Mechanischer Computer mit Kirigami-Würfeln statt Elektronik

• Forschende der NC State haben einen von Kirigami inspirierten mechanischen Computer entwickelt, der Daten ganz ohne elektronische Bauteile allein mit verbundenen Polymerwürfeln speichern, abrufen und löschen kann
• Die Grundeinheit ist eine Funktionseinheit aus 64 Kunststoffwürfeln mit je 1 cm Kantenlänge; durch Hoch- und Herunterschieben der Würfel ändern sich Zustände wie 1 und 0 sowie die gesamte geometrische Struktur
• Die Datenbearbeitung ist möglich, wenn man am Rand der Metastruktur zieht und dabei elastische Bänder dehnt; lässt man los, ziehen sich die Bänder zusammen und fixieren Würfel und Daten
• Schon eine einfache Metastruktur aus 9 Funktionseinheiten kann allein binär mehr als 362.000 Konfigurationen bilden; außerdem wurden mehrzuständige Konfigurationen demonstriert, bei denen Würfel bis zu fünf Ebenen hoch gestapelt werden
• Die Struktur hat Potenzial für mechanische Verschlüsselung und Entschlüsselung, haptische Systeme zur Darstellung dreidimensionaler Informationen sowie Codierungsverfahren jenseits von Binärlogik

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Mechanischer Speicher ohne elektronische Bauteile

• Forschende der NC State haben einen von Kirigami inspirierten mechanischen Computer entwickelt, der Daten speichern, abrufen und löschen kann, ohne auf elektronische Bauteile angewiesen zu sein
• Das System nutzt komplexe Strukturen aus festen, miteinander verbundenen Polymerwürfeln
• Nutzer können zwischen einem Zustand, in dem Daten bearbeitet werden können, und einem Zustand wechseln, in dem die Daten an Ort und Stelle verriegelt sind
• Mechanische Computer arbeiten statt mit elektronischen Bauteilen mit mechanischen Komponenten und nutzten historisch Bauteile wie Hebel oder Zahnräder
• Dieses System nutzt multistabile Strukturen, die zwei oder mehr stabile Zustände einnehmen können

Wie Kirigami-Würfel ihren Zustand ändern

• Die Grundeinheit ist ein Kunststoffwürfel mit 1 cm Kantenlänge; 64 verbundene Würfel bilden eine Funktionseinheit
• Das Design der Funktionseinheit geht von Kirigami aus, der Kunst des Schneidens und Faltens von Papier, und überträgt dieses Prinzip auf dreidimensionale Materialien, die in verbundene Würfel geschnitten sind
• Wird ein Würfel nach oben oder unten gedrückt, ändert sich die Geometrie beziehungsweise Architektur aller verbundenen Würfel mit
  • Die Würfel können direkt physisch nach oben oder unten gedrückt werden
  • Alternativ lassen sie sich auch aus der Ferne bewegen, indem man eine magnetische Platte auf der Funktionseinheit anbringt und ein Magnetfeld anlegt
• Werden 64-Würfel-Funktionseinheiten zu komplexeren Metastrukturen verbunden, lassen sich mehr Daten speichern oder komplexere Berechnungen ausführen

Schreib-, Verriegelungs- und Löschmechanismus

• Die Würfel sind durch dünne elastische Bänder verbunden
• Um Daten zu bearbeiten, muss die Konfiguration der Funktionseinheiten geändert werden; dazu ziehen Nutzer am Rand der Metastruktur und dehnen die elastischen Bänder
• Solange die Bänder gedehnt sind, können die Würfel nach oben oder unten geschoben werden
• Lässt man die Metastruktur los, ziehen sich die Bänder zusammen und fixieren Würfel und Daten
• Ein Video des mechanischen Computers ist unter https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM zu sehen

Informationsdarstellung jenseits von Binärwerten

• Der Proof of Concept konzentriert sich auf binäres Computing, bei dem ein nach oben oder unten verschobener Würfel als 1 oder 0 interpretiert wird
• Nutzt man dagegen die Höhe, bis zu der ein Würfel angehoben wurde, als Datenwert, wird komplexeres Computing möglich
• Im Proof-of-Concept-System kann ein Würfel fünf oder mehr Zustände einnehmen
  • Theoretisch könnte ein einzelner Würfel also nicht nur 1 oder 0, sondern auch 2, 3 oder 4 übermitteln
• Jede 64-Würfel-Funktionseinheit kann in unterschiedlichen Architekturen konfiguriert werden, bei denen Würfel bis zu fünf Ebenen hoch gestapelt sind
• Allerdings wurde der Code, der diese Architektur nutzt, noch nicht entwickelt; die Forschenden sind an Kooperationen interessiert, um das Codierungspotenzial der Metastruktur zu erkunden

Erweiterungsmöglichkeiten für Verschlüsselung und haptische Systeme

• Eine mögliche Anwendung ist dreidimensionale mechanische Verschlüsselung und Entschlüsselung
  • Eine bestimmte Konfiguration von Funktionseinheiten könnte wie ein 3D-Passwort funktionieren
• Selbst wenn Würfel im binären Framework nur den Zustand oben oder unten haben, besitzt eine einfache Metastruktur aus 9 Funktionseinheiten mehr als 362.000 mögliche Konfigurationen
• Diese Metastruktur könnte auch für haptische Systeme eingesetzt werden, die Informationen nicht über Bildschirmpixel, sondern in einem dreidimensionalen Kontext darstellen
• Der Artikel “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” wurde im Open-Access-Journal Science Advances veröffentlicht
• Diese Plattform kann als binäre Einheit oder als Pop-up-Voxel für das Schreiben, Löschen, Lesen und Verschlüsseln von Informationen sowie für mechanisches logisches Computing dienen; durch Aufheben des vorverformten Zugzustands lässt sich Information stabilisieren, sodass sie externen mechanischen und magnetischen Störungen widersteht

[GN⁺]

Kommentare auf Hacker News

• Haben sie tatsächlich auch nur ein funktionierendes Logikgatter gebaut? Im Video sieht man nur, wie Bits per direkter Manipulation vor- und zurückgekippt werden.
  Edit: Nach Blick in das Paper scheint es so zu sein. „Schließlich untersuchen wir diese Metastruktur als einfache mechanische Logikgatter. Abbildung 8(C, D) zeigt, dass mithilfe der unabhängigen Bistabilität lokaler Elemente die Operationen von ‚OR‘- und ‚AND‘-Logikgattern realisiert wurden.“

  • Steht im vollständigen Paper. Es ist nicht Open Source und scheint auch noch nicht im Archiv zu sein.
    Im Abschnitt „Mechanical logic gates“ wird beschrieben, dass OR/AND-Gatter umgesetzt wurden. Zum Auslesen der Ausgabe wird eine höhenverstellbare Platte über einen kleinen Bereich auf der Plattform gelegt; wenn die Platte waagerecht angehoben ist, wird das als „1“ gelesen, wenn sie geneigt oder abgesenkt ist, als „0“.
    Beim OR wird P1 angehoben und fixiert; wenn dann S1 oder S2 nach oben kommt, entsteht eine stabile horizontale Platte, also „1“. Beim AND wird die Platte nur dann durch Dreipunktkontakt stabil angehoben und zu „1“, wenn P1=P2=P3=1 gilt. Während bisherige mechanische Logik-Metastrukturen meist auf 1D/2D beschränkt waren, erweitert dieses Design das auf eine 3D-Struktur; durch Änderung der Strukturelemente sollen auch NOR/NAND umsetzbar sein.
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
  • Soweit ich weiß, braucht man als Grundlage, um beliebige Schaltungen bauen zu können, ein NAND-Gatter. Mit einem zusätzlichen Inverter käme man also potenziell in die Nähe von Turing-Vollständigkeit.

• „Die Proof-of-Concept-Arbeit konzentrierte sich auf binäre Rechenfunktionen, bei denen Würfel nach oben oder unten gedrückt werden. Wir sehen aber auch Möglichkeiten für komplexere Berechnungen, bei denen Daten darüber übertragen werden, wie hoch ein bestimmter Würfel gedrückt wurde. Wir haben gezeigt, dass ein Würfel in diesem System fünf oder mehr Zustände haben kann. Theoretisch bedeutet das, dass ein einzelner Würfel nicht nur 1 oder 0, sondern auch 2, 3 oder 4 übertragen könnte.“
  Soll das eine Brücke zwischen analogem Rechnen und digitalem Rechnen schlagen? Nach der Beschreibung klingt es wie ein begrenztes analoges Computersystem.

  • Digital bedeutet nicht automatisch binär. Ein digitales System muss lediglich eine feste Anzahl von Pegeln haben, im Gegensatz zu einem analogen System mit kontinuierlichen Werten. Ein Binärsystem mit 1 und 0 ist nur ein Beispiel dafür.
    Auch in modernen digitalen Systemen gibt es viele nichtbinäre Verfahren. Eine QLC-SSD mit NAND-Flash speichert zum Beispiel 16 Pegel pro Zelle und kodiert damit den Gegenwert von 4 Bit. Und 64-QAM ist ein Modulationsverfahren, das etwa bei 802.11n-Wi-Fi oder digitalem terrestrischem Fernsehen verwendet wird; zwei Sinuswellen unterschiedlicher Phase können dabei jeweils bis zu 8 Amplitudenpegel haben.
    Auch elektronische Computer waren nicht immer binär. Einer der frühen sowjetischen Computer führte seine Kernberechnungen mit ternärer Logik aus statt mit den vertrauten zwei Ziffern.
  • Auch unter bestehenden digitalen Speichermedien gibt es Fälle, in denen zur Erhöhung der Dichte mehrstufige Pegel jenseits von 0 und 1 genutzt werden. Der 8087-Gleitkomma-Coprozessor speicherte seinen Microcode zum Beispiel in einem 4-Level-ROM mit 2 Bit pro Transistor, weil ein normales ROM auf dem Die zu groß gewesen wäre.
    Auch Flash-Speicher nutzt Multi-Level-Zellen, die bis zu 4 Bit pro Zelle speichern.

• „Ein mechanischer Computer ist ein Computer, der mit mechanischen statt elektronischen Bauteilen arbeitet.“
  Wer sich für mechanische Computer begeistert, sollte daran denken, dass Elektronen etwa tausendmal leichter sind als Nukleonen. Da mechanische Computer zum Arbeiten im Grunde Atome bewegen müssen, verbrauchen sie wahrscheinlich immer mehr Energie als elektronische Computer.

  • Wenn man diese Logik konsequent zu Ende denkt, müsste Photonen-Computing viel effizienter sein als elektronisches Computing. Irgendwann wird das wohl so sein.
    Ist das das Endziel? Gibt es theoretisch etwas, das näher an die Landauer-Grenze herankommen kann als Photonen-Computing? Nicht mein Fachgebiet, aber es scheint eine gute Frage für hier zu sein.
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
  • Selbst wenn es nicht effizienter ist, könnte es widerstandsfähiger gegen elektromagnetische Stürme und weniger anfällig für Überhitzung sein. Vielleicht geht es eher darum, es an stark eingeschränkte Umgebungen anzupassen.
  • Hängt das nicht davon ab, wie groß der Anteil der Energie für die eigentliche Berechnung im Vergleich zur Energie für das Heranholen und Speichern der relevanten Bits ist? Wenn die Anforderungen extrem langsame Berechnung und extrem langfristige Speicherung sind, könnte mechanisches Rechnen theoretisch im Vorteil sein.
    Allerdings zeigt Chuck Moores GA144, dass selbst in solchen Extremsituationen noch ziemlich viel Spielraum bleibt, elektronische Berechnung zu optimieren.
    [0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
  • Stimmt, aber man muss normalerweise auch betrachten, wie viele Elektronen mit einem einzelnen Signal bewegt werden.

• Wenn ich Milliardär wäre, würde ich mir im Haus einen großen Raum nur für Computer aus der Zeit vor der Elektrizität einrichten wollen. Es ist erstaunlich, wie viele Dinge fast trivial wurden, nachdem Transistoren allgemein verfügbar waren, und Objekte wie The Writer Automaton fand ich schon immer unglaublich faszinierend.

  • Wenn ich viel Geld hätte, würde ich es gern dafür ausgeben. Im Gegenzug würde ich wollen, dass damit so ein Raum entsteht und dass ich mit all diesen Computern herumspielen darf, bis ich ihre Funktionsweise verstanden habe.
    Ich habe Maschinenbau studiert und arbeite inzwischen in einem anderen Bereich, aber unabhängig davon, dass ich ihre gesellschaftliche Bedeutung verstehe, fasziniert mich immer noch, wie man mechanische Prinzipien manipuliert, um ein Ziel zu erreichen.

• Wofür könnte man das einsetzen? In Umgebungen mit hoher Strahlung oder anderen extremen Umgebungen?

  • Auf der Venus korrodiert die Atmosphäre Elektronik unglaublich schnell. Für Raumsonden ist das deshalb eine extrem schwierige Umgebung.
    Eine mechanische Lösung könnte bedeuten, dass elektrische Leitfähigkeit keine zwingende Voraussetzung mehr ist, sodass Bauteile möglicherweise länger durchhalten.
  • Ein ähnlicher Ansatz könnte für mikroelektromechanische Systeme nützlich sein.
    https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS

• Gibt es Beispiele dafür, dass eine Gesellschaft von „mechanischem Rechnen“ wieder bis hin zu funktionierenden Chips neu gebootstrapt wurde? Wenn durch ein planetenweites elektromagnetisches Ereignis alle Rechenanlagen ausfallen, wie würde man Fabriken wie TSMC wieder in Betrieb nehmen? Wie würde man die Lebensmittelproduktion aufrechterhalten?
  Könnte man mit solchen mechanischen Computern und grundlegenden Anleitungen aus dem Nullzustand heraus wiederherstellen?

  • Ich bin nicht sicher, ob sich eine Gesellschaft nach einem Kollaps erholen könnte. Die leicht zugänglichen Ressourcen haben wir bereits abgebaut; die verbleibenden werden mit sehr hochentwickelter Technologie gefördert und raffiniert.
    Man könnte zwar vieles recyceln, aber auch das hat Grenzen. Außerdem ist der Großteil des Wissens digital gespeichert, und ein erheblicher Teil davon in proprietären Formaten. Wenn es nicht irgendwie gelingt, es wiederherzustellen, bevor die vorhandene Expertise verschwindet, könnten wir es für sehr lange Zeit oder sogar für immer verlieren.
  • Ich weiß nicht, was mit „eine Gesellschaft ausprobiert“ gemeint sein soll. Wenn Simulationen oder Gedankenexperimente gemeint sind, gibt es davon sicher viele, mit unterschiedlichem Grad an Strenge. Ob man ein echtes Experiment gemacht hat? Vermutlich eher nicht.
    Jedenfalls halte ich Experimente nach dem Motto „bauen wir mal eine Gesellschaft“ im Allgemeinen für unmöglich. Selbst wenn man sich sehr anstrengt, begünstigen sie Strategien, deren Erwartungswert positiv ist, deren Ausfallwahrscheinlichkeit aber unannehmbar hoch ist. Weil man weiß, dass man bei einem tatsächlichen Scheitern in die Realität zurückkehren und ins Krankenhaus gehen kann, ist man bereit, ein Risiko von etwa 5 % einzugehen, an einer Infektion zu sterben. Einmal wird es mit 95 % Wahrscheinlichkeit gutgehen, aber wenn man über mehrere Generationen hinweg würfelt, tritt irgendwann ein katastrophaler Fehlschlag ein.
  • Babbage ist in den falschen Kaninchenbau geraten. Schon mit Technologie aus den 1860er-Jahren hätte man einen automatischen programmierbaren Computer bauen können.
    Wenn man Draht herstellen oder zurückgewinnen kann und einfache Blechteile aus Messing oder Ähnlichem fertigen kann, kann man Elektromagnete bauen. Wenn man Elektromagnete bauen kann, kann man Relais bauen, und das reicht. Multimedia-Streaming wird damit nicht gehen, aber automatische Steuerung und Fernkommunikation schon.
  • Das Szenario, dass „durch ein planetenweites elektromagnetisches Ereignis alle Rechenanlagen ausfallen“, ist unmöglich. Irgendwo wird es immer noch funktionierende Computer geben – weil sie abgeschirmt waren, außerhalb des Katastrophengebiets lagen oder einfach Glück hatten.
    Allerdings sind das vielleicht keine leicht zugänglichen Geräte, und wenn man nur eine Trusted-Execution-Plattform wie ein iPhone findet, kann die Lage ziemlich aussichtslos wirken.
  • Das erinnert mich an CollapseOS [1]. Es geht zwar eher darum, einfache Chips zur Leistungssteuerung zu bootstrappen, als eine Gesellschaft neu zu starten, aber man könnte sagen, dass beides zusammengehört.
    [1] http://collapseos.org/

• Vielleicht ist das eine dumme Frage, aber wären solche Computer für extreme Umgebungen wie einen Venus-Rover geeignet?

  • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Automaton_Rover_for_Extreme_... Es gab eine Designstudie der NASA, die genau diese Frage im Zusammenhang mit mechanischen Computern untersucht hat.
    Die Idee, Daten über einen rotierenden Retroreflektor zurückzusenden, der per Laser aus dem Orbit ausgelesen wird, gefällt mir ziemlich gut.

• Hier ist der Link zum Paper. Schade, dass es nicht Open Source ist.
  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476

• Erinnert ein wenig an QAM

• Fühlt sich an, als würde Neal Stephensons The Diamond Age Wirklichkeit werden