Claytronics - Claytronics

Claytronics er et abstrakt fremtidskonsept som kombinerer nanoskala- robotikk og informatikk for å lage individuelle datamaskiner på nanometerskala kalt claytronic-atomer, eller katomer , som kan samhandle med hverandre for å danne håndgripelige 3D-objekter som en bruker kan samhandle med. Denne ideen er bredere referert til som programmerbar materie . Claytronics har potensial til å påvirke mange områder i det daglige, som telekommunikasjon, grensesnitt mellom datamaskiner og underholdning.

Aktuell forskning

Nåværende forskning utforsker potensialet i modulær rekonfigurerbar robotikk og den komplekse programvaren som er nødvendig for å kontrollere "formendrende" roboter. “Lokalt distribuerte predikater eller LDP er et distribuert, høyt nivå språk for programmering av modulære rekonfigurerbare robotsystemer (MRR)”. Det er mange utfordringer knyttet til programmering og kontroll av et stort antall diskrete modulsystemer på grunn av frihetsgrader som samsvarer med hver modul. For eksempel kan omkonfigurering fra en formasjon til en lignende kreve en kompleks bevegelsesbane styrt av en intrikat rekke av kommandoer, selv om de to formene er forskjellige.

I 2005 var forskningsinnsatsen for å utvikle et maskinvarekonsept vellykket på skalaen millimeter, og skapte sylindriske prototyper med 44 millimeter i diameter som interagerer med hverandre via elektromagnetisk tiltrekning. Eksperimentene deres hjalp forskere med å verifisere forholdet mellom masse og potensiell kraft mellom objekter som "en 10-gangs reduksjon i størrelse [som] skulle oversettes til en 100 ganger økning i kraft i forhold til masse". Nylige fremskritt innen dette prototypekonseptet er i form av en sylindriske robot med en diameter på diameter produsert på en tynn film ved fotolitografi som vil samarbeide med hverandre ved hjelp av kompleks programvare som vil kontrollere elektromagnetisk tiltrekning og frastøting mellom moduler.

I dag gjennomføres omfattende undersøkelser og eksperimenter med claytronics ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh, Pennsylvania av et team av forskere som består av professorene Todd C. Mowry, Seth Goldstein, studenter og lavere studenter og forskere fra Intel Labs Pittsburgh .

Maskinvare

Drivkraften bak programmerbar materie er den faktiske maskinvaren som manipulerer seg selv i hvilken form som helst. Claytronics består av en samling av individuelle komponenter kalt claytronic atomer, eller katomer. For å være levedyktig må katomer passe til et sett med kriterier. For det første må katomer være i stand til å bevege seg i tre dimensjoner i forhold til hverandre og kunne holde seg til hverandre for å danne en tredimensjonal form. For det andre må katomene være i stand til å kommunisere med hverandre i et ensemble og være i stand til å beregne tilstandsinformasjon, muligens med hjelp fra hverandre. Fundamentalt består catoms av en CPU , en nettverksenhet for kommunikasjon, en enkelt pikselskjerm , flere sensorer, et innebygd batteri og et middel til å holde seg til hverandre.

Nåværende katastrofer

Forskerne ved Carnegie Mellon University har utviklet forskjellige prototyper av katomer. Disse varierer fra små terninger til gigantiske heliumballonger. Prototypen som ligner mest på det utviklere håper catoms vil bli, er den plane catom. Disse har form av sylindere med en diameter på 44 mm. Disse sylindrene er utstyrt med 24 elektromagneter anordnet i en serie stablede ringer langs sylinderens omkrets. Bevegelse oppnås ved at katomer samarbeider muliggjør og deaktiverer magneter for å rulle langs hverandres overflater. Bare en magnet på hver katom er aktivert av gangen. Disse prototypene er i stand til å rekonfigurere seg ganske raskt, med frakobling av to enheter, bevegelse til et annet kontaktpunkt og gjenkobling tar bare omtrent 100 ms. Kraft leveres til katomene ved hjelp av pickup-føtter på bunnen av sylinderen. Ledende striper på bordet gir den nødvendige kraften.

Fremtidig design

I den nåværende designen er katomene bare i stand til å bevege seg i to dimensjoner i forhold til hverandre. Fremtidige katastrofer vil være nødvendig å bevege seg i tre dimensjoner i forhold til hverandre. Målet med forskerne er å utvikle en millimeter skala catom uten bevegelige deler, for å tillate masseproduksjon. Millioner av disse mikrorobotene vil kunne avgi variabel farge og intensitet av lys, noe som gir dynamisk fysisk gjengivelse. Designmålet har skiftet til å skape katomer som er enkle nok til å bare fungere som en del av et ensemble, med ensemblet som helhet i stand til høyere funksjon.

Ettersom batteriene er nedskalert, vil et innebygd batteri som er tilstrekkelig til å drive det, overstige størrelsen på selve katomet, så det er ønskelig med en alternativ energiløsning. Det forskes på å drive alle katomene i et ensemble, ved å bruke katom-til-katom-kontakten som et middel for energitransport. En mulighet som blir utforsket, er å bruke et spesielt bord med positive og negative elektroder og dirigere strømmen internt gjennom katomene, via "virtuelle ledninger."

En annen stor designutfordring vil være å utvikle en kjønnsfri unarisk kontakt for catoms for å holde rekonfigurasjonstiden på et minimum. Nanofibers gir en mulig løsning på denne utfordringen. Nanofibre gir god vedheft i liten skala og gir minimum strømforbruk når katomene er i ro.

