Claytronics

Claytronics ist ein abstraktes Zukunftskonzept, das nanoskalige Robotik und Informatik kombiniert, um individuelle Nanometer-Computer, so genannte Claytronic-Atome oder Katoms, zu schaffen, die miteinander interagieren können, um konkrete 3D-Objekte zu bilden, mit denen ein Benutzer interagieren kann. Diese Idee wird allgemein als programmierbare Angelegenheit bezeichnet. Claytronics hat das Potenzial, viele Bereiche des täglichen Lebens stark zu beeinflussen, wie Telekommunikation, Mensch-Computer-Schnittstellen und Unterhaltung.

Eigenschaften

Kleinheit
Die Größe der Tontonik bestimmt die Auflösung und Detailgenauigkeit des verformbaren Makrokörpers. Für die dichteste Packung mit größtmöglicher Mobilität ist ein Catom so sphärisch wie möglich.

Nicht autonome Mobilität
Ein Catom bewegt sich nicht mit Hilfe beweglicher Teile, sondern bindet sich wie ein Atom in elektromagnetischen oder elektrostatischen Prozessen mit anderen Catooms. Claytronics bewegen sich wechselseitig durch Wechselwirkungen. Im einfachsten Fall sind kleine Elektromagnete wie ein Schrittmotor in das Catom eingebettet.
Durch den Verzicht auf bewegliche Teile ist Claytronics haltbarer, kostengünstiger und einfacher in großen Mengen herzustellen als herkömmliche Nanobots. Darüber hinaus können sie sich viel effizienter und schneller ausrichten und bewegen (in ihrem zugewiesenen Lebensraum).

Nicht autonome Energieversorgung
Ein Catom trägt keine eigene Energieversorgungseinheit mit sich, sondern muss von anderen versorgt werden können. Die Energieversorgung von außerhalb der Materie wird von Catom an Catom weitergegeben.

Autonome Intelligenz und besondere Fähigkeiten
Ein Catom verfügt über eigene Sensoren, trägt einen eigenen Nano-Computer oder andere nanoelektronische Fähigkeiten in sich. Durch das Einbetten von Fotozellen sind beispielsweise lichtempfindliche Tontronsysteme denkbar, so dass ein Ensemble von Katomen ein Auge emulieren kann. Durch das Einbetten von LEDs kann Claytronics beispielsweise eine Farbe annehmen. Jeder Catom hat nicht mehr Fähigkeiten als nötig und nicht alle Claytronics haben die gleichen Fähigkeiten.

Claytronics Kommunikation
Claytronics müssen nicht unerheblich kommunizieren. Wie diese Kommunikation entstehen könnte, ist ein besonderes Forschungsthema des Projekts. Eine Besonderheit ist, dass ein Catom-Makrokörper aus Milliarden von Katoms besteht, von denen jedes mit bis zu sechs Nachbarn verknüpft ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kommunikationsstrukturen ist die Identität einer einzelnen Claytronics oft uninteressant, aber nicht grundlegend.

Synthetische Replik gestalten
Erfassen Sie die Vorlage und das Bild als digitales Modell, z. B. durch 3D-Bewegungserfassung.
Konvertieren des 3D-Bildes in DPR-kompatible Spezifikationen und möglicherweise Fernübertragung.
Übertragen Sie den Makrokörper der Catom-Angelegenheit.

Aktuelle Forschung
Die aktuelle Forschung erforscht das Potenzial der modularen rekonfigurierbaren Robotik und der komplexen Software, die zur Steuerung der “Shape-Changing” -Roboter erforderlich ist. “Lokal verteilte Prädikate oder LDP ist eine verteilte Hochsprache zur Programmierung modularer rekonfigurierbarer Robotersysteme (MRRs).” Das Programmieren und Steuern einer großen Anzahl diskreter modularer Systeme ist aufgrund der Freiheitsgrade, die jedem Modul entsprechen, mit vielen Herausforderungen verbunden. Die Neukonfiguration von einer Formation in eine ähnliche kann beispielsweise einen komplexen Bewegungspfad erfordern, der durch eine komplizierte Befehlsfolge gesteuert wird, auch wenn sich die beiden Formen geringfügig unterscheiden.

Im Jahr 2005 waren Forschungsanstrengungen zur Entwicklung eines Hardwarekonzepts im Millimetermaßstab erfolgreich, und es wurden zylindrische Prototypen mit einem Durchmesser von 44 Millimetern hergestellt, die über elektromagnetische Anziehungskraft miteinander interagieren. Ihre Experimente halfen den Forschern, die Beziehung zwischen Masse und potentieller Kraft zwischen Objekten als “eine 10-fache Verkleinerung der Größe [die] sollte sich in einer 100-fachen Zunahme der Kraft relativ zur Masse” verifizieren. Jüngste Fortschritte in diesem Prototypenkonzept liegen in der Form von zylindrischen Robotern mit einem Durchmesser von einem Millimeter Durchmesser, die durch Fotolithografie auf einem dünnen Film hergestellt werden und mit komplexer Software, die die elektromagnetische Anziehung und Abstoßung zwischen Modulen steuert, miteinander kooperieren.

Heute wird an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania, ein Forscherteam, bestehend aus den Professoren Todd C. Mowry, Seth Goldstein, Doktoranden und Studenten der Intel Labs Pittsburgh, umfangreiche Forschungen und Experimente mit Claytronics durchführen.

Hardware
Die treibende Kraft hinter der programmierbaren Sache ist die eigentliche Hardware, die sich selbst in jede gewünschte Form manipuliert. Claytronics besteht aus einer Sammlung einzelner Komponenten, den sogenannten Claytronischen Atomen oder Katomen. Um lebensfähig zu sein, müssen Katoms eine Reihe von Kriterien erfüllen. Erstens müssen Katoms in der Lage sein, sich in drei Dimensionen relativ zueinander zu bewegen und in der Lage zu sein, sich zu einer dreidimensionalen Form zu verbinden. Zweitens müssen die Katoms in der Lage sein, in einem Ensemble miteinander zu kommunizieren und Zustandsinformationen zu berechnen, möglicherweise mit Unterstützung voneinander. Grundsätzlich besteht Katoms aus einer CPU, einem Netzwerkgerät für die Kommunikation, einer einzelnen Pixelanzeige, mehreren Sensoren, einer Bordbatterie und einem Mittel, um aneinander zu haften.

Aktuelle Katoms
Die Forscher der Carnegie Mellon University haben verschiedene Prototypen von Katoms entwickelt. Diese variieren von kleinen Würfeln bis zu riesigen Heliumballons. Der Prototyp, der am ehesten so ist, wie die Entwickler hoffen, dass Catoms werden, ist der Planar Catom. Diese haben die Form von Zylindern mit einem Durchmesser von 44 mm. Diese Zylinder sind mit 24 Elektromagneten ausgestattet, die entlang des Zylinderumfangs in einer Reihe übereinander angeordneter Ringe angeordnet sind. Bewegung wird erreicht, indem die Katoms die Magnete gemeinsam aktivieren und deaktivieren, um an den Oberflächen des anderen zu rollen. Es wird jeweils nur ein Magnet pro Katom erregt. Diese Prototypen können sich ziemlich schnell rekonfigurieren, wobei die Entkopplung von zwei Einheiten, die Bewegung zu einem anderen Kontaktpunkt und die Rekupplung nur etwa 100 ms dauern. Die Stromzufuhr zu den Katoms erfolgt über Aufnehmerfüße an der Unterseite des Zylinders.

Zukünftiges Design
Im aktuellen Design können sich die Katoms nur in zwei Dimensionen relativ zueinander bewegen. Zukünftige Katoms werden sich in drei Dimensionen relativ zueinander bewegen müssen. Das Ziel der Forscher ist es, einen Millimeter-Maßstab ohne bewegliche Teile zu entwickeln, um die Massenfertigung zu ermöglichen. Millionen dieser Mikroroboter können variable Farbe und Intensität des Lichts aussenden, was ein dynamisches physikalisches Rendering ermöglicht. Das gestalterische Ziel hat sich dahingehend verschoben, Katome zu schaffen, die so einfach sind, dass sie nur als Teil eines Ensembles funktionieren, wobei das Ensemble als Ganzes zu einer höheren Funktion fähig ist.

Wenn die Katoms verkleinert werden, wird die Größe des Katoms durch eine für die Stromversorgung ausreichende Bordbatterie überschritten, sodass eine alternative Energielösung gewünscht wird. Es wird geforscht, um alle Katome in einem Ensemble mit Strom zu versorgen, wobei der Katom-zu-Katom-Kontakt als Energietransportmittel genutzt wird. Eine Möglichkeit, die erforscht wird, besteht darin, einen speziellen Tisch mit positiven und negativen Elektroden zu verwenden und die Leistung intern über “virtuelle Drähte” durch die Catoms zu leiten.

Eine weitere große Designherausforderung wird die Entwicklung eines geschlechtslosen unären Verbindungselements für die catoms sein, um die Rekonfigurationszeit auf ein Minimum zu beschränken. Nanofasern bieten eine mögliche Lösung für diese Herausforderung. Nanofasern ermöglichen eine gute Haftung im kleinen Maßstab und ermöglichen einen minimalen Stromverbrauch, wenn die Katoms ruhen.

Software
Um die gesamte Kommunikation und Aktionen zwischen Millionen Katoms im Submillimeterbereich zu organisieren, müssen fortgeschrittene Algorithmen und Programmiersprachen entwickelt werden. Die Forscher und Ingenieure des Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab lancierten zahlreiche Projekte zur Entwicklung der erforderlichen Software, um die Kommunikation zwischen den Katomen zu erleichtern. Die wichtigsten Projekte sind die Entwicklung neuer Programmiersprachen, die für Claytronics effizienter arbeiten. Das Ziel einer Claytronics-Matrix besteht darin, dreidimensionale Formen dynamisch zu formen. Die große Anzahl von Katomen in diesem verteilten Netzwerk erhöht jedoch die Komplexität des Mikromanagements jeder einzelnen Katom. Daher muss jeder Catom genaue Positionsinformationen und Befehle zur Zusammenarbeit mit seinen Nachbarn wahrnehmen. In dieser Umgebung Die Softwaresprache für die Matrixoperation muss präzise Anweisungen von übergeordneten Befehlen vermitteln, um universell verteilt zu werden. Sprachen zum Programmieren einer Matrix erfordern eine abgekürzte Syntax und einen anderen Befehlsstil als normale Programmiersprachen wie C ++ und Java.

Das Carnegie Mellon-Intel Claytronics-Forschungsprojekt hat zwei neue Programmiersprachen geschaffen: Meld und Locally Distributed Predicates (LDP).

Meld
Meld ist eine deklarative Sprache, eine logische Programmiersprache, die ursprünglich für die Programmierung von Overlay-Netzwerken entwickelt wurde. Durch die Verwendung von Logikprogrammierung kann der Code für ein Roboter-Ensemble aus einer globalen Perspektive geschrieben werden, so dass sich der Programmierer auf die Gesamtleistung der Claytronics-Matrix konzentrieren kann, anstatt einzelne Anweisungen für jeden der Tausende bis Millionen von Katoms in der Datenbank zu schreiben Ensemble. Dies vereinfacht den Denkprozess für die Programmierung der Bewegung einer Claytronics-Matrix erheblich.

Lokal verteilte Prädikate (LDP)
LDP ist eine reaktive Programmiersprache. Es wurde verwendet, um das Debuggen in früheren Untersuchungen auszulösen. Durch das Hinzufügen einer Sprache, die es dem Programmierer ermöglicht, Operationen bei der Entwicklung der Form der Matrix zu erstellen, können mit ihm die verteilten lokalen Bedingungen analysiert werden. Es kann mit fest verbundenen Modulgruppen betrieben werden, die verschiedene Funktionen der Statuskonfiguration bieten. Ein Programm, das ein Modul mit fester Größe und nicht das gesamte Ensemble anspricht, ermöglicht es Programmierern, die claytronic-Matrix häufiger und effizienter zu bedienen. LDP bietet außerdem ein Mittel zum Abgleichen verteilter Muster. Es ermöglicht dem Programmierer, einen größeren Satz von Variablen mit boolescher Logik zu adressieren, wodurch das Programm nach größeren Mustern von Aktivitäten und Verhalten zwischen Modulgruppen suchen kann.

Verteilte Überwachungspunkte
Leistungsfehler für Tausende bis Millionen einzelner Kategorien sind schwer zu erkennen und zu debuggen. Daher erfordern Claytronics-Matrixoperationen einen dynamischen und selbstgesteuerten Prozess zum Identifizieren und Debuggen von Fehlern. Claytronics-Forscher haben Distributed Watchpoints entwickelt, einen Ansatz auf Algorithmus-Ebene zum Erkennen und Beheben von Fehlern, die von herkömmlicheren Debugging-Verfahren übersehen werden. Es richtet Knoten ein, die überwacht werden, um die Gültigkeit verteilter Bedingungen zu bestimmen. Dieser Ansatz bietet ein einfaches und hoch beschreibendes Regelwerk zur Bewertung verteilter Bedingungen und erweist sich bei der Erkennung von Fehlern als effektiv.

Algorithmen
Zwei wichtige Klassen von Claytronics-Algorithmen sind Formgestaltungs- und Lokalisierungsalgorithmen. Das ultimative Ziel der Claytronics-Forschung ist die Erzeugung dynamischer Bewegungen in dreidimensionalen Posen. Alle Forschungsarbeiten zu Catom-Bewegung, kollektiver Betätigung und hierarchischer Bewegungsplanung erfordern Algorithmen zur Formgebung, um Katoms in die notwendige Struktur umzuwandeln, die dem dynamischen Ensemble strukturelle Festigkeit und fließende Bewegung verleihen. Mittlerweile ermöglichen Lokalisierungsalgorithmen Katoms, ihre Positionen in einem Ensemble zu lokalisieren. Ein Lokalisierungsalgorithmus sollte der gesamten Matrix ein genaues relationales Wissen über Katome bereitstellen, das auf einer lauten Beobachtung in einer vollständig verteilten Weise basiert.

Zukünftige Anwendungen
Da sich die Fähigkeiten des Computers immer weiter entwickeln und Robotermodule schrumpfen, wird Claytronics für viele Anwendungen nützlich. Die vorgestellte Anwendung von Claytronics ist eine neue Art der Kommunikation. Claytronics bietet ein realistischeres Gefühl für die Kommunikation über große Entfernungen, genannt pario. Ähnlich wie Audio und Video akustische und visuelle Stimulation bieten, sorgt pario für ein akustisches, visuelles und körperliches Gefühl. Ein Benutzer kann den mit ihm kommunizierenden Benutzer auf realistische Weise hören, sehen und berühren. Pario könnte in vielen professionellen Disziplinen effektiv eingesetzt werden, vom Konstruktionsdesign über Bildung und Gesundheitsfürsorge bis hin zu Unterhaltungs- und Freizeitaktivitäten wie Videospielen.

Die Fortschritte in der Nanotechnologie und im Computerwesen, die notwendig sind, damit die Claytronics Wirklichkeit werden kann, sind machbar, aber die zu bewältigenden Herausforderungen sind gewaltig und erfordern große Innovationen. In einem Interview vom Dezember 2008 sagte Jason Campbell, ein führender Forscher der Intel Labs Pittsburgh, “meine Einschätzungen, wie lange dies dauern wird, sind von 50 Jahren auf nur noch ein paar Jahre gegangen. Das hat sich in den vier Jahren geändert Ich habe an dem Projekt gearbeitet “.