激光网3月27日消息，在计算领域，电子晶体管长期以来一直是主导技术。自 1947 年发明以来，这种微型设备已成为现代电子产品的基础，实现了几乎改变了我们生活方方面面的数字革命。然而，尽管它无处不在且取得了无与伦比的成功，但电子晶体管也有其局限性。高功耗、易受极端环境条件影响以及缺乏与外部刺激的直接相互作用，促使研究人员探索替代计算方法。
这就是机械计算的用武之地。与电子计算不同，机械计算依赖于对材料和结构的物理操作来执行逻辑运算。这种方法具有多种优势，包括更低的功耗、更高的安全性以及能够在电子元件经常发生故障的恶劣环境中运行。此外，机械计算设备可以设计为直接响应和处理环境输入，为去中心化智能和自适应系统开辟了新的可能性。
尽管机械计算具有潜力，但现有设计的临时性阻碍了该领域的进展。大多数研究都集中在创建简单的逻辑门上，缺乏更高级应用所需的模块化和可扩展性。此外，许多机械计算系统仍然依赖手动复位或电信号进行输入和输出，这限制了它们的自主性和环境响应能力。
现在，上海交通大学的一组研究人员在应对这些挑战方面取得了重大进展。在最近发表在《先进功能材料》杂志上的一项研究中，他们介绍了一种新型机械晶体管，该晶体管结合了温度响应材料和可切换结构。这种创新设计可以构建复杂的逻辑电路和存储器，所有这些都不需要电力。
研究团队开发的机械晶体管由三个热输入端子和一个热输出端子组成，以及一个可切换组件和一种温度响应材料。这种温度响应材料由聚碳酸酯和殷钢合金组合而成，可随温度变化而改变形状。加热时，它会伸长，冷却时会收缩。此形状更改用于控制可切换组件的状态，该组件可以在两个稳定配置之间切换以表示二进制状态。
通过将这些机械晶体管排列成各种配置，研究人员展示了构建一整套逻辑门的能力，包括 NOT、OR、AND、NOR、NAND、XOR 和 XNOR。值得注意的是，只需重新配置热输入源，就可以对单个机械晶体管进行重新编程以执行不同的逻辑功能，从而提供电子电路中未见的灵活性和效率。
机械晶体管也可以组合在一起，以创建更复杂的计算元件。研究人员展示了两个相互连接的机械晶体管如何形成一个基本的存储单元，能够存储和检索信息。此外，通过在可切换组件中使用形状记忆聚合物，它们可实现非易失性存储器功能，这意味着即使在器件断电时也能保留存储的信息。这种在同一设备中集成逻辑和内存为内存计算铺平了道路，这种范式有望克服传统计算架构的局限性。
为了展示其机械晶体管的潜力，研究人员构建了一个算术逻辑单元，这是计算系统的关键组件。值得注意的是，他们的设计只需要七个机械晶体管来执行通常需要 38 个电子晶体管的相同算术运算。组件数量的大幅减少凸显了机械计算方法的效率和可扩展性。
除了纯计算之外，研究人员还展示了他们的机械晶体管如何实现环境适应系统。通过按顺序排列两个机械晶体管，它们创造了一种能够响应环境温度变化的装置，以控制太阳能电池板的部署。该应用说明了机械计算在促进自主系统方面的潜力，这些系统可以与周围环境进行交互并适应周围环境，例如在航空航天中，由于极端的温度波动和辐射暴露，电子元件可能不适合。
虽然这种机械晶体管的开发代表了机械计算领域的一个重要里程碑，但挑战依然存在。散热和传导损耗是这些器件可扩展性和实际应用的关键考虑因素。未来的研究将需要解决这些问题，以充分实现机械计算的潜力。
然而，该研究团队开发的机械晶体管让我们得以一窥计算和物理世界之间的界限越来越模糊的未来。通过利用材料和结构的固有特性，机械计算有可能引领新一波自适应、高效和环保的系统。虽然电子晶体管无疑将继续发挥至关重要的作用，但其机械晶体管的出现有望扩大计算领域的可能性。
