كلاي ترونكس

Claytronics هو مفهوم مستقبلي مجرد يجمع بين الروبوتات النانوية وعلوم الكمبيوتر لإنشاء أجهزة كمبيوتر فردية بحجم نانومترية تسمى ذرات claytronic ، أو catoms ، والتي يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض لتشكيل كائنات ثلاثية الأبعاد ملموسة يمكن للمستخدم التفاعل معها. هذه الفكرة يشار إليها على نطاق أوسع بأنها مسألة قابلة للبرمجة. تمتلك شركة Claytronics القدرة على التأثير بشكل كبير على العديد من مجالات الحياة اليومية ، مثل الاتصالات السلكية واللاسلكية ، واجهات التواصل بين الإنسان والحاسوب والترفيه.

مميزات

صغر
حجم claytronics يحدد دقة وتفاصيل macrobody الطيع. لأقرب تغليف ممكن بأكبر قدر ممكن من الحركة ، فإن Catom تكون كروية بقدر الإمكان.

التنقل غير المستقل
لا يتحرك Catom بمساعدة الأجزاء المتحركة ، ولكن ، مثل الذرة ، يدخل في روابط مع catooms أخرى في العمليات الكهرومغناطيسية أو electrostatic. claytronics تتحرك من خلال التفاعلات بشكل متبادل. في أبسط الحالات ، يتم تضمين المغنطيسات الكهربائية الصغيرة في Catom مثل محرك السائر.
من خلال القضاء على الأجزاء المتحركة ، تكون مادة claytronics أكثر متانة وأقل تكلفة وأسهل في الإنتاج بكميات كبيرة مقارنةً بالأنانوط التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنهم التوفيق والتحرك بشكل أكثر كفاءة وسرعة (في الموئل المخصص لهم).

إمدادات الطاقة غير المستقلة
لا يحمل Catom وحدة الإمداد بالطاقة الخاصة به ، ولكن يجب أن يكون قادرًا على توفيرها من قبل الآخرين. يتم تمرير إمدادات الطاقة من خارج المادة من Catom إلى Catom.

الذكاء المستقل والمهارات الخاصة
يحتوي Catom على أجهزة استشعار خاصة به ، ويحمل الكمبيوتر النانوي الخاص به أو قدرات nanoelectronic أخرى في حد ذاته. من خلال دمج الخلايا الضوئية ، على سبيل المثال ، يمكن تصور claytronicss حساس للضوء ، بحيث يمكن لمجموعة من catomials تقليد عين واحدة. على سبيل المثال ، من خلال دمج LEDs يمكن أن تعتمد claytronics لون. ليس لكل Catom قدرات أكثر من اللازم ، وليس كل claytronics لها نفس القدرات.

الاتصالات Claytronics
claytronics بحاجة إلى التواصل غير تافهة. كيف يمكن إنشاء هذا الاتصال هو موضوع بحثي خاص للمشروع. من المميزات أن جسد الماكرو Catom يتكون من مليارات القواسم ، لكل منها روابط تصل إلى ستة جيران. على النقيض من هياكل الاتصالات التقليدية ، فإن هوية claytronics واحدة غالبا ما تكون غير مثيرة للاهتمام ، ولكنها ليست أساسية.

تشكيل نسخة طبق الأصل الاصطناعية
التقط النموذج والصورة كنموذج رقمي ، على سبيل المثال عن طريق التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد.
تحويل الصورة ثلاثية الأبعاد إلى مواصفات متوافقة مع DPR وربما نقل بعيد.
تقديم الجسم الماكرو للمادة كاتوم.

البحث الحالي
البحث الحالي هو استكشاف إمكانات الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التشكيل والبرامج المعقدة اللازمة للتحكم في الروبوتات “المتغيرة الشكل”. “المسميات الموزعة محليًا أو LDP هي لغة موزعة عالية المستوى لأنظمة الروبوتات المعيارية القابلة للبرمجة (MRRs)”. هناك العديد من التحديات المرتبطة بالبرمجة والتحكم في عدد كبير من الأنظمة المعيارية المنفصلة بسبب درجات الحرية التي تتوافق مع كل وحدة. على سبيل المثال ، قد يتطلب إعادة التكوين من تشكيل إلى واحد مشابه مسارًا معقدًا للحركات يتم التحكم فيه بواسطة سلسلة معقدة من الأوامر على الرغم من اختلاف الشكلين قليلاً.

