Les métamatériaux mécaniques stockent l'information dans les basculements d'éléments bistables, mais jusqu'ici la lecture reposait sur un examen visuel ou des mesures quasi statiques. Dans les archives voisines se trouvent des travaux sur la mémoire mécanique, le contrôle des ondes et les matériaux intelligents, mais ils se limitent soit à l'écriture, soit utilisent des actions locales. Ce travail comble une lacune : il montre que l'écriture et la lecture peuvent être effectuées uniquement par des impulsions dynamiques aux frontières, sans accès direct à chaque cellule.
Une chaîne unidimensionnelle de N cellules de type « masse dans la masse » a été construite. La masse externe de 33,6 g est reliée à la masse interne de 3,8 g par une ferme bistable de von Mises ; les masses externes adjacentes sont connectées par des ressorts linéaires de raideur 1020 N/m. Pour l'asymétrie de raideur, un aimant permanent est fixé sur un côté de la masse externe, qui n'entre en contact avec la masse interne que dans l'état 1. Cela déplace la fréquence de résonance de la masse interne de 26 Hz (état 0) à 280 Hz (état 1). L'écriture a été réalisée par une impulsion bipolaire unique provenant d'un vibreur basse fréquence, la lecture par une impulsion de Ricker faible avec une fréquence centrale de 30 Hz et une amplitude de 1,8 mm, et la réponse a été enregistrée par un accéléromètre sur la masse externe de la dernière cellule.
Pour la chaîne de trois cellules, les huit configurations se distinguaient par l'évolution temporelle de l'accélération de la masse externe lors de l'impulsion de sondage faible. Le coefficient de corrélation croisée normalisé maximal entre deux ensembles de données indépendants pour des configurations identiques était proche de un, confirmant la fiabilité de la lecture. La méthode a été conservée lors de la variation des masses internes (6,5 g, 3,8 g, 8,5 g) et des barrières d'énergie (0,19 mJ, 1,37 mJ, 0,67 mJ). Dans la chaîne de huit cellules avec un gradient de hauteur des barrières (de 8,3 mm à 12,1 mm le long du poteau), la configuration finale dépendait de manière monotone de l'amplitude de l'impulsion d'entrée : à 2,4 mm, aucune cellule ne basculait ; à 2,9 mm, une ; à 4,1 mm, deux ; et ainsi de suite. Cela a permis d'utiliser la structure comme capteur d'amplitude discret avec une résolution d'environ 3 μm en amplitude. De plus, aux fréquences de 35 Hz, 38,5 Hz et 47,5 Hz, l'énergie cinétique de la dernière cellule variait considérablement lors du basculement des états : augmentation de 180 % et 695 % à 35 Hz, diminution de 29 % et 42 % à 38,5 Hz, variation non monotone de 66 % et 55 % à 47,5 Hz.
Ce travail se distingue des recherches voisines en combinant l'écriture dynamique et la lecture dynamique dans une même architecture, et en le vérifiant expérimentalement sur des chaînes avec des cellules non identiques. Ce n'est pas simplement une autre façon de stocker des bits, mais une démonstration qu'un système mécanique peut être à la fois mémoire, capteur et filtre d'onde accordable. Cette approche ouvre la voie à des dispositifs de calcul entièrement mécaniques sans électronique.
Le principe peut être facilement étendu à un plus grand nombre de cellules pour augmenter la capacité de mémoire, et à des réseaux bidimensionnels ou tridimensionnels pour contrôler la direction des ondes. L'optimisation de la géométrie des cellules pourrait améliorer la vitesse et la fiabilité des basculements. Il serait également intéressant d'étudier des cycles d'écriture-lecture répétés et l'influence de la fatigue des matériaux sur la stabilité à long terme des états.
Les résultats influenceront le développement de robots souples, de dispositifs acoustiques adaptatifs et d'ordinateurs mécaniques, où l'électronique est indésirable ou où un fonctionnement dans des conditions extrêmes est requis.
Les prochaines étapes comprennent le test de chaînes avec des dizaines de cellules, l'étude de réseaux bidimensionnels pour le codage spatial et le développement de protocoles de lecture robustes au bruit en présence de vibrations externes.
Pour les métamatériaux mécaniques, la question de la stabilité à long terme des états bistables sous des charges cycliques et de l'énergie minimale nécessaire pour un basculement fiable reste ouverte. Ce travail ne résout pas ces problèmes, mais fournit une plateforme expérimentale pour leur étude systématique.
La différence de fréquences de résonance entre les états 0 et 1 est de 254 Hz, ce qui est comparable à la différence entre la note grave d'une contrebasse et la note aiguë d'un violon.
L'idée d'une mémoire mécanique sans électronique fait écho aux calculateurs de « Dune » de Frank Herbert, où l'interdiction des machines pensantes a poussé les humains à créer des technologies alternatives de traitement de l'information.