Программируемая материя - Programmable matter

Программируемая материя является иметь значение который имеет способность изменять свои физические свойства (форма, плотность, модули, проводимость, оптические свойства и т. д.) программируемым способом на основе пользовательского ввода или автономного считывания. Таким образом, программируемая материя связана с концепцией материала, который по своей сути обладает способностью выполнять обработку информации.

История

Программируемая материя - это термин, первоначально введенный в обращение в 1991 г. Тоффоли и Марголус для обозначения ансамбля мелких вычислительных элементов, расположенных в пространстве.[1] В их статье описывается вычислительная субстрат который состоит из мелкозернистых вычислительных узлов, распределенных по всему пространству, которые обмениваются данными, используя взаимодействия только ближайших соседей. В этом контексте программируемая материя относится к вычислительным моделям, подобным клеточные автоматы и решетчатые газовые автоматы.[2] Архитектура CAM-8 является примером аппаратной реализации этой модели.[3] Эта функция также известна как «области с цифровыми ссылками» (DRA) в некоторых формах самовоспроизводящаяся машина наука.[4]

В начале 1990-х был проведен значительный объем работ в области реконфигурируемой модульной робототехники с философией, аналогичной программируемой материи.[4]

В качестве полупроводник технологии, нанотехнологии, и технология самовоспроизводящихся машин изменилась, использование термина программируемая материя изменилось, чтобы отразить тот факт, что можно построить ансамбль элементов, которые можно «запрограммировать» на изменение их физических свойств в реальности, а не только в симуляция. 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 Г. Снайдер ввел термин «камень квантового колодца» (или просто «камень колодца») для описания этой гипотетической, но вероятной формы программируемой материи. Маккарти использовал этот термин в своей художественной литературе.

В 2002 году Сет Голдштейн и Тодд Моури основали глина проект в Университет Карнеги Меллон для исследования лежащих в основе аппаратных и программных механизмов, необходимых для реализации программируемой материи.

В 2004 г. DARPA Группа информатики и технологий (ISAT) изучила потенциал программируемых материалов. Результатом этого стало исследование 2005–2006 гг. «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.[5][6]

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 форма 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 глина.

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 имеют сантиметровый диапазон размеров.[4][7][8]В наноразмерном конце спектра существует огромное количество различных оснований для программируемой материи, начиная от молекул, меняющих форму.[9] к квантовые точки. Квантовые точки на самом деле часто называют искусственными атомами. Примеры диапазона от микрометра до субмиллиметра включают МЭМС единицы, ячейки, созданные с использованием синтетическая биология, а служебный туман концепция.

Важная подгруппа программируемых материалов: роботизированные материалы, которые сочетают в себе структурные аспекты композита с возможностями, обеспечиваемыми тесной интеграцией датчиков, исполнительных механизмов, вычислений и связи,[10] при этом предшествует реконфигурация движением частицы.

Примеры

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

"Простой"

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

Сложные жидкости

Основная статья: Сложные жидкости

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

Метаматериалы

Основная статья: Метаматериалы

Метаматериалы искусственные композиты которые можно контролировать, чтобы реагировать способами, не встречающимися в природе. Одним из примеров, разработанных Дэвидом Смитом, а затем Джоном Пендри и Дэвидом Шури, является материал, который может иметь свое показатель преломления настроен так, что он может 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 Bergamini et al.[11] Здесь вводится полоса пропускания в фононной запрещенной зоне, используя переменную жесткость пьезоэлектрических элементов, соединяющих алюминиевые штыри с алюминиевой пластиной, для создания фононного кристалла, как в работе Wu et al.[12] 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.[11]

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, Дж. Фрейзер Стоддарт Группа ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе занимается разработкой молекул, которые могут изменять свои электрические свойства.[9]

Электропостоянные магниты

Основная статья: Электропостоянный магнит

Электропостоянный магнит - это разновидность магнит который состоит из электромагнит и двойной материал постоянный магнит, в которой магнитное поле вырабатываемый электромагнитом используется для изменения намагниченности постоянного магнита. Постоянный магнит состоит из магнитотвердых и мягких материалов, из которых только мягкий материал может изменять намагниченность. Когда магнитомягкие и твердые материалы имеют противоположные намагниченности, у магнита нет сетевого поля, а когда они выровнены, магнит проявляет магнитное поведение.[13]

Они позволяют создавать управляемые постоянные магниты, в которых можно поддерживать магнитный эффект, не требуя постоянной подачи электроэнергии. По этим причинам электропостоянные магниты являются важными компонентами исследований, направленных на создание программируемых магнитов, которые могут привести к самовозводящимся структурам.[13][14]

Подходы на основе робототехники

Самостоятельно реконфигурируемая модульная робототехника

Основная статья: Модульный робот с автоматической реконфигурацией

Самоконфигурируемая модульная робототехника - это область робототехники, в которой группа базовых модулей робота работает вместе для динамического формирования форм и создания поведения, подходящего для многих задач, подобных программируемой материи. SRCMR стремится предложить значительные улучшения для многих видов объектов или систем, вводя множество новых возможностей. Например: 1. Наиболее важным является невероятная гибкость, возникающая благодаря способности 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 популярностью у ярких и активных исследователей.[15]

Claytronics

Основная статья: Claytronics

Claytronics - это развивающаяся область инженерное дело относительно реконфигурируемого наноразмер роботы ('Клейтроник атомы ', или же Catoms) предназначены для создания более крупномасштабных машины или механизмы. Катомы будут субмиллиметровыми компьютерами, которые в конечном итоге будут иметь возможность перемещаться, общаться с другими компьютерами, менять цвет и электростатически соединяться с другими котами, чтобы сформировать разные формы.

Клеточные автоматы

Основная статья: Клеточные автоматы

Клеточные автоматы - это полезная концепция, позволяющая абстрагироваться от некоторых концепций взаимодействия дискретных единиц для достижения желаемого общего поведения.

Квантовые ямы

Основная статья: Квантовая яма

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 отличаются.

Синтетическая биология

Основная статья: Синтетическая биология
А рибосома это биологическая машина который использует динамика белка на наномасштаб синтезировать белки

Синтетическая биология - это область, целью которой является создание клеток с «новыми биологическими функциями».[нужна цитата ] Такой клетки обычно используются для создания более крупных систем (например, биопленки ), которые можно "запрограммировать" с помощью синтетических генные сети Такие как генетические переключатели, для изменения их цвета, формы и т. д. Такие биоинспекционные подходы к производству материалов были продемонстрированы с использованием самособирающихся бактериальных биопленочных материалов, которые можно запрограммировать для определенных функций, таких как адгезия субстрата, создание шаблонов наночастиц и иммобилизация белков.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Тоффоли, Томмазо; Марголус, Норман (1991). «Программируемая материя: концепции и реализация». Physica D. 47 (1–2): 263–272. Bibcode:1991ФИД ... 47..263Т. Дои:10.1016 / 0167-2789 (91) 90296-Л.
  2. ^ Rothman, D.H .; Залески, С. (2004) [1997]. Решетчатые газовые клеточные автоматы. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521607605.
  3. ^ «CAM8: параллельная, унифицированная, масштабируемая архитектура для экспериментов с клеточными автоматами». Ai.mit.edu. Получено 2013-04-10.
  4. ^ а б c http://www.geocities.com/charles_c_22191/ Contemporarypreviewfile.html?1205202563050[мертвая ссылка ]
  5. ^ «Запрос на исследование DARPA». Архивировано из оригинал 15 июля 2009 г.
  6. ^ Стратегические направления DARPA: программируемое значение В архиве 12 декабря 2010 г. Wayback Machine
  7. ^ Исследование
  8. ^ [1]
  9. ^ а б "Химия и биохимия UCLA". Stoddart.chem.ucla.edu. Архивировано из оригинал на 2004-10-12. Получено 2013-04-10.
  10. ^ М. А. Макэвой и Н. Коррелл. Материалы, которые объединяют зондирование, приведение в действие, вычисления и связь. Наука 347(6228), 2015.
  11. ^ а б Бергамини, Андреа; Дельперо, Томмазо; Де Симони, Лука; Ди Лилло, Луиджи; Рузене, Массимо; Эрманни, Паоло (2014). «Фононный кристалл с адаптивной связью». Современные материалы. 2 (9). С. 1343–1347. Дои:10.1002 / adma.201305280. ISSN  0935-9648.
  12. ^ Ву, Цзун-Цонг; Хуанг, Цзы-Гуй; Цай, Цзы-Чин; Ву, Цзунг-Чен (2008). «Свидетельство полной запрещенной зоны и резонансов в пластине с периодической заглушенной поверхностью». Письма по прикладной физике. 93 (11). п. 111902. Дои:10.1063/1.2970992. ISSN  0003-6951.
  13. ^ а б Дейл, Трэвис (2010). «Электропостоянные магниты: программируемые магниты с нулевым статическим энергопотреблением позволяют создавать самые маленькие модульные роботы». HiZook. Получено 2012-04-06.
  14. ^ Хардести, Ларри (2012). «Самовыполняющийся песок». Массачусетский технологический институт. Получено 2012-04-06.
  15. ^ (Yim et al. 2007 г., стр. 43–52) Обзор недавней работы и проблем
  16. ^ Нгуен, Питер (17 сентября 2014 г.). «Программируемые материалы на основе биопленок из искусственных крученых нановолокон». Nature Communications. 5: 4945. Bibcode:2014 НатКо ... 5.4945N. Дои:10.1038 / ncomms5945. PMID  25229329.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка