Программируемая материя - Programmable matter

Программируемая материя - это материя, которая может изменять свои физические свойства (форму, плотность, модули , проводимость, оптические свойства и т. Д.) Программируемым образом на основе ввода данных пользователем или автономного зондирования. Таким образом, программируемая материя связана с концепцией материала, который по своей природе обладает способностью выполнять обработку информации.

История

Программируемая материя - это термин, первоначально введенный в 1991 году Тоффоли и Марголусом для обозначения ансамбля мелкозернистых вычислительных элементов, расположенных в пространстве. В их статье описывается вычислительная подложка , состоящая из мелкозернистых вычислительных узлов, распределенных по всему пространству, которые обмениваются данными, используя только взаимодействия ближайших соседей. В этом контексте программируемая материя относится к вычислительным моделям, подобным клеточным автоматам и автоматам на решетке газа . Архитектура CAM-8 является примером аппаратной реализации этой модели. Эта функция также известна как «области с цифровыми ссылками» (DRA) в некоторых формах самовоспроизводящейся машинной науки.

В начале 1990-х был проведен значительный объем работ в области реконфигурируемой модульной робототехники с философией, аналогичной программируемой материи.

По мере развития полупроводниковой технологии, нанотехнологии и технологии самовоспроизводящихся машин использование термина «программируемая материя» изменилось, чтобы отразить тот факт, что можно создать ансамбль элементов, которые можно «запрограммировать» на изменение их физических свойств в в реальности, а не только в симуляции . Таким образом, программируемая материя стала означать «любое объемное вещество, которое можно запрограммировать на изменение своих физических свойств».

Летом 1998 года, обсуждая искусственные атомы и программируемую материю, Уил Маккарти и Дж. Снайдер ввели термин «квантовый колодец» (или просто «колодец») для описания этой гипотетической, но правдоподобной формы программируемой материи. Маккарти использовал этот термин в своей художественной литературе.

В 2002 году Сет Голдштейн и Тодд Моури начали проект « Клейтроника » в Университете Карнеги-Меллона, чтобы исследовать лежащие в основе аппаратные и программные механизмы, необходимые для реализации программируемой материи.

В 2004 году группа DARPA по информационным наукам и технологиям (ISAT) изучила потенциал программируемых материалов. Это привело к исследованию 2005–2006 годов «Реализация программируемой материи», в котором изложена многолетняя программа исследований и разработок программируемой материи.

В 2007 году программируемый объект был предметом запроса на исследование DARPA и последующей программы.

Подходы

«Простая» программируемая материя, в которой программируемый элемент является внешним по отношению к самому материалу. Намагниченная неньютоновская жидкость, образующая опорные колонны, стойкие к ударам и внезапному давлению.

Согласно одной из школ, программирование могло быть внешним по отношению к материалу и могло быть достигнуто «применением света, напряжения, электрических или магнитных полей и т. Д.». ( Маккарти, 2006 ). Например, жидкокристаллический дисплей - это разновидность программируемой материи. Вторая школа мысли заключается в том, что отдельные единицы ансамбля могут вычислять, и результатом их вычислений является изменение физических свойств ансамбля. Примером этой более амбициозной формы программируемой материи является клейтроника .

Есть много предлагаемых реализаций программируемой материи. Масштаб - одно из ключевых различий между различными формами программируемой материи. На одном конце спектра реконфигурируемая модульная робототехника преследует форму программируемой материи, в которой отдельные единицы находятся в сантиметровом диапазоне размеров. На наноразмерном конце спектра существует огромное количество различных основ для программируемой материи, от молекул, изменяющих форму, до квантовых точек . Квантовые точки на самом деле часто называют искусственными атомами. Примеры микрометрового и субмиллиметрового диапазонов включают устройства на основе МЭМС , клетки, созданные с использованием синтетической биологии , и концепцию служебного тумана .

Важной подгруппой программируемой материи являются роботизированные материалы , которые сочетают в себе структурные аспекты композита с возможностями, обеспечиваемыми тесной интеграцией датчиков, исполнительных механизмов, вычислений и коммуникаций, без изменения конфигурации путем движения частиц.

Примеры

Существует множество концепций программируемой материи и, следовательно, множество отдельных направлений исследований, использующих это название. Ниже приведены некоторые конкретные примеры программируемых устройств.

"Простой"

К ним относятся материалы, которые могут изменять свои свойства в зависимости от ввода, но не имеют возможности самостоятельно выполнять сложные вычисления.

Сложные жидкости

Физические свойства нескольких сложных жидкостей могут быть изменены путем приложения тока или напряжения, как в случае с жидкими кристаллами .

Метаматериалы

Метаматериалы - это искусственные композиты, которые можно контролировать, чтобы они реагировали способами, не встречающимися в природе. Один из примеров, разработанный Дэвидом Смитом, а затем Джоном Пендри и Дэвидом Шури, касается материала, у которого может быть настроен показатель преломления так, что он может иметь другой показатель преломления в разных точках материала. При правильной настройке это может привести к появлению плаща-невидимки .

