Max Home IndustryКаждому специалисту по информатике хорошо известно, что компьютер можно реализовать множеством различных способов — но капли воды? Да, конечно, можно, и на результат действительно интересно наблюдать.
Итак, вы можете создавать компьютеры из любой физической системы, которая может реализовывать логические вентили — на самом деле подойдет только один вентиль. В принципе, все, что вам нужно, это ворота Nand или Nor, и вы можете использовать их для создания всего остального. В некоторой степени, как только вы узнаете этот факт, компьютеры, построенные из странных вещей — Компьютер на основе краба — станут немного менее удивительными, но не менее интересными.
Исследователи из Стэнфорда Георгиос Кацикис, Джеймс С. Цибульски и Ману Пракаш создали нечто новое — синхронную машину на основе капель воды. В этом конкретном случае вам нужно только посмотреть видео с компьютером в действии, чтобы оценить его на эстетическом уровне:
Когда вы видите, как капли воды движутся по сетке, это похоже на какой-то сложный танец или сложную игру в пакман. Причина того, что все выглядит так, как будто все идет в ногу, в том, что это так. Это один из немногих примеров синхронного вычислительного устройства, созданного в маловероятной среде.
Мы могли бы оставить его на этом этапе — удивляясь тому, как все это выглядит, — но если вам что-то вроде любопытства, вам понадобится небольшая подсказка о том, как это работает.
Сначала транспортный механизм.
Причина движения капель гениальна. Во-первых, существует постоянное вертикальное магнитное поле, которое поляризует феррожидкость так, что она похожа на небольшой вертикальный стержневой магнит с южным полюсом, закрывающим подложку. Расстояние от северного полюса до субстрата означает, что вы можете игнорировать его взаимодействие и рассматривать каплю, как если бы она была единственным южным полюсом, то есть приблизительным монополем. Более точную картину того, как он взаимодействует с намагниченной полосой на подложке, вы можете увидеть на картинке ниже:
Это первая умная часть. Во-вторых, вращающееся магнитное поле используется для изменения наведенной намагниченности форм в подложке, чтобы создать «ходящую» магнитную волну, которая перемещает капли. Магнитное поле переключается в четырех положениях под прямым углом, и вы можете увидеть, как это перемещает каплю, на следующих четырех диаграммах:
В первом случае вращающееся поле указывает «вверх», и все поляризовано так, что на его нижнем конце есть северный полюс (красный). В этом случае капля притягивается к простой вертикальной полосе справа от нее — ближайшему северному полюсу.
Затем поле поворачивается на 90 градусов так, чтобы указывать вправо. Теперь все поляризовано так, что северный полюс находится слева. Обратите внимание, что простые вертикальные полосы на самом деле не имеют никакого эффекта в этом случае, и капля перемещается к северному полюсу Т-образной полосы справа от нее — снова к ближайшему северному полюсу.
Теперь поле поворачивается, чтобы указать на диаграмме вниз, и вы можете повторить первый шаг, но поменять местами север и юг. Все поляризовано в вертикальном направлении, но с северными полюсами наверху. Это привлечет каплю к середине Т-образной планки справа.
Последний шаг теперь должен быть очевиден. Магнитное поле движется так, что оно указывает влево, и у нас есть установка на втором шаге, все поляризовано в горизонтальном направлении, но с северными полюсами справа. Теперь капля переместится в правую часть T-бара, и цикл готов к повторению.
Умный! Поскольку все это симметрично, оно будет работать с треком косвенно.
Хорошо, это дает вам транспорт, а как насчет логики?
Чтобы объяснить, как работают ворота, давайте рассмотрим простую схему И / ИЛИ:
Обратите внимание, что физическая логика часто вычисляет и And, и Or одновременно, потому что они обратимы и никакая информация не теряется. Ключ к пониманию происходящего — помнить, что капли являются южными полюсами и поэтому отталкиваются друг от друга. Если в воротах есть только капля в точке А, то решетки расположены так, чтобы они спускались по красной дорожке — и да, это пример угла. Цифры показывают положение северного полюса в каждом цикле часов, и вы можете видеть, что он перетаскивается за угол.
Если в точке B есть единственная капля, то она движется вниз по синей линии до точки C. Если вы посмотрите, как числа расположены на дорожке, вы увидите, что это так.
Таким образом, если есть единственный blob в одном из A или B, мы получаем результат в C и ни одного в D.
Теперь предположим, что есть капля в точке A и одна в точке B. В следующем тактовом цикле капля в точке A движется вперед и сначала достигает 3, потому что она находится в конце T-бара и так близко. Капля в точке B отталкивается от нее и должна двигаться вправо, следуя горизонтальной синей траектории.
Итак, если есть капля в A и B, мы получим вывод в C и один в D.
Небольшая мысль должна убедить вас, что C дает вам A OR B, а D дает A AND D.
Остальные логические вентили аналогичны.
В документе есть гораздо более точный анализ того, что происходит — любые ошибки в этом более прямом объяснении рудника. Он также объясняет дополнительные устройства, такие как триггеры и память. Они также предоставляют набор правил проектирования, которые позволяют вам взять логические вентили и другие функциональные блоки и просто собрать их вместе, как если бы вы разрабатывали стандартную схему на основе ИС.
Если вы хотите попробовать, есть инструменты для проектирования — Lego Digital Designer и EAGLE CAD, которые вы можете использовать для создания собственных демонстрационных схем. Однако есть прогулка, с которой вы начнете, и приглашение загрузить свои дизайны в галерею.
Конечно, речь идет не о создании действительно очень медленного компьютера с использованием капель воды. Это действительно о том, чтобы сделать движение материала таким же логичным, как компьютер. Авторы имеют в виду химическую обработку, анализ и так далее — мезомасштабную обработку материалов.
Только время покажет, какие приложения могут быть для этого подхода, а пока мы можем просто получать удовольствие, наблюдая за ним и разрабатывая новые схемы.