26 de marzo de 2024 (Proyector Nanowerk) En el ámbito de la informática, la electrónica transistor ha sido durante mucho tiempo la tecnología dominante. Desde su invención en 1947, este pequeño dispositivo se ha convertido en la base de la electrónica moderna, permitiendo la revolución digital que ha transformado casi todos los aspectos de nuestras vidas. Sin embargo, a pesar de su ubicuidad y su éxito incomparable, el transistor electrónico tiene sus limitaciones. El alto consumo de energía, la vulnerabilidad a condiciones ambientales extremas y la falta de interacción directa con estímulos externos como el calor, la fuerza y la presión han motivado a los investigadores a explorar enfoques alternativos a la computación. Aquí es donde entra en juego la computación mecánica. A diferencia de la computación electrónica, la computación mecánica se basa en la manipulación física de materiales y estructuras para realizar operaciones lógicas. Este enfoque ofrece varias ventajas, incluido un menor consumo de energía, mayor seguridad y la capacidad de operar en entornos hostiles donde los componentes electrónicos suelen fallar. Además, los dispositivos informáticos mecánicos pueden diseñarse para responder y procesar directamente las entradas del entorno, abriendo nuevas posibilidades para la inteligencia descentralizada y los sistemas adaptativos. A pesar del potencial de la computación mecánica, el progreso en este campo se ha visto obstaculizado por la naturaleza ad hoc de los diseños existentes. La mayor parte de la investigación se ha centrado en la creación de puertas lógicas simples, que carecen de la modularidad y escalabilidad necesarias para aplicaciones más avanzadas. Además, muchos sistemas informáticos mecánicos todavía dependen de reinicios manuales o señales eléctricas para la entrada y salida, lo que limita su autonomía y capacidad de respuesta ambiental. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai ha logrado un avance significativo para abordar estos desafíos. En un estudio reciente publicado en la revista Materiales funcionales avanzados (“Computación Térmica con Transistores Mecánicos”), presentan un novedoso transistor mecánico que combina un material sensible a la temperatura y una estructura conmutable. Este diseño innovador permite la construcción de circuitos lógicos complejos y almacenamiento de memoria, todo ello sin necesidad de electricidad.
Un transistor mecánico para informática térmica. a) Esquema de un transistor mecánico que consta de tres terminales de entrada (i)-(iii) y un terminal de salida para transmitir señales de temperatura, un actuador biestable (iv) y un sensor termomecánico inspirado en Kirigami (v) fabricado a partir de un desplazamiento asimétrico. Amplificador compuesto por policarbonato (PC) y aleación de invar. Las dimensiones de l y w son 250 y 85 mm, respectivamente. (Imagen adaptada de doi:10.1002/adfm.202401244 con permiso de Wiley-VCH Verlag) El transistor mecánico desarrollado por el equipo de investigación consta de tres terminales de entrada térmica y un terminal de salida térmica, junto con un componente conmutable y un material sensible a la temperatura. . El material sensible a la temperatura, hecho de una combinación de policarbonato y una aleación de invar, cambia de forma en respuesta a las variaciones de temperatura. Cuando se calienta se alarga y cuando se enfría se contrae. Este cambio de forma se utiliza para controlar el estado del componente conmutable, que puede cambiar entre dos configuraciones estables para representar estados binarios.
Al disponer estos transistores mecánicos en varias configuraciones, los investigadores demuestran la capacidad de construir un conjunto completo de puertas lógicas, incluidas NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR y XNOR. Sorprendentemente, un solo transistor mecánico se puede reprogramar para realizar diferentes funciones lógicas simplemente reconfigurando las fuentes de entrada térmica, ofreciendo un nivel de flexibilidad y eficiencia que no se ve en los circuitos electrónicos.
Los transistores mecánicos también se pueden combinar para crear elementos informáticos más complejos. Los investigadores muestran cómo dos transistores mecánicos interconectados pueden formar una unidad de memoria básica, capaz de almacenar y recuperar información. Además, al utilizar un polímero con memoria de forma en el componente conmutable, permiten la funcionalidad de memoria no volátil, lo que significa que la información almacenada se retiene incluso cuando el dispositivo está apagado. Esta integración de lógica y memoria dentro del mismo dispositivo allana el camino para la computación en memoria, un paradigma que promete superar las limitaciones de las arquitecturas informáticas tradicionales.
Para mostrar el potencial de sus transistores mecánicos, los investigadores construyen una unidad lógica aritmética, un componente clave de los sistemas informáticos. Sorprendentemente, su diseño requiere sólo siete transistores mecánicos para realizar la misma operación aritmética que normalmente requeriría 38 transistores electrónicos. Esta drástica reducción en el número de componentes resalta la eficiencia y escalabilidad del enfoque de computación mecánica.
Más allá de la pura computación, los investigadores también demuestran cómo sus transistores mecánicos pueden permitir sistemas ambientalmente adaptables. Al disponer dos transistores mecánicos en secuencia, crean un dispositivo capaz de responder a los cambios de temperatura ambiente para controlar el despliegue de paneles solares. Esta aplicación ilustra el potencial de la informática mecánica para facilitar sistemas autónomos que puedan interactuar y adaptarse a su entorno, como en el sector aeroespacial, donde los componentes electrónicos pueden no ser adecuados debido a fluctuaciones extremas de temperatura y exposición a la radiación.
Si bien el desarrollo de este transistor mecánico representa un hito importante en el campo de la informática mecánica, aún persisten desafíos. La disipación de calor y las pérdidas por conducción son consideraciones críticas para la escalabilidad y la aplicación práctica de estos dispositivos. Las investigaciones futuras deberán abordar estas cuestiones para aprovechar plenamente el potencial de la informática mecánica.
Sin embargo, el transistor mecánico desarrollado por este equipo de investigación ofrece una visión de un futuro en el que los límites entre la computación y el mundo físico son cada vez más borrosos. Al aprovechar las propiedades inherentes de los materiales y las estructuras, la computación mecánica tiene el potencial de marcar el comienzo de una nueva ola de sistemas adaptables, eficientes y ambientalmente sensibles.
Un transistor mecánico para informática térmica. a) Esquema de un transistor mecánico que consta de tres terminales de entrada (i)-(iii) y un terminal de salida para transmitir señales de temperatura, un actuador biestable (iv) y un sensor termomecánico inspirado en Kirigami (v) fabricado a partir de un desplazamiento asimétrico. Amplificador compuesto por policarbonato (PC) y aleación de invar. Las dimensiones de l y w son 250 y 85 mm, respectivamente. (Imagen adaptada de doi:10.1002/adfm.202401244 con permiso de Wiley-VCH Verlag) El transistor mecánico desarrollado por el equipo de investigación consta de tres terminales de entrada térmica y un terminal de salida térmica, junto con un componente conmutable y un material sensible a la temperatura. . El material sensible a la temperatura, hecho de una combinación de policarbonato y una aleación de invar, cambia de forma en respuesta a las variaciones de temperatura. Cuando se calienta se alarga y cuando se enfría se contrae. Este cambio de forma se utiliza para controlar el estado del componente conmutable, que puede cambiar entre dos configuraciones estables para representar estados binarios.
Al disponer estos transistores mecánicos en varias configuraciones, los investigadores demuestran la capacidad de construir un conjunto completo de puertas lógicas, incluidas NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR y XNOR. Sorprendentemente, un solo transistor mecánico se puede reprogramar para realizar diferentes funciones lógicas simplemente reconfigurando las fuentes de entrada térmica, ofreciendo un nivel de flexibilidad y eficiencia que no se ve en los circuitos electrónicos.
Los transistores mecánicos también se pueden combinar para crear elementos informáticos más complejos. Los investigadores muestran cómo dos transistores mecánicos interconectados pueden formar una unidad de memoria básica, capaz de almacenar y recuperar información. Además, al utilizar un polímero con memoria de forma en el componente conmutable, permiten la funcionalidad de memoria no volátil, lo que significa que la información almacenada se retiene incluso cuando el dispositivo está apagado. Esta integración de lógica y memoria dentro del mismo dispositivo allana el camino para la computación en memoria, un paradigma que promete superar las limitaciones de las arquitecturas informáticas tradicionales.
Para mostrar el potencial de sus transistores mecánicos, los investigadores construyen una unidad lógica aritmética, un componente clave de los sistemas informáticos. Sorprendentemente, su diseño requiere sólo siete transistores mecánicos para realizar la misma operación aritmética que normalmente requeriría 38 transistores electrónicos. Esta drástica reducción en el número de componentes resalta la eficiencia y escalabilidad del enfoque de computación mecánica.
Más allá de la pura computación, los investigadores también demuestran cómo sus transistores mecánicos pueden permitir sistemas ambientalmente adaptables. Al disponer dos transistores mecánicos en secuencia, crean un dispositivo capaz de responder a los cambios de temperatura ambiente para controlar el despliegue de paneles solares. Esta aplicación ilustra el potencial de la informática mecánica para facilitar sistemas autónomos que puedan interactuar y adaptarse a su entorno, como en el sector aeroespacial, donde los componentes electrónicos pueden no ser adecuados debido a fluctuaciones extremas de temperatura y exposición a la radiación.
Si bien el desarrollo de este transistor mecánico representa un hito importante en el campo de la informática mecánica, aún persisten desafíos. La disipación de calor y las pérdidas por conducción son consideraciones críticas para la escalabilidad y la aplicación práctica de estos dispositivos. Las investigaciones futuras deberán abordar estas cuestiones para aprovechar plenamente el potencial de la informática mecánica.
Sin embargo, el transistor mecánico desarrollado por este equipo de investigación ofrece una visión de un futuro en el que los límites entre la computación y el mundo físico son cada vez más borrosos. Al aprovechar las propiedades inherentes de los materiales y las estructuras, la computación mecánica tiene el potencial de marcar el comienzo de una nueva ola de sistemas adaptables, eficientes y ambientalmente sensibles.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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