研究揭示机械超材料与光互动进行复杂计算机理

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机械计算作为一种非传统计算手段，因其准确性、稳定性再次引起学界的关注。近日，汕头大学工学院机械系教授杨楠团队研究揭示了机械超材料与光互动进行复杂计算的新机理。相关研究发表于Research。该工作由团队负责人杨楠提出原创思想并进行指导，由魏华贤和钱政、张雨波共同完成。

现今的电子计算机已经发展得相当成熟，但是，在某些极端环境，如：太空高能电磁波和带电粒子环境，像金星这种高辐射强度的行星上，甚至在地球高辐射区域，电子计算系统将面临失效。为此，有必要采用非传统的计算技术。

最新研究中，杨楠团队采用了先进的机械超材料的理念和技术。这些材料表面包含巧妙的人工结构及受自然启发的几何排列，通常赋予超材料不同寻常的物理和机械性能。另外借助增材制造方式，可以精确制造出各种复杂结构。

为此，研究人员设计并制造了B形柔性机械超材料单元，通过手指的压力就能轻易地获得变形。他们发现这些柔性单元与力和光的互动能进行各种计算：从基本的“与、或、非、异或、同或”门，复杂的逻辑组合，多位数间的加减运算，到模拟-数字量转换器和随机数发生器等，而且具有清晰、明确、稳定的输入输出。在此基础上，研究人员提出一个通用性的计算框架，其通用性在于：根据布尔逻辑的析取范式直接形成计算系统，不仅与力和光，还能利用其它物理信号（热、声、电、化学、生物）进行计算。

如同材料的刚度、泊松比、热膨胀系数等性能一样，计算也是一种材料属性。将该材料嵌入柔性机器人、传感器、驱动器中，有望构建独立的自治系统，具有“决策-行动”能力。一旦解决器件尺度、计算速度和内存等问题，该机械计算机有望取代传统的电子计算机在极端环境中工作。

该项研究的意义就在于寻找一条独立于传统电子计算方式的新途径，能在极端条件下（比如，地外探索中）顺利工作。同时，研究人员所提出的通用性计算框架，也为其它类型的计算机的设计和制造提供了理论指导。

上述研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、汕头大学科研启动基金、广东省高校重点专项基金、广东省高校创新团队项目和2020李嘉诚跨学科研究基金的资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.34133/research.0085

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