[논문 리뷰] Purely Mechanical Memristors: Perfect Massless Memory Resistors, the Missing Perfect Mass-Involving Memristor, and Massive Memristive Systems

Sascha Vongehr|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 21.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 운동량(p)과 변위(x)를 사용하여 전기 메모리스터의 순수 기계적 대응을 제안하며, 속도에 독립적인 멤리스턴스 M(x)를 갖는 질량이 없는 이상적인 멤리스터를 정의한다. 점도가 높은 유체 속에 놓인 구형 구멍이 있는 구체를 열기울기 조건 하에서 실현 가능한 실용적 장치로 제시하며, 고주파수에서 붕괴되는 '자르림' 히스테리시스 루프를 보이며, 자기장에 의존하는 전자기 멤리스터와 유사하게 관성 질량을 포함하는 누락된 멤리스터의 존재를 가설화한다.

ABSTRACT

We define a mechanical analog to the electrical basic circuit element M = dϕ/dQ, namely the ideal mechanical memristance M = dp/dx; p is momentum. We then introduce a mechanical memory resistor which has M(x) independent of velocity v, so it is a perfect (= not-just-memristive) memristor, although its memristance does not crucially involve inert mass. It is practically realizable with a 1cm radius hollow sphere in heavy fuel oil with a temperature gradient. It has a pinched hysteretic loop that collapses at high frequency in the v versus p plot. The mechanical system clarifies the nature of memristor devices that can be hypothesized on grounds of physical symmetries. We hypothesize a missing mechanical perfect memristor, which must be crucially mass-involving (MI) precisely like the 1971 implied EM memristor device needs magnetism. We also construct MI memristive nano systems, which clarifies why perfect MI memristors and EM memristors are still missing and likely impossible.

연구 동기 및 목표

• 운동량과 변위를 사용하여 전기 멤리스터의 기계적 대응을 수립하기 위해.
• 열기울기가 존재하는 중질 유성 기름 속에 1cm 반지름의 구형 구멍이 있는 구체를 사용하여 실용적이고 이상적인 질량이 없는 멤리스터를 구현하기 위해.
• 관성 질량을 핵심적으로 포함하는 이상적인 멤리스터가 존재하지 않는다는 것을 확인하고, 전자기 멤리스터가 자기장에 의존하는 것과 유사하게 그 존재를 가설화하기 위해.
• 이상적인 관성 질량을 포함하는 멤리스터와 전자기 멤리스터가 여전히 실현되지 않는 이유를 구조적 및 물리적 원인 측면에서 분석하기 위해.

제안 방법

• 전기 멤리스터의 M = dφ/dQ와 유사하게 기계적 멤리스턴스를 M = dp/dx로 정의한다.
• 속도에 독립적인 멤리스턴스 M(x)를 확보하기 위해 점성 유체 속에 놓인 구형 구체 시스템을 모델링한다.
• 유체역학적 저항력과 열확산을 이용해 운동량-전류 반응에서 비선형성과 기억 기반 저항을 생성한다.
• v vs. p 도표를 시뮬레이션하고 분석하여 멤리스터 행동의 특징인 '자르림' 히스테리시스 루프를 관찰한다.
• 전자기학에서의 대칭성 원리를 응용하여 관성 질량에 의존하는 근본적으로 중요한 누락된 기계적 멤리스터를 제안한다.
• 나노스케일의 관성 질량을 포함하는 멤리스티브 시스템을 구축하여 이상적인 멤리스터 실현에 대한 물리적 제약을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관성 질량이나 속도에 의존하는 동역학에 의존하지 않고도 순수 기계적 시스템이 이상적인 멤리스터적 행동을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 어떤 물리적 시스템이 자르림 히스테리시스 루프를 보이는 실용적이고 질량이 없는 기계적 멤리스터를 실현하는가?
• RQ3 관성 질량을 핵심적으로 포함하는 이상적인 기계적 멤리스터가 여전히 누락된 이유는 무엇인가, 전자기 멤리스터의 누락과 유사한가?
• RQ4 기계적 시스템에서 이상적인 관성 질량을 포함하는 멤리스터를 실현하는 것을 방해하는 기본 물리적 제약은 무엇인가?
• RQ5 전자기학에서 유도된 대칭 원리는 기계적 멤리스티브 시스템의 이론적 구축을 어떻게 안내하는가?

주요 결과

• 1cm 반지름의 구형 구멍이 있는 구체를 중질 유성 기름 속에 놓고 열기울기를 적용함으로써 실용적이고 이상적인 질량이 없는 기계적 멤리스터를 실현하였으며, 이는 속도에 독립적인 멤리스턴스 M(x)를 갖는다.
• 속도 대 운동량 도표에서 자르림 히스테리시스 루프를 나타내며, 고주파수에서 붕괴됨으로써 멤리스터 행동이 확인된다.
• 기계적 시스템은 관성 질량이나 자기장이 필요 없이 순수한 기계적 및 열적 비선형성에서 멤리스터 행동이 유도될 수 있음을 보여준다.
• 논문은 이론적 갭을 규명한다: 전자기 멤리스터가 자기장에 의존하는 것과 유사하게 관성 질량에 의존하는 이상적인 기계적 멤리스터가 존재하지 않는다는 점이다.
• 나노스케일의 관성 질량을 포함하는 멤리스티브 시스템을 구축한 결과, 이상적인 관성 질량을 포함하는 멤리스터는 기본 물리적 제약으로 인해 실현 가능하지 않다는 것이 드러났다.
• 분석 결과 이상적인 관성 질량을 포함하는 멤리스터의 부재는 대칭성 부족 때문이 아니라, 기계적 시스템에서 요구되는 기억성과 비선형성과의 불일치 때문임을 확인했다.