摘要gydF4y2Ba
自主工程物质的最新发展已经引入了智能材料处理环境刺激和功能适应的能力gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。为了为这种工程生物材料范式奠定基础，研究人员引入了传感技术gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba和驱动gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba软物质的功能。然而，信息处理是自主工程物质的关键功能元素，最近通过计算可扩展性有限的非常规技术进行了探索gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba。在这里，我们揭示了布尔数学和运动学可重构电路之间的关系，以实现软的、导电的机械材料中的所有组合逻辑运算。通过Quine-McCluskey方法建立了一个最小化组合逻辑正则函数的分析框架，并用于软物质中可重构集成电路交换网络的机械设计。所产生的机械集成电路材料执行更高级别的算术，数字比较，并将二进制数据解码为可视表示。我们举例说明了两种基于规范布尔函数和单个门开关组件的自动化设计方法。我们还通过单片逐层设计方法增加了材料的计算密度。由于这里建立的框架利用数学和运动学进行系统设计，所提出的机械集成电路材料方法可以在任何长度尺度和各种物理中实现。gydF4y2Ba
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参考文献gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
本研究部分由美国空军研究实验室(AFRL)夏季教师奖学金支持，部分由空军科学研究办公室支持，部分由国家科学基金会(NSF)教师早期职业发展奖(编号2054970)支持，部分由宾夕法尼亚州立大学机械工程系资助。gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
作者及隶属关系gydF4y2Ba
贡献gydF4y2Ba
C.E.H.和R.L.H.设计了这项研究。C.E.H.和B.G.进行了这项研究。C.E.H背景。,C.E.T P.R.B. R.L.H.分析数据。C.E.H背景。,C.E.T P.R.B.和R.L.H.写道。gydF4y2Ba
相应的作者gydF4y2Ba
道德声明gydF4y2Ba
相互竞争的利益gydF4y2Ba
作者声明没有利益竞争。gydF4y2Ba
同行评审gydF4y2Ba
同行评审信息gydF4y2Ba
自然gydF4y2Ba感谢Soosang Chae和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。gydF4y2Ba
额外的信息gydF4y2Ba
出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba
扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba
扩展数据图1全加法器数字状态。gydF4y2Ba
(a)全加法器逻辑图及其对应的(b)真值表。(c)设计过程中确定的用于全加法器操作的材料和导电网络的示意图(左)和实验图像(右)。(d)带有二进制输入(A B C)的8种可能配置状态的示意图(左)和实验图像(右)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示为绿色，输出(QgydF4y2BaCoutgydF4y2Ba问gydF4y2Ba总和gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba红色的。每个输出的连接网络以绿色或黄色粗体显示并突出显示。gydF4y2Ba
扩展数据图2单元设计分析。gydF4y2Ba
研究了三种带有缓冲栅导电网络的1位单元单元设计，以调整数字位输入的机械单轴力和剪切力。三种独特设计的原理图如下:(a)设计一，(b)设计二和(c)设计三。该设计展示了独立的双态自接触和可重构的机电网络。接触角设计参数θgydF4y2Ba续gydF4y2Ba可以培养中心形状几何以设计需要剪切主导力和低垂直位移的单元单元，如设计III。本研究中引入的布尔数学框架可应用于各种对广义力环境敏感的n位材料系统。gydF4y2Ba
扩展数据图3 2位加法器数字状态。gydF4y2Ba
(a) 2位加法器逻辑图及其对应的(b)真值表。(c)设计过程中确定的用于2位加法器操作的材料和导电网络的示意图(左)和实验图像(右)。(d)带有二进制输入(A)的16种可能配置状态的示意图(左)和实验图像(右)gydF4y2Ba1gydF4y2BaBgydF4y2Ba1gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba2gydF4y2BaBgydF4y2Ba2gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示为绿色，输出(QgydF4y2BaCoutgydF4y2Ba问gydF4y2BaS2gydF4y2Ba问gydF4y2BaS1gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba红色的。每个输出的连接网络以绿色或黄色粗体显示并突出显示。gydF4y2Ba
扩展数据图4 2位减法数字状态。gydF4y2Ba
(a) 2位减法器逻辑图及其对应的(b)真值表。(c)设计过程中确定的用于2位减速器操作的材料和导电网络的示意图(左)和实验图像(右)。(d)带有二进制输入(A)的16种可能配置状态的示意图(左)和实验图像(右)gydF4y2Ba1gydF4y2BaBgydF4y2Ba1gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba2gydF4y2BaBgydF4y2Ba2gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示为绿色，输出(QgydF4y2Ba布特gydF4y2Ba问gydF4y2BaD2gydF4y2Ba问gydF4y2BaD1gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba红色的。每个输出的连接网络以绿色或黄色粗体显示并突出显示。gydF4y2Ba
