Aux États-Unis, un physicien a mis au point une sorte d’ordinateur fait de simples barres et ressorts, capable de stocker des souvenirs mécaniques.
Ce dispositif inédit, présenté par le site d’actualité scientifique StudyFinds à partir d’un article publié dans la revue Nature Communications, ne repose sur aucun composant électronique. Entièrement mécanique, il compte, mémorise des états et effectue de petits calculs grâce à des barres qui basculent comme des interrupteurs, uniquement sous l’action de forces physiques.
Un « ordinateur » de barres et de ressorts, sans puce ni batterie
L’expérience a été menée par le physicien Joseph D. Paulsen, affilié au St. Olaf College dans le Minnesota et à l’université de Syracuse, aux États-Unis. Son objectif : transformer un modèle théorique utilisé depuis longtemps pour comprendre certains matériaux désordonnés en un dispositif concret, reconfigurable et observable en laboratoire.
Sur la table d’expériences, le système paraît rudimentaire : quelques barres rigides montées sur pivot, des ressorts du commerce, un axe métallique pouvant coulisser sur des roulements. Aucun fil, aucune batterie, aucun microprocesseur. Pourtant, l’ensemble parvient à :
- mémoriser des états, comme un verrou mécanique à deux positions ;
- compter un nombre limité de cycles d’activation ;
- distinguer si ce nombre de cycles est pair ou impair.
Ce dispositif mécanique réalise des opérations de type numérique — mémoire, comptage, sélection d’issue — uniquement grâce à la géométrie des barres et à la tension des ressorts.
Les résultats du travail de Joseph D. Paulsen ouvrent la voie à des matériaux capables de « sentir » leur environnement et d’y répondre de manière précise, sans puce électronique embarquée.
Le cœur du système : des « hystérons » qui se souviennent de leur passé
La brique de base de cet « ordinateur mécanique » est ce que les physiciens appellent un hystéron. Il s’agit de l’unité minimale d’un phénomène plus vaste, l’hystérèse. Un système soumis à l’hystérèse ne répond pas seulement à ce qui lui arrive à l’instant, mais aussi à ce qu’il a subi auparavant. Une feuille de papier déjà froissée ne se comporte pas comme une feuille neuve ; un trombone trop plié ne revient jamais complètement à sa forme initiale.
Dans l’expérience décrite par StudyFinds, chaque hystéron est une barre rigide montée sur un pivot central. Elle peut tourner, mais seulement entre deux butées mécaniques, comme une bascule bloquée à deux angles possibles. Un ressort relie cette barre à une tige métallique horizontale, la « commande globale », qui coulisse librement.
Lorsque la tige est poussée suffisamment loin, le ressort entraîne la barre au-delà d’un point de basculement. Celle-ci « claque » alors vers sa seconde position stable et y reste, même lorsque la tige revient en arrière. La barre n’a donc pas qu’un simple mouvement : elle conserve l’empreinte du trajet qui l’a amenée dans l’une ou l’autre de ses deux positions.
Chaque hystéron agit comme un bit mécanique : deux états stables, un basculement irréversible au-delà d’un seuil, et une mémoire de l’état dans lequel il se trouve.
Cette capacité à garder la trace du passé rend possible le stockage d’information sans aucune électronique, uniquement par la forme des pièces et la position des ressorts.
Comment une poignée de barres finit par compter jusqu’à trois
Coopération, frustration et réglage fin des interactions
Le dispositif devient vraiment intéressant lorsque plusieurs hystérons sont couplés entre eux par des ressorts supplémentaires. Joseph D. Paulsen montre que la nature de ces interactions dépend du chemin emprunté par ces ressorts :
- si les ressorts de couplage sont parallèles, les barres ont tendance à se placer du même côté, dans un comportement coopératif ;
- si les ressorts se croisent, les barres sont poussées vers des positions opposées, dans un état dit « frustré ».
En déplaçant le point d’attache des ressorts le long des barres, le physicien ajuste finement la force d’influence entre hystérons voisins. Grâce à une cartographie mathématique détaillée, il montre que l’action d’une barre sur une autre peut être traitée comme une contribution indépendante, les forces s’additionnant simplement.
Autre aspect marquant : ces interactions ne sont pas nécessairement réciproques. L’influence de la barre A sur la barre B n’est pas tenue d’être la même que celle de B sur A. Cette asymétrie découle de la géométrie, notamment de l’angle accessible à chaque barre, et se révèle indispensable pour générer les comportements les plus subtils observés dans le dispositif.
Verrou mécanique, compteur et détecteur de nombres pairs ou impairs
À partir de cette base théorique, l’équipe de St. Olaf College et de l’université de Syracuse cible trois fonctions concrètes :
En façonnant la géométrie des ressorts et des butées, le dispositif passe d’une simple mémoire à un compteur puis à un détecteur de parité, sans changer de composants.
Pour obtenir ce comportement à période 2 avec quatre hystérons, Joseph D. Paulsen n’a pas appliqué un algorithme automatique. Il a ajusté manuellement la position des ressorts et les angles d’arrêt, étape par étape, dans ce qu’il décrit comme une forme d’apprentissage par tâtonnements.
Vers des matériaux qui réagissent sans électronique
Selon StudyFinds, d’autres équipes ont déjà créé des systèmes mécaniques capables de compter ou de coder de l’information. Mais ils reposent en général sur des architectures sur mesure, conçues pour une seule tâche.
Ici, la différence tient à la généralité de la plateforme. Avec les mêmes pièces — barres, ressorts, tige coulissante —, l’expérimentateur passe d’un verrou mémoire à un compteur ou à un détecteur de nombres pairs/impairs uniquement en déplaçant les points d’attache des ressorts et les butées. Aucun nouvel élément n’est nécessaire.
À terme, ce type de système pourrait inspirer des matériaux dits « intelligents », capables de :
- changer durablement de forme après un certain nombre de sollicitations mécaniques ;
- modifier leur rigidité en fonction de leur « historique » de déformation ;
- réagir automatiquement à des vibrations répétées, sans capteur électronique ni alimentation.
Pour l’instant, plusieurs limites demeurent. L’article scientifique souligne notamment :
- la nécessité de vérifier si certains types d’interactions asymétriques peuvent être généralisés à toutes les configurations possibles ;
- le fait que la mise au point du comportement à période 2 repose sur un réglage manuel plutôt que sur une procédure systématique ;
- la dépendance à des approximations géométriques qui deviennent moins fiables pour de grands angles, même si le modèle exact reste valide.
Les financements mentionnés proviennent de St. Olaf College, de l’université de Syracuse et du centre de physique d’Aspen, aux États-Unis.
Ce que cela évoque pour la France : de la mécanique aux « matériaux programmables »
En France, la recherche sur les matériaux mécaniquement « intelligents » et les systèmes sans électronique existe aussi, même si elle prend des formes diverses. Des laboratoires de physique et de mécanique travaillent par exemple sur :
- des métamatériaux qui absorbent ou guident les ondes (acoustiques, vibratoires) grâce à leur architecture interne ;
- des structures inspirées de l’origami, capables de déployer ou rigidifier une pièce par simple pliage ;
- des matériaux architecturés dont la réponse mécanique dépend du chemin de chargement.
La logique mise en avant par Joseph D. Paulsen — programmer un comportement uniquement par la géométrie et la disposition de quelques éléments simples — rejoint ces approches. Elle pourrait s’appliquer, par exemple, à des pièces de sécurité n’ayant pas le droit de tomber en panne à cause d’une coupure d’alimentation, comme certains dispositifs anti-choc ou des systèmes de protection en milieu isolé.
En France, les organismes comme le Centre national de la recherche scientifique ou les grandes écoles d’ingénieurs hébergent de tels travaux sur les matériaux architecturés. Le principe reste le même : obtenir une réponse contrôlée, parfois logique, parfois « mémoire », en jouant sur la forme et l’assemblage, plutôt que sur des puces ou des logiciels.
Un pas vers des ordinateurs purement physiques ?
Ce type d’ordinateur mécanique reste très éloigné des performances d’un ordinateur classique. Il compte jusqu’à trois cycles, distingue pair et impair sur un petit nombre de sollicitations, mais ne traite pas de données complexes. Son intérêt réside ailleurs : il offre une preuve concrète que des circuits logiques simples peuvent émerger de la mécanique seule, sans électronique.
Pour un lecteur français, cette étude montre une piste de recherche où l’on confie une partie du travail « d’ordinateur » à la matière elle-même. Un jour, des matériaux pourraient changer de configuration en fonction de l’historique des efforts subis, puis garder ce « souvenir » sans consommer d’énergie, un peu comme un compteur mécanique scellé dans la structure.
| Fonction | Nombre de barres | Rôle principal |
|---|---|---|
| Verrou mémoire | 2 | Stocker un état jusqu’à une sollicitation forte |
| Compteur | 6 | Compter jusqu’à trois cycles de commande |
| Détecteur pair/impair | 4 | Distinguer un nombre pair d’un nombre impair de cycles |
Un terme technique central de l’étude, l’hystérèse, se rencontre aussi dans des domaines familiers. Par exemple, certains thermostats fonctionnent avec une petite zone d’hystérèse : le chauffage ne s’allume pas et ne s’éteint pas exactement à la même température afin d’éviter les allers-retours incessants. Dans l’expérience menée aux États-Unis, ce même principe de « mémoire de l’état précédent » est encapsulé dans chaque hystéron mécanique.
À mesure que ces concepts progressent, des algorithmes d’apprentissage pourraient un jour assister les chercheurs pour configurer automatiquement les ressorts et les butées, comme on forme aujourd’hui un réseau de neurones. L’enjeu serait alors de définir une tâche — compter jusqu’à un certain nombre, filtrer certains signaux mécaniques — et de laisser un procédé d’optimisation ajuster la géométrie pour y parvenir, sans écrire une ligne de code embarqué dans le matériau lui-même.
