Claytronics es un concepto abstracto de futuro que combina robótica a nanoescala y ciencias de la computación para crear computadoras individuales a escala nanométrica llamadas átomos arctrtrónicos, o catoms, que pueden interactuar entre sí para formar objetos tangibles en 3D con los que un usuario puede interactuar. Esta idea se conoce más ampliamente como materia programable. Claytronics tiene el potencial de afectar en gran medida muchas áreas de la vida cotidiana, como las telecomunicaciones, las interfaces hombre-computadora y el entretenimiento.

Caracteristicas

Pequeñez
El tamaño de la claytronics determina la resolución y el detalle del macrobody maleable. Para el embalaje más cercano posible con la mayor movilidad posible, un Catom es lo más esférico posible.

Movilidad no autónoma
Un Catom no se mueve con la ayuda de partes móviles, sino que, como un átomo, se enlaza con otros agentes en procesos electromagnéticos o electrostáticos. Claytronics se mueven mutuamente a través de las interacciones. En el caso más simple, los electroimanes pequeños están incrustados en el Catom como un motor paso a paso.
Al eliminar las partes móviles, claytronics es más duradero, menos costoso y más fácil de producir a granel que los nanobots tradicionales. Además, pueden alinearse y moverse de manera mucho más eficiente y rápida (en su hábitat asignado).

Suministro de energía no autónomo.
Un Catom no lleva consigo su propia unidad de suministro de energía, pero debe poder ser proporcionado por otros. El suministro de energía desde fuera de la materia pasa de Catom a Catom.

Inteligencia autónoma y habilidades especiales.
Un Catom tiene sus propios sensores, lleva su propia nano-computadora u otras capacidades nanoelectrónicas en sí mismo. Al incrustar fotocélulas, por ejemplo, se pueden concebir arcillastrónicas fotosensibles, de modo que un conjunto de catomios puede emular un ojo. Por ejemplo, al incrustar LEDs Claytronics puede adoptar un color. Cada Catom no tiene más habilidades de las necesarias, y no todos los Claytronics tienen las mismas habilidades.

Comunicacion arctronica
Claytronics necesita comunicarse de forma no trivial. Cómo se podría crear esta comunicación es un tema de investigación especial del proyecto. Una peculiaridad es que un macro-cuerpo de Catom consistirá en miles de millones de catoms, cada uno con enlaces a hasta seis vecinos. A diferencia de las estructuras de comunicación convencionales, la identidad de un solo claytronics a menudo no es interesante, pero no es fundamental.

Conformando una réplica sintética
Capture la plantilla y la imagen como un modelo digital, por ejemplo, mediante captura de movimiento 3D.
Convertir la imagen 3D en especificaciones compatibles con DPR y posiblemente transmisión remota.
Renderiza el cuerpo macro de materia catom.

La investigación actual
La investigación actual está explorando el potencial de la robótica reconfigurable modular y el software complejo necesario para controlar los robots que cambian de forma. «Predicados distribuidos localmente o LDP es un lenguaje distribuido de alto nivel para la programación de sistemas modulares de robots reconfigurables (MRR)». Hay muchos desafíos asociados con la programación y el control de un gran número de sistemas modulares discretos debido a los grados de libertad que corresponden a cada módulo. Por ejemplo, la reconfiguración de una formación a otra similar puede requerir un recorrido complejo de movimientos controlados por una serie de comandos intrincados, aunque las dos formas difieran ligeramente.

En 2005, los esfuerzos de investigación para desarrollar un concepto de hardware tuvieron éxito en la escala de milímetros, creando prototipos cilíndricos de 44 milímetros de diámetro que interactúan entre sí a través de la atracción electromagnética. Sus experimentos ayudaron a los investigadores a verificar la relación entre la masa y la fuerza potencial entre los objetos como «una reducción de tamaño de 10 veces [lo que] debería traducirse en un aumento de la fuerza de 100 veces en relación con la masa». Los avances recientes en este concepto de prototipo tienen la forma de robots cilíndricos de un milímetro de diámetro fabricados en una película delgada mediante fotolitografía que cooperarían entre sí utilizando un software complejo que controlaría la atracción electromagnética y la repulsión entre módulos.

Hoy en día, un equipo de investigadores conformado por los profesores Todd C. Mowry, Seth Goldstein, estudiantes graduados y no graduados, e investigadores de Intel Labs Pittsburgh están llevando a cabo una extensa investigación y experimentos con claytronics en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pennsylvania.

Hardware
La fuerza impulsora detrás de la materia programable es el hardware real que se está manipulando en cualquier forma que se desee. Claytronics consiste en una colección de componentes individuales llamados átomos claytronic o catoms. Para ser viables, los catoms deben ajustarse a un conjunto de criterios. En primer lugar, los catoms deben poder moverse en tres dimensiones entre sí y poder adherirse entre sí para formar una forma tridimensional. En segundo lugar, los catoms deben poder comunicarse entre sí en conjunto y ser capaces de computar la información del estado, posiblemente con la ayuda mutua. Fundamentalmente, los catoms consisten en una CPU, un dispositivo de red para la comunicación, una pantalla de un solo píxel, varios sensores, una batería integrada y un medio para adherirse entre sí.

Catoms actuales
Los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han desarrollado varios prototipos de catoms. Estos varían desde pequeños cubos hasta globos gigantes de helio. El prototipo que más se parece a lo que los desarrolladores esperan que se convierta en catoms es el catom plano. Estos toman la forma de cilindros de 44 mm de diámetro. Estos cilindros están equipados con 24 electroimanes dispuestos en una serie de anillos apilados a lo largo de la circunferencia del cilindro. El movimiento se logra mediante la combinación de los catoms que habilitan y deshabilitan los imanes para rodar a lo largo de las superficies de cada uno. Solo se energiza un imán en cada catom a la vez. Estos prototipos son capaces de reconfigurarse con bastante rapidez, ya que el desacoplamiento de dos unidades, el movimiento a otro punto de contacto y el desacoplamiento toman solo unos 100 ms. La energía se suministra a los catoms utilizando patas de recogida en la parte inferior del cilindro.

Diseño futuro
En el diseño actual, los catoms solo pueden moverse en dos dimensiones entre sí. Se requerirá que los futuros catoms se muevan en tres dimensiones entre sí. El objetivo de los investigadores es desarrollar un catom a escala milimétrica sin partes móviles, para permitir la fabricación en masa. Millones de estos microrobots podrán emitir colores e intensidades de luz variables, lo que permitirá una representación física dinámica. El objetivo del diseño se ha desplazado a la creación de catoms que son lo suficientemente simples como para que solo funcionen como parte de un conjunto, con el conjunto como un todo capaz de una función superior.

A medida que los catoms se reducen, una batería incorporada suficiente para alimentar excederá el tamaño del catom en sí, por lo que se desea una solución de energía alternativa. Se están realizando investigaciones para alimentar a todos los catoms en un conjunto, utilizando el contacto catom-a-catom como medio de transporte de energía. Una posibilidad que se está explorando es usar una tabla especial con electrodos positivos y negativos y enrutar la energía internamente a través de catoms, a través de «cables virtuales».

Otro desafío importante del diseño será el desarrollo de un conector único sin género para los catoms con el fin de mantener el tiempo de reconfiguración al mínimo. Las nanofibras proporcionan una posible solución a este desafío. Las nanofibras permiten una gran adhesión a pequeña escala y permiten un consumo mínimo de energía cuando los catoms están en reposo.

Software
La organización de todas las comunicaciones y acciones entre millones de catoms de escala submilimétrica requiere el desarrollo de algoritmos avanzados y lenguajes de programación. Los investigadores e ingenieros de Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab lanzaron una amplia gama de proyectos para desarrollar el software necesario para facilitar la comunicación entre catoms. Los proyectos más importantes son el desarrollo de nuevos lenguajes de programación que funcionen de manera más eficiente para la arcilla troncal. El objetivo de una matriz claytronics es formar dinámicamente formas tridimensionales. Sin embargo, la gran cantidad de catoms en esta red distribuida aumenta la complejidad de la microgestión de cada catom individual. Por lo tanto, cada catom debe percibir información precisa de posición y orden de cooperación con sus vecinos. En este entorno, El lenguaje del software para la operación matricial debe transmitir declaraciones concisas de comandos de alto nivel para poder distribuirse universalmente. Los lenguajes para programar una matriz requieren una sintaxis y un estilo de comando más abreviados que los lenguajes de programación normales, como C ++ y Java.

El Proyecto de Investigación Carnegie Mellon-Intel Claytronics ha creado dos nuevos lenguajes de programación: Meld y Locally Distributed Predicates (LDP).

Meld
Meld es un lenguaje declarativo, un lenguaje de programación lógico diseñado originalmente para programar redes de superposición. Al utilizar la programación lógica, el código para un conjunto de robots puede escribirse desde una perspectiva global, lo que permite al programador concentrarse en el rendimiento general de la matriz de Claytronics en lugar de escribir instrucciones individuales para cada uno de los miles a millones de catoms en el conjunto. Esto simplifica drásticamente el proceso de pensamiento para programar el movimiento de una matriz claytronics.

Predicados distribuidos localmente (LDP)
LDP es un lenguaje de programación reactivo. Se ha utilizado para desencadenar la depuración en la investigación anterior. Con la adición de un lenguaje que permite al programador construir operaciones en el desarrollo de la forma de la matriz, se puede utilizar para analizar las condiciones locales distribuidas. Puede operar en grupos de módulos conectados de tamaño fijo que proporcionan varias funciones de configuración de estado. Un programa que aborda un módulo de tamaño fijo en lugar de un conjunto completo permite a los programadores operar la matriz claytronic con mayor frecuencia y eficiencia. LDP además proporciona un medio para emparejar patrones distribuidos. Permite al programador abordar un conjunto más amplio de variables con lógica booleana, lo que permite al programa buscar patrones más grandes de actividad y comportamiento entre grupos de módulos.

Puntos de vigilancia distribuidos
Los errores de rendimiento de miles a millones de catoms individuales son difíciles de detectar y depurar, por lo tanto, las operaciones de matriz Claytronics requieren un proceso dinámico y autodirigido para identificar y depurar errores. Los investigadores de Claytronics han desarrollado Puntos de observación distribuidos, un enfoque a nivel de algoritmo para detectar y corregir errores omitidos por técnicas de depuración más convencionales. Establece nodos que reciben vigilancia para determinar la validez de las condiciones distribuidas. Este enfoque proporciona un conjunto simple y altamente descriptivo de reglas para evaluar las condiciones distribuidas y resulta eficaz en la detección de errores.

Algoritmos
Dos clases importantes de algoritmos de Claytronics son los algoritmos de escultura y localización de formas. El objetivo final de la investigación de Claytronics es crear un movimiento dinámico en poses tridimensionales. Toda la investigación sobre el movimiento catom, la actuación colectiva y la planificación jerárquica del movimiento requieren algoritmos de escultura de formas para convertir los catoms en la estructura necesaria, lo que le dará fuerza estructural y movimiento fluido al conjunto dinámico. Mientras tanto, los algoritmos de localización permiten a catoms localizar sus posiciones en un conjunto. Un algoritmo de localización debe proporcionar un conocimiento relacional preciso de catómeros a toda la matriz, basado en observaciones ruidosas de manera totalmente distribuida.

Futuras aplicaciones
A medida que las capacidades de la computación continúen desarrollándose y los módulos robóticos se reduzcan, Claytronics se volverá útil en muchas aplicaciones. La aplicación destacada de claytronics es un nuevo modo de comunicación. Claytronics ofrecerá un sentido más realista a la comunicación a larga distancia llamado pario. De manera similar a cómo el audio y el video proporcionan estimulación auditiva y visual, el pario proporciona una sensación auditiva, visual y física. Un usuario podrá escuchar, ver y tocar a la persona que se comunica con ellos de una manera realista. Pario podría ser utilizado de manera efectiva en muchas disciplinas profesionales, desde diseño de ingeniería, educación y atención médica hasta entretenimiento y actividades recreativas como los videojuegos.

Los avances en nanotecnología y computación necesarios para que Claytronics se convierta en una realidad son factibles, pero los desafíos a superar son abrumadores y requerirán una gran innovación. En una entrevista en diciembre de 2008, Jason Campbell, un investigador principal de Intel Labs Pittsburgh, dijo: «mis cálculos sobre cuánto tiempo tomará han pasado de 50 años a solo un par de años más. Eso ha cambiado durante los cuatro años». He estado trabajando en el proyecto «.