扩展数据图5 2位乘数数字状态。gydF4y2Ba
(a) 2位乘法器逻辑图及其对应的(b)真值表。(c)设计过程中确定的用于2位倍增器操作的材料和导电网络的示意图(左)和实验图像(右)。(d)带有二进制输入(A)的16种可能配置状态的示意图(左)和实验图像(右)gydF4y2Ba1gydF4y2BaBgydF4y2Ba1gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba2gydF4y2BaBgydF4y2Ba2gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示为绿色，输出(QgydF4y2BaP4gydF4y2Ba问gydF4y2BaP3gydF4y2Ba问gydF4y2BaP2gydF4y2Ba问gydF4y2BaP1gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba红色的。每个输出的连接网络以绿色或黄色粗体显示并突出显示。gydF4y2Ba
图6 n位加法器可扩展性分析。gydF4y2Ba
我们利用自动化设计工具来设计1- 6位加法器，以了解在加法器操作中增加n位的材料可扩展性。两幅图说明了n位加法器操作中的比特数与标准积和(SSoP)和奎因-麦克卢斯基积和(QMSoP)设计方法中(a)开关和(b)材料单元格的数量之间的关系。上面的图表描绘了一个日志gydF4y2Ba10gydF4y2Ba标尺和底部的图说明了开关和单元单元数量的线性标尺。QMSoP在2位加法器中减少了31%的材料尺寸，在6位加法器中减少了92%。gydF4y2Ba
图7材料设计方法的比较。gydF4y2Ba
本研究探索了三种能够在软材料基板上进行组合逻辑网络编程的方法。利用(a)标准积和(SSoP)， (b)奎因-麦克卢斯基积和(QMSoP)和(c)代换法(SM)的2位加法器的材料和导电网络示意图。与SSoP相比，QMSoP的2位加法器显著减少了开关和单元单元的数量，分别为32和44。SM进一步将2位加法器减少到24个开关和36个单元单元。gydF4y2Ba
扩展数据图8多层集成电路材料。gydF4y2Ba
采用五层材料系统实现86门组合逻辑运算。(a)单层4位机械平台示意图。(b)说明套管中不同尺寸的五层材料系统的实验图像。选择五层来分配15个总数字输出。从设计过程中确定的层(c) 1、(d) 2、(e) 3、(f) 4和(g) 5的材料和导电网络的示意图(左)和实验图像(右)。每一层只有12个导电柱宽，这允许更直接的数字驱动基于此处所选的聚氨酯橡胶材料。实验中采用16层色谱柱。外2列在每一端添加无导电痕迹，以改善边界单元单元的自接触。gydF4y2Ba
扩展数据图9计算密集的机械集成电路材料的嵌入层。gydF4y2Ba
(a) 2位加法器的原理图，该加法器具有三个堆叠层，其中包含QgydF4y2BaS2gydF4y2Ba,问gydF4y2BaCoutgydF4y2Ba，和QgydF4y2BaS1gydF4y2Ba分别在图层1、2和3上。所有层都由相同的Vcc终端供电(青色)。(b)用铸造聚氨酯橡胶基材和Ag-TPU网络制成的三层实验图像。(c)商用双挤压打印机通过逐层制造方法同时打印2位加法器的基片和导电网络的图像。使用(d)铸造和(e)增材制造技术制造的2位加器的照片。(f)实验结果显示铸造(上)和添加剂制造(下)样品的三种数字输入和输出组合。gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
此补充信息文件包含补充图1-4和其他参考文献的两个部分。第1节:网络拓扑公式的代入法;第二部分:设计策略教程:奎因-麦克卢斯基产品和(QMSoP)。gydF4y2Ba
补充视频1gydF4y2Ba
本视频演示了如图4所示的86门组合逻辑运算。这个操作包含四个数字输入，gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2BaBgydF4y2Ba1gydF4y2Ba而且gydF4y2BaBgydF4y2Ba2gydF4y2Ba。2位数字gydF4y2BaBgydF4y2Ba（gydF4y2BaBgydF4y2Ba2gydF4y2BaBgydF4y2Ba1gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba同时与2位数相加和相乘gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba2gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。二进制输出解码为两个七段数字显示gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba而且gydF4y2BaggydF4y2Ba独立的部分。此外，通过4位幅度比较器操作比较加法和乘法结果的幅度。这样的操作将产生三个输出，cmgydF4y2Ba1gydF4y2Ba(<)厘米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(>)和cmgydF4y2Ba3.gydF4y2Ba(=)。因此，只要二进制信号输出为1，相应的段或比较器符号就会被照亮。与总和和乘积对应的显示数字分别以红色和蓝色显示。这些数字是通过单轴压缩和剪切的组合用手机械输入的。材料外壳保证了五层均匀倒塌，并表现出相同的倒塌模式。在相应的计算之间，材料部分未压缩，或完全未压缩。视频中只说明了4种状态，但存在16种功能配置，对应于可以执行和比较的16种可能的算术运算。gydF4y2Ba
权利和权限gydF4y2Ba
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引用本文gydF4y2Ba
埃尔·海卢，C.，格罗斯曼，B.，塔博尔，C.gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba机械集成电路材料。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba608gydF4y2Ba， 699-703(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05004-5gydF4y2Ba
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