칭화(清華)대학교 우주항공대학 Chen Changqing(陳常青) 교수가 이끄는 연구팀은 전통적 기계적 성능은 물론 프로그래머블 조합 논리 및 순차 논리의 정보처리 능력을 보유한 기계적 메타물질을 설계 및 구현했다. 관련 연구 성과는 “리프로그래머블 논리 기능을 보유한 기계적 메타물질”(A mechanical metamaterial with reprogrammable logical functions)란 제목으로 2021년 12월 13일 “Nature Communications”에 온라인으로 게재됐다(https://doi.org/10.1038/s41467-021-27608-7).

그림1 기계적 메타물질 기반의 논리계산 단위격자 및 시스템 (a)곡선 보 구성에 기반한 기본 논리 단위 NOR 게이트 (b)폰 노이만 리프로그래머블 기계논리 계산시스템

연구팀은 폰 노이만(von Neumann) 컴퓨터의 아이디어와 기계적 메타물질의 단일·이중 안정상태 변형 특성을 결합하여 폰 노이만 구조 하의 기계적 논리계산 시스템을 설계 및 구현했다. 연구팀이 설계한 기본 논리 단위[기계적 메타물질 단위격자(unit cell)]는 단일 안정상태 곡선 보(curved-beam)로 구성됐고 하중 유도 곡선 보 변형 돌연변이를 이용해 2진 논리 정보를 묘사했다. 또한 곡선 보 간의 연결방식 설계를 통해 논리 기능이 완벽한 NOR 게이트(그림1a)를 획득함으로써 시스템의 임의 조합 논리, 순차 논리 기능 수행에 기반을 마련했다.

더 나아가 연구팀은 NOR 게이트 어레이 및 이중 안정상태 곡선 보 단위격자를 각각 채택해 연산장치 및 저장장치를 구현했다. 저장장치 중 이중 안정상태 곡선 보의 상태 분포 제어를 통해 해당 메타물질 시스템은 집행명령에 대한 프로그래밍 및 재프로그래밍 설계를 수행할 수 있다. 이로써 기존 기계적 메타물질이 운행기간에 반복적으로 논리기능을 재프로그래밍 할 수 없던 어려움을 해결했다(그림1b). 이외에 반가산기(half-adder), 휘발성 및 비휘발성 저장장치에 대한 실험을 통해 해당 기계적 메타물질이 임의 조합 논리 및 순차 논리 구현 성능을 보유함을 검증함으로써 리프로그래머블 기능 및 정보 분석 능력을 보유한 차세대 “지능”재료 구축에 새로운 아이디어를 제공했다(그림2).

그림2 두가지 전형적 조합 논리 및 순차 논리 기능 설계 및 검증 (a)조합 논리 기반의 반가산기 (b)순차 논리 기반의 래치(latch) 장치

정보출처 : https://kostec.re.kr/wp-content/uploads/2022/01/latch.bmp

정보출처 : https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/89905.htm