Робототехнические материалы
Робототехнические материалы — это композитные материалы , которые сочетают в себе распознавание, приведение в действие, вычисления и связь в повторяемом или аморфном шаблоне. [1] Роботизированные материалы можно считать вычислительными метаматериалами , поскольку они расширяют первоначальное определение метаматериала. [2] как «макроскопические композиты, имеющие искусственную трехмерную периодическую клеточную архитектуру, предназначенную для создания оптимизированной комбинации, недоступной в природе, двух или более реакций на специфическое возбуждение», будучи полностью программируемыми. То есть, в отличие от обычного метаматериала, взаимосвязь между конкретным возбуждением и реакцией регулируется восприятием, срабатыванием и компьютерной программой, реализующей желаемую логику. [1]
История
[ редактировать ]Идея создания материалов, включающих вычисления, тесно связана с концепцией программируемой материи — термином, придуманным в 1991 году. [3] Тоффоли и Марголус, описывающие плотные массивы вычислительных элементов, которые могут решать сложные задачи, связанные с конечными элементами, такие как моделирование материальных систем, а затем позже развитые для описания класса материалов, состоящих из идентичных мобильных строительных блоков, также известных как катомы , которые полностью реконфигурируются. , что позволяет материалам произвольно изменять свои физические свойства.
Роботизированные материалы основаны на оригинальной концепции программируемой материи. [3] но сосредоточьтесь на структурных свойствах внедренных полимеров, не претендуя на универсальные изменения свойств. Здесь термин «робототехника» относится к слиянию ощущений, приведения в действие и вычислений и был придуман Николаусом Корреллом и его учениками в научной статье «Материалы, сочетающие в себе восприятие, приведение в действие и вычисление». [1]
Приложения
[ редактировать ]Роботизированные материалы позволяют разгрузить вычисления внутри материала, в первую очередь обработку сигналов , которая возникает во время приложений с высокой пропускной способностью или управление с обратной связью , которое требуется для мелкозернистого распределенного управления. Примеры таких приложений включают камуфляж, изменение формы, балансировку нагрузки и роботизированные скины. [4] а также предоставить роботам большую автономность за счет переноса части обработки сигналов и управления на материал, [5] создание «материалов, которые делают роботов умными» [6]
Проблемы исследования
[ редактировать ]Исследования роботизированных материалов варьируются от уровня устройств и производства до распределенных алгоритмов, которые наделяют роботизированные материалы интеллектом. [7] По существу, он пересекает области композитных материалов , сенсорных сетей , распределенных алгоритмов и, в зависимости от масштаба задействованных вычислений, роевого интеллекта . В отличие от любой отдельной области, проектирование конструкции, датчиков, исполнительных механизмов, коммуникационной инфраструктуры и распределенных алгоритмов тесно переплетены. Например, свойства конструкционного материала будут влиять на то, как воспринимаемые сигналы распространяются через материал, на каком расстоянии необходимо располагать вычислительные элементы и какую обработку сигналов необходимо выполнять. Аналогично, структурные свойства тесно связаны с фактическим внедрением вычислительной и коммуникационной инфраструктуры. Поэтому для выявления этих эффектов требуется междисциплинарное сотрудничество между материалами, информатикой и робототехникой. [1] С точки зрения материаловедения, особая проблема заключается в материалах, которые позволяют мгновенно создавать сложные объекты и их трансфигурацию по команде. Обзор различных подходов к таким материалам предоставлен Kaya et al. [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д М.А. МакЭвой и Н.Коррелл. Материалы, сочетающие в себе ощущения, срабатывание, вычисления и коммуникацию, Science Vol. 347 нет. 6228 DOI: 10.1126/science.1261689
- ^ Р. М. Вальзер, Электромагнитные метаматериалы. Учеб. SPIE 4467, Сложные среды II: За пределами линейных изотропных диэлектриков (Сан-Диего, Калифорния, 2001), стр. 1–15 (2001).
- ^ Перейти обратно: а б Т. Тоффоли, Н. Марголюс, Программируемая материя: концепции и реализация. Физика Д 47, 263–272 (1991). 10.1016/0167-2789(91)90296
- ^ Робототехнические материалы: Меняющиеся вместе с окружающим миром, phys.org, 19 марта 2015 г.
- ^ Автономные материалы позволят будущим роботам менять цвет и форму, Popular Science, 19 марта 2015 г.
- ^ Хьюз, Дана (2019). «Материалы, которые делают роботов умными» . Международный журнал исследований робототехники . 38 (12–13): 1338–1351. arXiv : 1711.00537 . дои : 10.1177/0278364919856099 .
- ^ Материалы, объединяющие датчики, срабатывания, вычисления и связь, Консорциум компьютерного сообщества (CCC) «Великие инновационные идеи», 2 ноября 2015 г.
- ^ Кая, Керем; Кравченко, Александр; Скарпеллини, Клаудия; Исери, Эмре; Крагич, Даника; ван дер Вейнгаарт, Воутер (2023). «Программируемая материя со свободной трансфигурацией и движением высокого разрешения» . Передовые функциональные материалы . дои : 10.1002/adfm.202307105 .