في عام 2005 ، نجحت الجهود البحثية لتطوير مفهوم الأجهزة على مقياس الملليمترات ، مما أدى إلى إنشاء نماذج أسطوانية قطرها 44 ملليمترًا تتفاعل مع بعضها البعض عبر جذب كهرومغناطيسي. وقد ساعدت تجاربهم الباحثين على التحقق من العلاقة بين الكتلة والقوة المحتملة بين الأجسام على أنها “خفض بمقدار 10 أضعاف في الحجم [والذي] ينبغي أن يترجم إلى زيادة بنسبة 100 ضعف في القوة بالنسبة إلى الكتلة”. والتطورات الأخيرة في هذا النموذج الأولي هي على شكل روبوتات أسطوانية بقطر واحد بقطر واحد ومصطنعة على طبقة رقيقة بواسطة الطباعة الحجرية الضوئية التي تتعاون مع بعضها البعض باستخدام برنامج معقد من شأنه التحكم في الانجذاب الكهرومغناطيسي والتنافر بين الوحدات.

اليوم ، تجري أبحاث وتجارب واسعة النطاق مع claytronics في جامعة كارنيجي ميلون في بيتسبيرج ، بنسلفانيا من قبل فريق من الباحثين يتألف من البروفيسور تود سي. موي ، سيث غولدستين ، طلاب الدراسات العليا والجامعية ، والباحثين من معمل إنتل بتسبيرج.

المعدات
القوة الدافعة وراء المادة القابلة للبرمجة هي الأجهزة الفعلية التي تتلاعب في أي شكل مطلوب. يتكون Claytronics من مجموعة من المكونات الفردية تسمى ذرات claytronic ، أو catoms. من أجل أن تكون قابلة للتطبيق ، تحتاج catoms لتتناسب مع مجموعة من المعايير. أولاً ، يجب أن تكون قادرة على التحرك في ثلاثة أبعاد بالنسبة إلى بعضها البعض وتكون قادرة على التمسك بعضها البعض لتشكيل شكل ثلاثي الأبعاد. ثانيا ، يجب أن تكون قادرة على التواصل مع بعضها البعض في مجموعة وتكون قادرة على حساب معلومات الدولة ، وربما بمساعدة من بعضها البعض. بشكل أساسي ، تتألف catoms من وحدة المعالجة المركزية (CPU) ، وجهاز شبكة للاتصال ، وشاشة بكسل واحدة ، وعدة مستشعرات ، وبطارية على متن الطائرة ، ووسيلة للالتزام ببعضها البعض.

القاطرات الحالية
طور الباحثون في جامعة كارنيجي ميلون العديد من النماذج الأولية للقطط. هذه تختلف من مكعبات صغيرة إلى بالونات الهيليوم العملاقة. النموذج الأولي الذي هو أشبه ما يأمل المطورين أن تصبح الكتل هو الكارثة المستوية. هذه تأخذ شكل اسطوانات قطرها 44 ملم. هذه الاسطوانات مجهزة بـ 24 مغناطيس كهربائي مرتبة في سلسلة من الحلقات المكدسة على طول محيط الاسطوانة. تتحقق الحركة من خلال القواطع التي تمكّن وتعطيل المغنطيسات من أجل التمدد على طول أسطح بعضها البعض. يتم تنشيط مغناطيس واحد فقط على كل catom في وقت واحد. هذه النماذج الأولية قادرة على إعادة تشكيل نفسها بسرعة كبيرة ، مع عدم فصل وحدتين ، والحركة إلى نقطة اتصال أخرى ، واسترجاع أخذ حوالي 100 مللي ثانية فقط. يتم تزويد الطاقة إلى القواطع باستخدام أقدام صغيرة في الجزء السفلي من الاسطوانة.

تصميم مستقبلي
في التصميم الحالي ، يمكن للقطب التحرك فقط في بعدين بالنسبة لبعضهما البعض. ستكون هناك حاجة إلى التحرك في ثلاثة أبعاد بالنسبة لبعضها البعض. الهدف من الباحثين هو تطوير الكيموم على نطاق المليمتر مع عدم وجود أجزاء متحركة ، للسماح بقدرة تصنيع كبيرة. سيتمكن الملايين من هذه الكائنات الدقيقة من إصدار ألوان متغيرة وشدة الضوء ، مما يسمح بالعرض الفيزيائي الديناميكي. لقد تحول هدف التصميم إلى إنشاء قواطع بسيطة بما يكفي لتعمل فقط كجزء من مجموعة ، مع كون المجموعة ككل قادرة على القيام بوظيفة أعلى.

ومع تقليص حجم القمم ، فإن بطارية على متن الطائرة كافية لتشغيلها ستتجاوز حجم القشرة نفسها ، لذا فإن الحل البديل للطاقة هو المطلوب. ويجري البحث في تشغيل جميع القواطع في مجموعة ، وذلك باستخدام التماس من نوع catom-to-catom كوسيلة لنقل الطاقة. أحد الاحتمالات التي يجري استكشافها هو استخدام جدول خاص مع الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية وتوجيه السلطة داخليا من خلال الكرات ، عبر “أسلاك افتراضية”.

ويتمثل التحدي الرئيسي الآخر في التصميم في تطوير موصل أحادي غير منفرد للجنس من أجل الحفاظ على وقت إعادة التشكيل كحد أدنى. توفر ألياف النانو حلاً محتملاً لهذا التحدي. تسمح ألياف النانو بالالتصاق الكبير على نطاق صغير وتسمح بأقل استهلاك للطاقة عندما تكون الكامات في حالة راحة.

البرمجيات
يتطلب تنظيم جميع الاتصالات والإجراءات بين ملايين القواسم ذات المليمتر الفرعي تطوير خوارزميات متقدمة ولغات برمجة. أطلق الباحثون والمهندسون من مختبر أبحاث كارنيجي ميلون – إنتل كلايترونيكس مجموعة واسعة من المشاريع لتطوير البرمجيات اللازمة لتسهيل التواصل بين الكرات. أهم المشاريع هي تطوير لغات برمجة جديدة تعمل بكفاءة أكثر من أجل claytronics. الهدف من مصفوفة claytronics هو تشكيل أشكال ثلاثية الأبعاد ديناميكيًا. ومع ذلك ، فإن العدد الهائل من catoms في هذه الشبكة الموزعة يزيد من تعقيد الإدارة الدقيقة لكل قطة فردية. لذا ، يجب أن تدرك كل الكتل معلومات دقيقة عن الموقع وقيادة التعاون مع جيرانها. في هذه البيئة ، يجب أن تنقل لغة البرامج لعملية المصفوفة بيانات موجزة لأوامر عالية المستوى لكي يتم توزيعها عالميًا. تتطلب لغات برمجة المصفوفة بناء جملة وأسلوب أكثر اختصارًا من لغات البرمجة العادية مثل C ++ و Java.

أنشأ مشروع أبحاث كارنيجي ميلون-إنتل كلايترونيكس لغتين برمويتين جديدتين: المسميات الموزعة والموزعة محليًا (LDP).

أخلط
Meld هي لغة إعلانية ، وهي لغة برمجة منطقية مصممة أصلاً لشبكات تراكب البرمجة. باستخدام برمجة المنطق ، يمكن كتابة رمز مجموعة من الروبوتات من منظور عالمي ، مما يتيح للمبرمج التركيز على الأداء الكلي لمصفوفة claytronics بدلاً من كتابة تعليمات فردية لكل واحد من آلاف إلى ملايين القطة في الفرقة. هذا يبسط بشكل كبير عملية التفكير لبرمجة حركة مصفوفة claytronics.

المسميات الموزعة محليًا (LDP)
LDP هي لغة برمجة تفاعلية. لقد تم استخدامه لتشغيل التصحيح في البحث السابق. مع إضافة لغة تمكن المبرمج من بناء العمليات في تطوير شكل المصفوفة ، يمكن استخدامه لتحليل الظروف المحلية الموزعة. يمكن أن تعمل على مجموعات متصلة من وحدات ذات حجم ثابت توفر وظائف مختلفة لتكوين الدولة. يسمح البرنامج الذي يعالج وحدة ذات حجم ثابت بدلاً من المجموعة الكاملة للمبرمجين بتشغيل مصفوفة claytronic بشكل أكثر تكرارًا وكفاءة. يوفر LDP كذلك وسيلة لمطابقة الأنماط الموزعة. وهو يمكّن المبرمج من التعامل مع مجموعة أكبر من المتغيرات ذات المنطق البوولي ، والتي تمكن البرنامج من البحث عن أنماط أكبر من النشاط والسلوك بين مجموعات الوحدات النمطية.

نقاط المراقبة الموزعة
من الصعب اكتشاف أخطاء الأداء من آلاف إلى ملايين القطرات الفردية ، وبالتالي تتطلب عمليات مصفوفة claytronics عملية ديناميكية وموجهة ذاتياً لتحديد الأخطاء وتصحيح الأخطاء. طور باحثو كلايترونيكس موزعة نقاط المراقبة ، وهي طريقة على مستوى الخوارزمية للكشف عن الأخطاء التي لم تتم معالجتها بواسطة تقنيات التصحيح التقليدية. أنه ينشئ العقد التي تتلقى المراقبة لتحديد صلاحية الشروط الموزعة. يوفر هذا الأسلوب مجموعة بسيطة وغريبة للغاية من القواعد لتقييم الظروف الموزعة ويثبت فعاليتها في اكتشاف الأخطاء.

خوارزميات
وهناك فئتان مهمتان من خوارزميات claytronics هما خوارزميات النحت والتوطين. الهدف النهائي للبحوث claytronics هو خلق الحركة الديناميكية في الوضعيات ثلاثية الأبعاد. تتطلب جميع الأبحاث حول حركة الكرات ، والتشغيل الجماعي ، وتخطيط الحركة الهرمية ، خوارزميات منحوتة الشكل لتحويل الكامات إلى البنية الضرورية ، والتي ستعطي القوة الهيكلية وحركة السوائل إلى المجموعة الديناميكية. وفي الوقت نفسه ، تمكن خوارزميات التوطين Catoms من توطين مواقعها في مجموعة. يجب أن توفر خوارزمية التوطين معرفة علائقية دقيقة للقطط إلى المصفوفة بأكملها على أساس الملاحظة الصاخبة بطريقة موزعة بالكامل.

التطبيقات المستقبلية
ومع استمرار تطور قدرات الحوسبة ، تتقلص الوحدات الآلية ، وتصبح claytronics مفيدة في العديد من التطبيقات. تطبيق متميز من claytronics هو طريقة جديدة للاتصال. سوف تقدم Claytronics معنى أكثر واقعية للاتصال عبر مسافات طويلة تسمى pario. على غرار الطريقة التي يوفر بها الصوت والفيديو التحفيز السمعي والبصري ، يوفر pario إحساسًا سمعيًا ومرئيًا وفيزيائيًا. سيتمكن المستخدم من سماع ورؤية ولمس الشخص الذي يتواصل معهم بطريقة واقعية. يمكن استخدام Pario بفعالية في العديد من التخصصات المهنية من التصميم الهندسي ، والتعليم والرعاية الصحية إلى الأنشطة الترفيهية والترفيهية مثل ألعاب الفيديو.

إن التقدم في تكنولوجيا النانو والحوسبة اللازمة لكي تصبح claytronics حقيقة واقعة ، ولكن التحديات التي يجب التغلب عليها صعبة ومثيرة للإبداع. في مقابلة أجريت في كانون الأول / ديسمبر 2008 ، قال جايسون كامبل ، الباحث الرئيسي في شركة إنتل لابز بيتسبيرج ، “إن تقديراتي عن المدة التي سيستغرقها ذلك قد انتقلت من 50 عامًا إلى بضع سنوات أخرى. لقد تغير ذلك على مدار أربع سنوات أنا أعمل على المشروع “.