Еще один пример программируемого механического метаматериала представлен Bergamini et al. Здесь вводится полоса пропускания в фононной запрещенной зоне за счет использования переменной жесткости пьезоэлектрических элементов, соединяющих алюминиевые штыри с алюминиевой пластиной для создания фононного кристалла, как в работе Wu et al. Пьезоэлектрические элементы шунтируются на землю через синтетические катушки индуктивности. Вокруг резонансной частоты LC-контура, образованного пьезоэлектриком и индукторами, пьезоэлектрические элементы демонстрируют почти нулевую жесткость, таким образом эффективно отсоединяя шлейфы от пластины. Это считается примером программируемого механического метаматериала.

В 2021 году Чен и др. продемонстрировал механический метаматериал, каждая элементарная ячейка которого может хранить двоичную цифру, аналогичную биту на жестком диске. Точно так же эти механические элементарные ячейки программируются посредством взаимодействия между двумя электромагнитными катушками в конфигурации Максвелла и встроенным магнитореологическим эластомером. Различные бинарные состояния связаны с различной реакцией материала на растяжение.

Изменяющие форму молекулы

Активная область исследований - это молекулы, которые могут изменять свою форму, а также другие свойства в ответ на внешние раздражители. Эти молекулы можно использовать по отдельности или в массе для образования новых видов материалов. Например, группа Дж. Фрейзера Стоддарта в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе разрабатывает молекулы, которые могут изменять свои электрические свойства.

Электропостоянные магниты

Электропостоянный магнит - это тип магнита, который состоит как из электромагнита, так и из двойного постоянного магнита , в котором магнитное поле, создаваемое электромагнитом, используется для изменения намагниченности постоянного магнита. Постоянный магнит состоит из магнитотвердых и мягких материалов, из которых только мягкий материал может изменять свою намагниченность. Когда магнитомягкие и твердые материалы имеют противоположные намагниченности, у магнита нет сетевого поля, а когда они выровнены, магнит проявляет магнитное поведение.

Они позволяют создавать управляемые постоянные магниты, в которых можно поддерживать магнитный эффект, не требуя непрерывной подачи электроэнергии. По этим причинам электропостоянные магниты являются важным компонентом исследований, направленных на создание программируемых магнитов, которые могут привести к самовозводимым структурам.

Подходы на основе робототехники

Самостоятельно реконфигурируемая модульная робототехника

Самоконфигурируемая модульная робототехника - это область робототехники, в которой группа базовых модулей робота работает вместе, чтобы динамически формировать формы и создавать поведение, подходящее для многих задач, подобно программируемой материи. SRCMR стремится предложить значительные улучшения для многих видов объектов или систем, вводя множество новых возможностей. Например: 1. Наиболее важным является невероятная гибкость, которая достигается за счет возможности изменять физическую структуру и поведение решения путем изменения программного обеспечения, управляющего модулями. 2. Возможность самовосстановления путем автоматической замены неисправного модуля сделает решение SRCMR невероятно устойчивым. 3. Снижение воздействия на окружающую среду за счет повторного использования одних и тех же модулей во многих различных решениях. Самостоятельно реконфигурируемая модульная робототехника пользуется ярким и активным исследовательским сообществом.

Claytronics

Клейтроника - это развивающаяся область инженерии, касающаяся реконфигурируемых наноразмерных роботов («клэйтронных атомов » или атомов ), предназначенных для создания машин или механизмов гораздо большего размера . Катомы будут субмиллиметровыми компьютерами, которые в конечном итоге будут иметь возможность перемещаться, связываться с другими компьютерами, изменять цвет и электростатически соединяться с другими катомами для формирования различных форм.

Клеточные автоматы

Клеточные автоматы - полезная концепция, позволяющая абстрагироваться от некоторых концепций дискретных единиц, взаимодействующих с целью получения желаемого общего поведения.

Квантовые ямы

Квантовые ямы могут удерживать один или несколько электронов. Эти электроны ведут себя как искусственные атомы, которые, как настоящие атомы, могут образовывать ковалентные связи , но они очень слабые. Из-за их больших размеров другие свойства также сильно различаются.

Синтетическая биология

Рибосомы является биологическая машина , которая использует динамику белка на наномасштабах синтезировать белки

Синтетическая биология - это область, целью которой является создание клеток с «новыми биологическими функциями». Такие клетки обычно используются для создания более крупных систем (например, биопленок ), которые могут быть «запрограммированы» с использованием синтетических генных сетей, таких как генетические тумблеры , для изменения их цвета, формы и т. Д. Такие биоинспектируемые подходы к производству материалов были продемонстрированы с использованием самосборные бактериальные биопленочные материалы, которые можно запрограммировать для выполнения определенных функций, таких как адгезия субстрата, создание шаблонов наночастиц и иммобилизация белков.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки