Программируемая материя
Программируемая материя — это материя , которая имеет возможность 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 сути обладает способностью выполнять обработку информации.
История [ править ]
Программируемая материя — это термин, первоначально придуманный в 1991 году Тоффоли и Марголусом для обозначения ансамбля мелкозернистых вычислительных элементов, расположенных в пространстве. [1] В их статье описывается вычислительная подложка , состоящая из мелкозернистых вычислительных узлов, распределенных по пространству, которые взаимодействуют, используя только взаимодействие ближайших соседей. В этом контексте программируемая материя относится к вычислительным моделям, подобным клеточным автоматам и автоматам с решеточным газом . [2] Архитектура CAM-8 является примером аппаратной реализации этой модели. [3] Эта функция также известна как «цифровые ссылочные области» (DRA) в некоторых формах самовоспроизводящейся машинотехники . [4]
В начале 1990-х годов велся значительный объем работ в области реконфигурируемой модульной робототехники, философия которой аналогична программируемой материи. [4]
По мере развития полупроводниковой технологии, нанотехнологии и технологии самовоспроизводящихся машин использование термина «программируемая материя» изменилось, чтобы отразить тот факт, чтоможно построить ансамбль элементов, которые можно «запрограммировать» на изменение своих физических свойств в реальности, а не только в моделировании . Таким образом, программируемая материя стала означать «любое объемное вещество, которое можно запрограммировать на изменение своих физических свойств».
Летом 1998 года в ходе дискуссии об искусственных атомах и программируемой материи Уил Маккарти и Дж. Снайдер ввели термин «квантовый колодезный камень» (или просто «колодцевый камень») для описания этой гипотетической, но правдоподобной формы программируемой материи. Маккарти использовал этот термин в своих произведениях.
В 2002 году Сет Гольдштейн и Тодд Моури начали проект глинятроники в Университете Карнеги-Меллона, чтобы исследовать базовые аппаратные и программные механизмы, необходимые для реализации программируемой материи.
В 2004 году группа DARPA по информационным наукам и технологиям (ISAT) изучила потенциал программируемой материи. Результатом этого стало исследование 2005–2006 годов «Реализация программируемой материи», в котором была изложена многолетняя программа исследований и разработок программируемой материи.
В 2007 году программируемая материя стала предметом исследования DARPA и последующей программы. [5] [6]
С 2016 по 2022 год ANR профинансировало несколько исследовательских программ, координируемых Жюльеном Буржуа и Бенуа Пирандой в Институте FEMTO-ST , который возглавляет проект Claytronics, инициированный Intel и Университетом Карнеги-Меллон. [7]
Подходы [ править ]
В одной школе мысли программирование могло быть внешним по отношению к материалу и достигаться «применением света, напряжения, электрических или магнитных полей и т. д.». ( Маккарти 2006 ). Например, жидкокристаллический дисплей — это форма программируемой материи. Вторая школа мысли заключается в том, что отдельные единицы ансамбля могут выполнять вычисления, и результатом их вычислений является изменение физических свойств ансамбля. Примером этой более амбициозной формы программируемой материи является глинятроника.
Существует множество предлагаемых реализаций программируемой материи. Масштаб — одно из ключевых отличий между различными формами программируемой материи. На одном конце спектра реконфигурируемая модульная робототехника представляет собой форму программируемой материи, в которой отдельные блоки имеют размеры в сантиметровом диапазоне. [4] [8] [9] На наноуровне спектра существует огромное количество различных основ программируемой материи, начиная от молекул, меняющих форму [10] к квантовым точкам . Квантовые точки на самом деле часто называют искусственными атомами. Примеры диапазонов от микрометра до субмиллиметра включают устройства на основе МЭМС , ячейки, созданные с использованием синтетической биологии , и концепцию полезного тумана .
Важной подгруппой программируемой материи являются роботизированные материалы , которые сочетают в себе структурные аспекты композита с возможностями, предлагаемыми тесной интеграцией датчиков, исполнительных механизмов, вычислений и связи. [11] при этом предшествующая реконфигурация за счет движения частиц.
Примеры [ править ]
Существует множество концепций программируемой материи и, следовательно, множество отдельных направлений исследований, использующих это название. Ниже приведены некоторые конкретные примеры программируемой материи.
«Твердожидкостная перекачка с фазовым переходом» [ править ]
Изменение формы и перемещение твердых объектов возможны с помощью накачки с фазовым переходом твердого тела и жидкости. [12] Этот подход позволяет деформировать объекты в любую желаемую форму с субмиллиметровым разрешением и свободно изменять их топологию.
«Простой» [ править ]
К ним относятся материалы, которые могут изменять свои свойства в зависимости от некоторых входных данных, но не имеют возможности самостоятельно выполнять сложные вычисления.
Сложные жидкости [ править ]
Физические свойства некоторых сложных жидкостей можно изменить путем приложения тока или напряжения, как в случае с жидкими кристаллами .
Метаматериалы [ править ]
Метаматериалы — это искусственные композиты , которыми можно управлять, чтобы они реагировали способами, не встречающимися в природе. Один из примеров, разработанный Дэвидом Смитом, а затем Джоном Пендри и Дэвидом Шури, представляет собой материал, показатель преломления которого можно настроить так, чтобы он мог иметь разный показатель преломления в разных точках материала. При правильной настройке это может привести к появлению плаща-невидимки .
Еще один пример программируемого механического метаматериала представлен Бергамини и др. [13] Здесь вводится полоса пропускания внутри фононной запрещенной зоны за счет использования переменной жесткости пьезоэлектрических элементов, соединяющих алюминиевые шлейфы с алюминиевой пластиной, для создания фононного кристалла, как в работе Ву и др. [14] Пьезоэлектрические элементы зашунтированы на землю через синтетические индукторы. В районе резонансной частоты LC-контура, образованного пьезоэлектриком и индукторами, пьезоэлектрические элементы проявляют близкую к нулевой жесткость, тем самым эффективно отсоединяя шлейфы от пластины. Это считается примером программируемого механического метаматериала. [13]
В 2021 году Чен и др. продемонстрировал механический метаматериал, каждая элементарная ячейка которого может хранить двоичную цифру, аналогичную биту внутри жесткого диска. [15] Аналогично, эти механические элементарные ячейки программируются посредством взаимодействия между двумя электромагнитными катушками в конфигурации Максвелла и встроенным магнитореологическим эластомером. Различные бинарные состояния связаны с различной деформационной реакцией материала.
Молекулы, меняющие форму [ править ]
Активной областью исследований являются молекулы, которые могут менять свою форму, а также другие свойства в ответ на внешние раздражители. Эти молекулы можно использовать индивидуально или в массе для создания новых видов материалов. Например, группа Дж. Фрейзера Стоддарта в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе разрабатывает молекулы, которые могут изменять свои электрические свойства. [10]
Электропостоянные магниты [ править ]
Электропостоянный магнит — это тип магнита , который состоит как из электромагнита, из двойного материала так и из 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, магнит не имеет результирующего поля, а когда они выровнены, магнит проявляет магнитное поведение. [16]
Они позволяют создавать управляемые постоянные магниты, в которых можно поддерживать магнитный эффект, не требуя постоянной подачи электрической энергии. По этим причинам электропостоянные магниты являются важным компонентом исследований, направленных на создание программируемых магнитов, которые могут привести к созданию самостроящихся структур. [16] [17]
робототехнике на основанные Подходы,
Самопереконфигурируемая модульная робототехника [ править ]
Самонастраивающаяся модульная робототехника включает в себя группу базовых модулей робота, работающих вместе для динамического формирования форм и создания поведения, подходящего для многих задач, подобно программируемой материи. Целью SRCMR является значительное улучшение многих видов объектов или систем путем введения множества новых возможностей. Например: 1. Наиболее важным является невероятная гибкость, возникающая благодаря возможности изменять физическую структуру и поведение решения путем изменения программного обеспечения, управляющего модулями. 2. Возможность самостоятельного ремонта путем автоматической замены вышедшего из строя модуля сделает решение SRCMR невероятно отказоустойчивым. 3. Сокращение воздействия на окружающую среду за счет повторного использования одних и тех же модулей в различных решениях. Самопереконфигурируемая модульная робототехника пользуется активным исследовательским сообществом. [18]
Клейтроника [ править ]
Клейтроника — это новая область техники, связанная с реконфигурируемыми наноразмерными роботами («клэйтронными атомами » или катомами ), предназначенными для формирования гораздо более крупных машин или механизмов. Катомы будут представлять собой компьютеры размером менее миллиметра, которые в конечном итоге получат возможность передвигаться, общаться с другими компьютерами, менять цвет и электростатически соединяться с другими катомами, образуя различные формы.
Клеточные автоматы [ править ]
Клеточные автоматы — полезная концепция для абстрагирования некоторых концепций взаимодействия дискретных единиц, обеспечивающих желаемое общее поведение.
Квантовые ямы [ править ]
Квантовые ямы могут содержать один или несколько электронов. Эти электроны ведут себя как искусственные атомы , которые, как и настоящие атомы, могут образовывать ковалентные связи , но они чрезвычайно слабы. Из-за их больших размеров другие свойства также сильно различаются.
Синтетическая биология [ править ]
Синтетическая биология — это область, целью которой является создание клеток с «новыми биологическими функциями». [ нужна ссылка ] Такие клетки обычно используются для создания более крупных систем (например, биопленок ), которые можно «запрограммировать» с использованием синтетических генных сетей, таких как генетические тумблеры , для изменения их цвета, формы и т. д. Такие биоинспирированные подходы к производству материалов были продемонстрированы с использованием самособирающиеся бактериальные биопленочные материалы, которые можно запрограммировать для выполнения определенных функций, таких как адгезия субстрата, создание шаблонов наночастиц и иммобилизация белков. [19]
См. также [ править ]
- Компьютрониум
- Нанотехнологии
- Самостоятельная сборка
- Умный материал
- Смартдаст
- Повсеместные вычисления
- Универсальная машина Тьюринга
- Коммунальный туман
Ссылки [ править ]
- ^ Тоффоли, Томмазо ; Марголус, Норман (1991). «Программируемая материя: концепции и реализация» . Физика Д. 47 (1–2): 263–272. Бибкод : 1991PhyD...47..263T . дои : 10.1016/0167-2789(91)90296-Л .
- ^ Ротман, Д.Х.; Залески, С. (2004) [1997]. Решётчатые газовые клеточные автоматы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521607605 .
- ^ «CAM8: параллельная, унифицированная, масштабируемая архитектура для экспериментов с клеточными автоматами» . Ai.mit.edu . Проверено 10 апреля 2013 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050 [ мертвая ссылка ]
- ^ «Запрос на исследование DARPA» . Архивировано из оригинала 15 июля 2009 года.
- ^ Стратегические удары DARPA: программируемая материя. Архивировано 12 декабря 2010 г., в Wayback Machine.
- ^ «Аппаратное и программное обеспечение для создания программируемой материи – ProgrammableMatter» . анр.фр.
- ^ Исследования
- ^ «Марк Йим — GRASP Lab @ Penn» . www.robotics.upenn.edu . Архивировано из оригинала 16 ноября 2005 года . Проверено 17 января 2022 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Химия и биохимия Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе» . Stoddart.chem.ucla.edu. Архивировано из оригинала 12 октября 2004 г. Проверено 10 апреля 2013 г.
- ^ МакЭвой, Массачусетс; Коррелл, Н. (20 марта 2015 г.). «Материалы, сочетающие в себе восприятие, срабатывание, вычисления и общение» . Наука . 347 (6228). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS). дои : 10.1126/science.1261689 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 25792332 . S2CID 206563151 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Бергамини, Андреа; Дельперо, Томмазо; Де Симони, Лука; Ди Лилло, Луиджи; Руцене, Массимо; Эрманни, Паоло (2014). «Фононный кристалл с адаптивной возможностью подключения». Продвинутые материалы . 2 (9): 1343–1347. дои : 10.1002/adma.201305280 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 24734298 . S2CID 23402889 .
- ^ Ву, Цунг-Цонг; Хуан, Цзы-Гуй; Цай, Цзы-Чин; Ву, Цунг-Чен (2008). «Свидетельства полной запрещенной зоны и резонансов в пластине с периодической укороченной поверхностью» . Письма по прикладной физике . 93 (11): 111902. Бибкод : 2008ApPhL..93k1902W . дои : 10.1063/1.2970992 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Чен, Тянь; Поли, Марк; Рейс М., Педро (2021). «Перепрограммируемый механический метаматериал со стабильной памятью». Природа . 589 (7842): 386–390. Бибкод : 2021Natur.589..386C . дои : 10.1038/s41586-020-03123-5 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 33473228 . S2CID 231665050 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Дейл, Трэвис (2010). «Электропостоянные магниты: программируемые магниты с нулевым статическим энергопотреблением позволяют создавать самые маленькие модульные роботы» . Привет, Зук . Проверено 6 апреля 2012 г.
- ^ Хардести, Ларри (2012). «Самолепящийся песок» . Массачусетский технологический институт . Проверено 6 апреля 2012 г.
- ^ ( Йим и др., 2007 , стр. 43–52) Обзор недавней работы и проблем.
- ^ Нгуен, Питер (17 сентября 2014 г.). «Программируемые материалы на основе биопленок из инженерных нановолокон Curli» . Природные коммуникации . 5 : 4945. Бибкод : 2014NatCo...5.4945N . дои : 10.1038/ncomms5945 . ПМИД 25229329 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Гольдштейн, Сет Копен; Кэмпбелл, Джейсон; Моури, Тодд К. (июнь 2005 г.). «Программируемая материя» . IEEE-компьютер . 38 (6): 99–101. дои : 10.1109/MC.2005.198 . S2CID 17346523 .
- Маккарти, Уил (2006). «Часто задаваемые вопросы по программируемой материи» . Природа . 407 (6804): 569. дои : 10.1038/35036656 . ПМИД 11034188 . S2CID 5242445 .
- Маккарти, Уил (2003). Взлом материи: левитирующие стулья, квантовые миражи и бесконечная странность программируемых атомов . Нью-Йорк: Основные книги. ISBN 978-0-465-04428-3 .
- Йим, Марк; Шен, Вэй-Мин; Салеми, Бехнам; Рус, Даниэла; Молл, Марк; Липсон, Ход; Клавинс, Эрик; Чирикджян, Грегори (март 2007 г.). «Модульные самореконфигурируемые робототехнические системы» . Журнал IEEE «Робототехника и автоматизация» . 14 (1): 43. doi : 10.1109/MRA.2007.339623 . S2CID 11100988 .
- Талами, Пьер; Пиранда, Бенуа; Буржуа, Жюльен (декабрь 2021 г.). «Разработка эффективной и массово параллельной самореконфигурации 3D с использованием песочницы, строительных лесов и покрытий» . Робототехника и автономные системы . 146 (18): 103875. doi : 10.1016/j.robot.2021.103875 .
- Пиранда, Бенуа; Буржуа, Жюльен (2021). «Датом: Деформируемый модульный робот для создания самореконфигурируемой программируемой материи» . 15-й Международный симпозиум по распределенным автономным робототехническим системам . arXiv : 2005.03402 .
Внешние ссылки [ править ]
- «Программируемая тяга материи DARPA (Военные США)» . Афсиа Интернэшнл . 26 мая 2009 г.
- «Консорциум программируемой материи» . 20 апреля 2022 г.