Programvare

Organisering av all kommunikasjon og handlinger mellom millioner katastrofer under millimeterskalaen krever utvikling av avanserte algoritmer og programmeringsspråk. Forskerne og ingeniørene fra Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab lanserte et bredt spekter av prosjekter for å utvikle den nødvendige programvaren for å lette kommunikasjonen mellom katastrofer. De viktigste prosjektene er å utvikle nye programmeringsspråk som fungerer mer effektivt for claytronics. Målet med en claytronics-matrise er å dynamisk danne tredimensjonale former. Imidlertid øker det store antall katomer i dette distribuerte nettverket kompleksiteten i mikroadministrasjon av hver enkelt katom. Så hver katastrofe må oppfatte nøyaktig posisjonsinformasjon og kommando om samarbeid med sine naboer. I dette miljøet må programvarespråk for matriseoperasjonen formidle korte uttalelser av kommandoer på høyt nivå for å kunne distribueres universelt. Språk for å programmere en matrise krever en forkortet syntaks og kommandostil enn vanlige programmeringsspråk som C ++ og Java.

Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Project har opprettet to nye programmeringsspråk: Melded and Local Distributed Predicates (LDP).

Smeltet

Meld er et deklarativt språk , et logisk programmeringsspråk som opprinnelig var designet for programmering av overleggsnettverk . Ved å bruke logisk programmering kan koden for et ensemble av roboter skrives fra et globalt perspektiv, slik at programmereren kan konsentrere seg om den totale ytelsen til claytronics-matrisen i stedet for å skrive individuelle instruksjoner for hver av tusenvis til millioner av katomer i ensemble. Dette forenkler dramatisk tankeprosessen for programmering av bevegelsen til en claytronics-matrise.

Lokalt distribuerte predikater (LDP)

LDP er et reaktivt programmeringsspråk . Det har blitt brukt til å utløse feilsøking i tidligere undersøkelser. Med tillegg av språk som gjør det mulig for programmereren å bygge operasjoner i utviklingen av matrisens form, kan den brukes til å analysere de distribuerte lokale forholdene. Den kan fungere på fastkoblede modulgrupper med forskjellige funksjoner for tilstandskonfigurasjon. Et program som adresserer en fast størrelse i stedet for hele ensemblet, gjør det mulig for programmerere å betjene claytronic-matrisen oftere og mer effektivt. LDP gir videre et middel for å matche distribuerte mønstre. Det gjør det mulig for programmereren å adressere et større sett med variabler med boolsk logikk , som gjør det mulig for programmet å søke etter større mønstre for aktivitet og atferd blant grupper av moduler.

Distribuerte vaktpunkter

Ytelsesfeil for tusenvis til millioner av individuelle katomer er vanskelig å oppdage og feilsøke, og derfor krever claytronics matrisoperasjoner en dynamisk og selvstyrt prosess for å identifisere og feilsøke feil. Claytronics-forskere har utviklet Distribuerte Watchpoints, en algoritmenivå tilnærming til å oppdage og fikse feil savnet av mer konvensjonelle feilsøkingsteknikker. Den etablerer noder som mottar overvåking for å bestemme gyldigheten av distribuerte forhold. Denne tilnærmingen gir et enkelt og svært beskrivende sett med regler for å evaluere distribuerte forhold og viser seg å være effektivt i deteksjonen av feil.

Algoritmer

To viktige klasser av claytronics- algoritmer er formskulpturer og lokaliseringsalgoritmer. Det endelige målet med claytronics-forskning er å skape dynamisk bevegelse i tredimensjonale positurer. All forskning på catom-bevegelse, kollektiv aktivering og hierarkisk bevegelsesplanlegging krever formskulptureringsalgoritmer for å konvertere katomer til den nødvendige strukturen, noe som vil gi strukturell styrke og flytende bevegelse til det dynamiske ensemblet. I mellomtiden gjør lokaliseringsalgoritmer det mulig for katomer å lokalisere sine posisjoner i et ensemble. En lokaliseringsalgoritme skal gi nøyaktig relasjonell kunnskap om katomer til hele matrisen basert på støyende observasjon på en fullt distribuert måte.

Fremtidige applikasjoner

Ettersom kapasiteten til databehandling fortsetter å utvikle seg og robotmoduler krymper, vil claytronics bli nyttig i mange applikasjoner. Den kjente bruken av claytronics er en ny kommunikasjonsmåte. Claytronics vil gi en mer realistisk sans for kommunikasjon over lang avstand kalt pario. I likhet med hvordan lyd og video gir lyd- og visuell stimulering, gir pario en lyd-, visuell og fysisk følelse. En bruker vil kunne høre, se og berøre den som kommuniserer med dem på en realistisk måte. Pario kan brukes effektivt i mange fagdisipliner fra ingeniørdesign, utdanning og helsetjenester til underholdning og fritidsaktiviteter som videospill.

Fremskrittene innen nanoteknologi og databehandling som er nødvendige for at claytronics skal bli en realitet, er gjennomførbare, men utfordringene å overvinne er skremmende og vil kreve stor innovasjon. I et intervju i desember 2008 sa Jason Campbell, en lederforsker fra Intel Labs Pittsburgh, "mine estimater av hvor lang tid det vil ta har gått fra 50 år ned til bare et par år til. Det har endret seg i løpet av de fire årene Jeg har jobbet med prosjektet ".

Se også

Referanser

Eksterne linker