Komputer mekanis yang bekerja dengan kubus kirigami, bukan perangkat elektronik

• Tim peneliti NC State mengembangkan komputer mekanis berbasis kirigami yang dapat menyimpan, mengambil, dan menghapus data hanya dengan kubus polimer yang saling terhubung, tanpa komponen elektronik
• Unit dasarnya adalah unit fungsional yang terdiri dari 64 kubus plastik berukuran 1 cm; dengan mendorong kubus ke atas atau ke bawah, keadaan seperti 1 dan 0 serta struktur geometris keseluruhan dapat diubah
• Pengeditan data dimungkinkan saat pita elastis diregangkan dengan menarik tepi metastruktur, dan saat dilepas pita menyusut sehingga kubus dan data terkunci
• Bahkan metastruktur sederhana dengan 9 unit fungsional dapat menghasilkan lebih dari 362.000 konfigurasi hanya dengan metode biner, dan juga didemonstrasikan konfigurasi multi-keadaan dengan kubus yang dapat ditumpuk hingga tinggi 5
• Struktur ini berpotensi diperluas ke enkripsi-dekripsi mekanis, sistem haptik yang menampilkan informasi tiga dimensi, dan skema pengodean yang melampaui biner

---

Memori mekanis tanpa komponen elektronik

• Tim peneliti NC State mengembangkan komputer mekanis terinspirasi kirigami yang dapat menyimpan, mengambil, dan menghapus data tanpa bergantung pada komponen elektronik
• Sistem ini menggunakan struktur kompleks dari kubus polimer yang kaku dan saling terhubung
• Pengguna dapat beralih antara keadaan yang memungkinkan pengeditan data dan keadaan yang mengunci data di tempatnya
• Komputer mekanis bekerja dengan komponen mekanis alih-alih komponen elektronik, dan secara historis menggunakan bagian seperti tuas atau roda gigi
• Sistem ini memanfaatkan struktur multistabil yang dapat memiliki dua atau lebih keadaan stabil

Cara kubus kirigami mengubah keadaan

• Unit dasarnya adalah kubus plastik berukuran 1 cm, dan 64 kubus yang terhubung membentuk satu unit fungsional
• Desain unit fungsional berawal dari kirigami, seni memotong dan melipat kertas, lalu menerapkan prinsip itu pada material tiga dimensi yang terpotong berupa kubus-kubus terhubung
• Jika satu kubus didorong ke atas atau ke bawah, struktur geometris atau arsitektur semua kubus yang terhubung ikut berubah
  • Kubus dapat langsung didorong naik atau turun secara fisik
  • Pelat magnetik juga dapat dipasang di atas unit fungsional dan digerakkan dari jarak jauh dengan menerapkan medan magnet
• Jika unit fungsional 64 kubus digabungkan menjadi metastruktur yang lebih kompleks, sistem dapat menyimpan lebih banyak data atau melakukan komputasi yang lebih rumit

Mekanisme tulis, kunci, dan hapus

• Kubus-kubus dihubungkan dengan pita elastis yang tipis
• Untuk mengedit data, konfigurasi unit fungsional harus diubah, dan pengguna menarik tepi metastruktur untuk meregangkan pita elastis
• Saat pita diregangkan, kubus dapat didorong ke atas dan ke bawah
• Saat metastruktur dilepaskan, pita menyusut sehingga kubus dan data terkunci
• Video komputer mekanis dapat dilihat di https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM

Representasi informasi yang melampaui biner

• Pekerjaan pembuktian konsep berfokus pada komputasi biner, dengan keadaan kubus naik atau turun dipandang sebagai 1 atau 0
• Komputasi yang lebih kompleks juga dimungkinkan jika data direpresentasikan dengan seberapa tinggi kubus terangkat
• Dalam sistem pembuktian konsep, kubus dapat memiliki 5 atau lebih keadaan
  • Secara teori, satu kubus dapat menyampaikan bukan hanya 1 atau 0, tetapi juga 2, 3, dan 4
• Setiap unit fungsional 64 kubus dapat dibentuk dalam beragam arsitektur dengan kubus yang ditumpuk hingga tinggi 5
• Namun, kode yang memanfaatkan arsitektur ini belum dikembangkan, dan tim peneliti tertarik pada kolaborasi untuk mengeksplorasi potensi pengodean metastruktur

Potensi perluasan ke enkripsi dan sistem haptik

• Salah satu aplikasi potensialnya adalah enkripsi-dekripsi mekanis tiga dimensi
  • Konfigurasi unit fungsional tertentu dapat berfungsi seperti kata sandi 3D
• Bahkan dalam kerangka biner ketika kubus hanya memiliki keadaan atas atau bawah, metastruktur sederhana yang terdiri dari 9 unit fungsional memiliki lebih dari 362.000 kemungkinan konfigurasi
• Metastruktur ini juga dapat digunakan dalam sistem haptik yang menampilkan informasi dalam konteks tiga dimensi, bukan sebagai piksel layar
• Makalah “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” diterbitkan di jurnal akses terbuka Science Advances
• Platform ini dapat berfungsi sebagai unit biner atau voxel pop-up untuk penulisan, penghapusan, pembacaan, enkripsi, dan komputasi logika mekanis, serta memungkinkan stabilisasi informasi yang tahan terhadap gangguan mekanis dan magnetik eksternal saat keadaan pra-tegang dilepaskan

[GN⁺]

Komentar di Hacker News

• Apakah mereka benar-benar membuat setidaknya satu gerbang logika yang berfungsi? Di video, yang terlihat hanya bit dibalik maju-mundur lewat manipulasi langsung
  Sunting: setelah melihat makalahnya, sepertinya benar. “Terakhir, kami mengeksplorasi metastructur ini sebagai gerbang logika mekanis sederhana. Gambar 8(C, D) menunjukkan bahwa operasi gerbang logika ‘OR’ dan ‘AND’ telah diimplementasikan dengan memanfaatkan bistabilitas independen dari elemen lokal”

  • Ada di makalah lengkapnya. Bukan open source, dan sepertinya belum masuk arXiv juga
    Di bagian “Mechanical logic gates” dijelaskan bahwa mereka mengimplementasikan gerbang OR/AND. Untuk membaca output, sebuah pelat datar dengan tinggi yang dapat disesuaikan menutupi area kecil di atas platform; jika pelat itu terangkat secara horizontal dibaca sebagai “1”, dan jika miring atau turun dibaca sebagai “0”
    Pada OR, setelah P1 dinaikkan dan dikunci, jika S1 atau S2 naik maka terbentuk pelat horizontal yang stabil dan menjadi “1”. Pada AND, hanya saat P1=P2=P3=1 pelat akan naik stabil melalui kontak tiga titik dan menjadi “1”. Dibandingkan metastructur logika mekanis yang sebelumnya umumnya terbatas pada 1D/2D, desain ini diperluas menjadi struktur 3D, dan mereka mengatakan NOR/NAND juga dapat diimplementasikan dengan mengubah elemen strukturnya
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
  • Setahu saya, sebagai dasar untuk membuat semua rangkaian, yang dibutuhkan adalah gerbang NAND. Jadi jika ditambahkan inverter saja, potensinya bisa mendekati Turing-complete

• “Pekerjaan proof of concept ini berfokus pada fungsi komputasi biner, yaitu kubus didorong ke atas atau ke bawah. Namun kami melihat kemungkinan komputasi yang lebih kompleks dengan menyampaikan data berdasarkan seberapa tinggi kubus tertentu terdorong. Kami menunjukkan bahwa di dalam sistem ini, kubus dapat memiliki lima status atau lebih. Secara teori, ini berarti satu kubus dapat menyampaikan bukan hanya 1 atau 0, tetapi juga 2, 3, dan 4.”
  Apakah ini mencoba berada di antara komputasi analog dan komputasi digital? Dari penjelasannya saja, kedengarannya seperti sistem komputer analog terbatas

  • Digital tidak otomatis berarti biner. Sistem digital cukup memiliki jumlah level yang tetap, berbeda dari sistem analog yang memakai nilai kontinu. Sistem biner yang memakai 1 dan 0 hanyalah salah satu contohnya
    Di sistem digital modern pun ada banyak pendekatan non-biner. Misalnya SSD QLC berbasis NAND flash menyimpan 16 level dalam satu sel untuk mengodekan setara 4 bit. Selain itu, 64-QAM adalah metode modulasi yang dipakai di 802.11n Wi-Fi atau TV digital terestrial, dengan dua gelombang sinus berbeda fase yang masing-masing dapat memiliki hingga 8 level amplitudo
    Komputer elektronik juga tidak selalu biner. Salah satu komputer awal Soviet melakukan komputasi intinya menggunakan ternary, bukan dua angka yang lebih kita kenal
  • Di antara perangkat penyimpanan digital yang sudah ada pun, ada yang memakai multi-level melampaui 0 dan 1 demi meningkatkan densitas. Misalnya koprosesor floating-point 8087 menyimpan microcode di ROM 4-level yang menyimpan 2 bit per transistor, karena ROM biasa terlalu besar untuk die
    Memori flash juga menggunakan sel multi-level yang dapat menampung hingga 4 bit per sel

• “Komputer mekanis adalah komputer yang beroperasi dengan komponen mekanis, bukan komponen elektronik.”
  Bagi orang-orang yang antusias dengan komputer mekanis, patut diingat bahwa elektron sekitar seribu kali lebih ringan daripada nukleon. Jadi komputer mekanis pada dasarnya harus menggerakkan atom agar bisa bekerja, sehingga kemungkinan besar selalu memakai lebih banyak energi daripada komputer elektronik

  • Jika logika itu didorong sampai ujungnya, komputasi fotonik seharusnya jauh lebih efisien daripada komputasi elektronik. Suatu saat mungkin begitu
    Apakah itu tujuan akhirnya? Secara teori, adakah sesuatu yang bisa lebih mendekati batas Landauer daripada komputasi fotonik? Ini bukan bidang keahlian saya, tetapi sepertinya pertanyaan yang bagus untuk diajukan di sini
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
  • Kalaupun tidak lebih efisien, mungkin lebih tahan terhadap badai elektromagnetik dan kurang rentan terhadap overheat. Bisa jadi ini lebih untuk menyesuaikan diri dengan lingkungan yang sangat terbatas
  • Bukankah itu tergantung pada proporsi energi yang dipakai untuk komputasi dibanding energi untuk mengambil dan menyimpan bit terkait? Jika kebutuhannya adalah komputasi yang sangat lambat dan penyimpanan jangka sangat panjang, komputasi mekanis bisa saja secara teori lebih menguntungkan
    Namun kalau melihat GA144 dari Chuck Moore, bahkan dalam situasi ekstrem seperti itu masih ada cukup banyak ruang untuk mengoptimalkan komputasi berbasis elektronik
    [0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
  • Memang benar, tetapi biasanya juga harus dilihat berapa banyak elektron yang digerakkan oleh satu sinyal

• Kalau saya jadi miliarder, saya ingin membuat satu ruangan besar di rumah khusus untuk komputer pra-listrik. Menakjubkan betapa banyak hal menjadi nyaris sepele setelah transistor menjadi umum, dan benda seperti The Writer Automaton selalu terasa luar biasa memikat

  • Jika punya banyak uang, saya rela memberikannya untuk itu. Sebagai gantinya, saya ingin mereka membuat ruangan seperti ini, lalu membiarkan saya bermain sampai saya bisa menyentuh semua komputer dan memahami cara kerjanya
    Saya mengambil jurusan teknik mesin dan sekarang bekerja di bidang lain, tetapi terlepas dari memahami pentingnya secara sosial, saya selalu terpesona oleh cara memanipulasi prinsip mekanis untuk mencapai suatu tujuan

• Ini bisa dipakai untuk apa? Lingkungan radiasi tinggi atau lingkungan ekstrem lainnya?

  • Di Venus, atmosfernya mengorosi perangkat elektronik dengan sangat cepat sampai tidak bisa diandalkan. Karena itu, Venus adalah lingkungan yang sangat sulit bagi wahana antariksa
    Dengan solusi mekanis, konduktivitas listrik mungkin tidak lagi menjadi syarat wajib, sehingga komponen berpotensi bertahan lebih lama
  • Pendekatan serupa sepertinya bisa berguna untuk sistem mikroelektromekanis
    https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS

• Apakah pernah ada kasus ketika masyarakat di-bootstrapping ulang dari “komputasi mekanis” hingga chip yang kembali berfungsi? Jika semua komputasi rusak akibat peristiwa elektromagnetik berskala planet, bagaimana kita memulihkan pabrik seperti TSMC agar beroperasi normal lagi? Bagaimana menjaga produksi pangan?
  Bisakah kita pulih dari kondisi nol hanya dengan komputer mekanis seperti ini dan instruksi dasar?

  • Saya tidak yakin masyarakat bisa pulih setelah runtuh. Sumber daya yang mudah diperoleh sudah ditambang, dan sumber daya yang tersisa sedang ditambang serta dimurnikan dengan teknologi yang sangat maju.
    Banyak hal memang bisa didaur ulang, tetapi ada batasnya. Selain itu, sebagian besar pengetahuan tersimpan secara digital, dan banyak di antaranya dalam format proprietari. Jika kita tidak bisa memulihkannya entah bagaimana sebelum keahlian yang ada menghilang, mungkin pengetahuan itu tidak akan kembali untuk waktu yang sangat lama, atau bahkan selamanya.
  • Saya tidak tahu apa maksudnya “pernah mencoba masyarakat”. Kalau simulasi atau eksperimen pikiran, tentu ada banyak, dengan tingkat ketelitian yang beragam. Kalau yang dimaksud eksperimen sungguhan, mungkin tidak.
    Bagaimanapun, menurut saya eksperimen “ayo membuat masyarakat” pada dasarnya mustahil. Bahkan jika dilakukan dengan sangat serius, strategi yang nilai harapannya positif tetapi probabilitas gagalnya sangat tinggi hingga sulit diterima akan menjadi lebih menarik. Karena kita tahu kalaupun gagal sungguhan kita bisa kembali ke dunia nyata dan pergi ke rumah sakit, kita mungkin bersedia menanggung risiko seperti peluang 5% meninggal karena infeksi. Sekali percobaan, 95% kemungkinan berjalan baik, tetapi jika melempar dadu selama beberapa generasi, kegagalan fatal akan muncul.
  • Babbage masuk ke lubang kelinci yang salah. Dengan teknologi era 1860-an saja, komputer otomatis yang dapat diprogram sudah bisa dibuat.
    Jika bisa membuat atau mengambil kembali kawat, dan bisa membuat komponen lembaran logam sederhana seperti kuningan, maka elektromagnet bisa dibuat. Jika bisa membuat elektromagnet, relai bisa dibuat, dan itu sudah cukup. Streaming multimedia mungkin tidak bisa, tetapi kontrol otomatis dan komunikasi jarak jauh bisa.
  • Skenario “semua komputasi rusak akibat peristiwa elektromagnetik berskala planet” itu mustahil. Di suatu tempat pasti selalu ada komputer yang masih berfungsi. Entah karena terlindung, berada di luar jangkauan bencana, atau sekadar beruntung.
    Namun, belum tentu itu barang yang mudah diakses, dan jika yang ditemukan hanya platform eksekusi tepercaya seperti iPhone, situasinya bisa cukup buntu.
  • Saya teringat CollapseOS [1]. Memang ini lebih dekat ke bootstrap chip sederhana untuk pengendalian daya ketimbang reboot masyarakat, tetapi bisa dibilang keduanya berjalan bersama.
    [1] http://collapseos.org/

• Mungkin ini pertanyaan bodoh, tetapi apakah komputer seperti ini cocok untuk lingkungan ekstrem seperti rover penjelajah Venus?

  • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Automaton_Rover_for_Extreme_... NASA pernah punya studi desain yang meninjau pertanyaan itu terkait komputer mekanis.
    Saya cukup menyukai gagasan mengirim data kembali dengan retroreflektor berputar yang dibaca menggunakan laser dari orbit.

• Ini tautan makalahnya. Sayang bukan open source.
  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476

• Sedikit mengingatkan pada QAM

• Rasanya seperti The Diamond Age karya Neal Stephenson menjadi kenyataan