pracuje s pohybom, so silou a s deformáciou materiálu.
Ako vysvetľuje fyzik Joey Paulsen, základná myšlienka vychádza z pozorovania, že mnohé materiály si pamätajú svoju minulosť, napríklad guma si uchová informáciu o tom, ako veľmi bola natiahnutá.
Výskumníci sa preto pýtali jednoduchú, no zásadnú otázku: Ak materiál dokáže uchovávať informáciu, dokáže ju aj spracovať? Odpoveď, ktorú priniesli, naznačuje, že áno.
Pozrite si
Ako funguje mechanické počítanie
Základom systému sú mechanické hysteróny – jednoduché prvky, ktoré majú dve stabilné polohy a prepínajú sa medzi nimi pri určitom prahu sily. Tento jav, známy ako hysterézia, znamená, že stav systému závisí od jeho minulosti, nie iba od aktuálneho vstupu.
Každý takýto prvok funguje ako pamäťová jednotka. Keď sa naň pôsobí silou, prepne sa a zostane v novom stave, kým nepríde ďalší impulz. Keď vedci tieto prvky prepojili pružinami, vytvorili sieť, ktorá dokáže vykonávať jednoduché logické operácie.
V praxi to znamená, že mechanická konštrukcia dokáže napríklad rozlišovať medzi párnym a nepárnym počtom impulzov alebo si zapamätať intenzitu sily.
Experimentálne zariadenia demonštrovali tri základné typy výpočtov. Jedno zariadenie dokázalo počítať počet pohybov, teda sledovalo, koľkokrát používateľ potiahol za jeho hnaciu tyč. Reťazec hysterónov fungoval ako pohyblivá hranica, ktorá sa s každým polcyklom pohybu posúvala o jeden krok po čiare.
Druhé zariadenie rozlišovalo párnosť či nepárnosť počtu vstupov – pomocou štyroch prepojených tyčí opakovaný fyzický tlak nútil systém do opakujúceho sa dvojcyklového rytmu.
Tretí mechanický počítač si pamätal, či bola aplikovaná stredná alebo veľká sila. Po strednom stlačení sa uzamkol do zmeneného stavu, ale pri masívnom, väčšom stlačení sa úplne resetoval. Stroj efektívne ukladal informácie o intenzite sily, ktorá naň pôsobila.
Hoci ide o jednoduché operácie, z fyzikálneho hľadiska predstavujú dôkaz, že výpočty nemusia byť viazané na elektroniku.
Zaujímavé je aj to, že systém nepotrebuje externý zdroj energie. Energiu získava priamo z mechanického pohybu, teda z toho, že ho niekto alebo niečo fyzicky pohne.
Pamäť uložená v materiáli
Kľúčovým konceptom tohto výskumu je predstava, že pamäť nemusí byť uložená v čipe, ale priamo v materiáli. Tento prístup má korene v širšej oblasti fyziky a materiálových vied, kde sa už desaťročia skúma pamäť materiálov.
Napríklad polyméry, kovy alebo granulárne systémy vykazujú hysterézne správanie, pri ktorom si uchovávajú informáciu o predchádzajúcom zaťažení. Podobné princípy sa využívajú aj v shape-memory alloys, teda zliatinách, ktoré sa po deformácii vrátia do pôvodného tvaru. Výskumníci však idú ešte o krok ďalej: namiesto pasívneho uchovávania informácie ju systém premieňa na aktívne spracovanie.
Táto myšlienka nadväzuje na koncept physical computing, kde výpočty prebiehajú priamo v dynamike fyzikálneho systému. V posledných rokoch sa podobné prístupy objavili napríklad pri kvapalinových počítačoch, optických systémoch alebo neuromorfných materiáloch, ktoré napodobňujú fungovanie neurónov.
Mechanické počítače tak zapadajú do širšieho trendu: posunu od digitálnych, abstraktných výpočtov k výpočtom zakotveným v samotnej fyzickej realite.
Tím výskumníkov vedený Joeym Paulsenom, docentom fyziky na St. Olaf College (v strede). Zdroj: St. Olaf College
Návrat ku koreňom výpočtovej techniky
Hoci sa mechanické počítače môžu zdať futuristické, v skutočnosti ide o návrat ku koreňom. Prvé výpočtové stroje, ako napríklad analytický stroj Charlesa Babbagea v 19. storočí, boli čisto mechanické.
Moderný výskum však tieto staré princípy kombinuje s pokročilou fyzikou a presným inžinierstvom. Kým historické stroje používali ozubené kolesá, nové systémy pracujú s pružnosťou, nestabilitou a nelineárnymi interakciami medzi komponentmi. To umožňuje oveľa flexibilnejšie a škálovateľnejšie správanie.
Podobné experimenty sa už objavili. Výskumníci z North Carolina State University napríklad vyvinuli plastový mechanický počítač schopný vykonať jednoduché operácie. Iné výskumné tímy tiež skúmajú jemnú robotiku, kde materiály samy reagujú na podnety bez centrálneho riadenia. Tieto paralely naznačujú, že mechanické výpočty nie sú kuriozitou, ale súčasťou širšieho vedeckého trendu.
Vhodné pre extrémne podmienky
Jednou z najväčších výhod mechanických počítačov je ich odolnosť. Elektronika je citlivá na teplotu, radiáciu či chemické prostredie, zatiaľ čo jednoduché mechanické systémy môžu fungovať aj tam, kde čipy zlyhávajú.
Pozrite si
Práve preto vedci zdôrazňujú potenciálne využitie v extrémnych podmienkach, ako sú vesmírne misie, priemyselné prostredie alebo hlbokomorské zariadenia. V takýchto situáciách môže byť jednoduchý mechanický počítač spoľahlivejší než komplexná elektronika.
Okrem toho sa otvára možnosť integrácie výpočtov priamo do materiálov. Predstavme si napríklad stavebný materiál, ktorý dokáže reagovať na tlak alebo vibrácie, alebo protézu, ktorá mechanicky cíti dotyk a prispôsobuje sa mu v reálnom čase. Takéto aplikácie sú súčasťou výskumu takzvaných inteligentných materiálov.
(KAM)
