Claytronics

Claytronics est un concept futur abstrait qui associe robotique à l’échelle nanométrique et informatique pour créer des ordinateurs individuels à l’échelle nanométrique, appelés atomes Claytronic, ou catoms, qui peuvent interagir pour former des objets 3D tangibles avec lesquels un utilisateur peut interagir. Cette idée est plus largement appelée matière programmable. Claytronics est susceptible d’affecter de nombreux domaines de la vie quotidienne, tels que les télécommunications, les interfaces homme-machine et le divertissement.

Les caractéristiques

Petitesse
La taille de la technologie claytronics détermine la résolution et les détails du macrobody malléable. Pour un emballage le plus étroit possible avec la plus grande mobilité possible, un Catom est aussi sphérique que possible.

Mobilité non autonome
Un Catom ne bouge pas à l’aide de pièces en mouvement, mais, comme un atome, entre en liaison avec d’autres catooms lors de processus électromagnétiques ou électrostatiques. Claytronics se déplacent mutuellement. Dans le cas le plus simple, de petits électroaimants sont intégrés au Catom comme un moteur pas à pas.
En éliminant les pièces en mouvement, claytronics est plus durable, moins coûteux et plus facile à produire en vrac que les nanobots traditionnels. En outre, ils peuvent s’aligner et se déplacer beaucoup plus efficacement et rapidement (dans leur habitat attribué).

Approvisionnement en énergie non autonome
Un Catom ne transporte pas sa propre unité d’alimentation en énergie, mais doit pouvoir être fourni par d’autres. L’approvisionnement en énergie provenant de l’extérieur de la matière est transmis de Catom à Catom.

Intelligence autonome et compétences spéciales
Un Catom a ses propres capteurs, porte lui-même son propre nano-ordinateur ou d’autres capacités nanoélectroniques. En incorporant des cellules photoélectriques, par exemple, des composants électroniques argileux photosensibles sont concevables, de sorte qu’un ensemble de catomiales puisse imiter un œil. Par exemple, en incorporant des LED, Claytronics peut adopter une couleur. Chaque Catom n’a pas plus de capacités que nécessaire, et toutes les technologies claytronics n’ont pas les mêmes capacités.

Communication Claytronics
Claytronics doit communiquer de manière non triviale. La manière dont cette communication pourrait être créée est un sujet de recherche particulier du projet. Une particularité est qu’un macro-corps de Catom sera composé de milliards de catoms, chacun ayant des liens avec jusqu’à six voisins. Contrairement aux structures de communication conventionnelles, l’identité d’une seule Claytronics est souvent sans intérêt, mais elle n’est pas fondamentale.

Façonner une réplique synthétique
Capturez le modèle et l’image en tant que modèle numérique, par exemple par capture de mouvement 3D.
Conversion de l’image 3D en spécifications compatibles DPR et éventuellement transmission à distance.
Rendre le corps macro de la matière de Catom.

Les recherches en cours
Les recherches actuelles explorent le potentiel de la robotique reconfigurable modulaire et des logiciels complexes nécessaires au contrôle des robots à «changement de forme». «Les prédicats distribués localement ou LDP sont un langage distribué de haut niveau pour la programmation de systèmes de robot modulaire reconfigurable (MRR)». La programmation et le contrôle d’un grand nombre de systèmes modulaires discrets posent de nombreux problèmes en raison des degrés de liberté correspondant à chaque module. Par exemple, la reconfiguration d’une formation à une autre similaire peut nécessiter un chemin complexe de mouvements contrôlé par une chaîne complexe de commandes, même si les deux formes diffèrent légèrement.

En 2005, les efforts de recherche visant à développer un concept de matériel ont été couronnés de succès à l’échelle des millimètres, créant des prototypes cylindriques de 44 millimètres de diamètre qui interagissent les uns avec les autres via une attraction électromagnétique. Leurs expériences ont aidé les chercheurs à vérifier la relation entre la masse et la force potentielle entre objets comme «une réduction de 10 fois sa taille [qui] devrait se traduire par une augmentation de 100 fois sa force par rapport à la masse». Les progrès récents de ce concept de prototype prennent la forme de robots cylindriques d’un millimètre de diamètre fabriqués sur film mince par photolithographie et coopérant entre eux à l’aide de logiciels complexes permettant de contrôler l’attraction et la répulsion électromagnétiques entre les modules.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs composée des professeurs Todd C. Mowry, Seth Goldstein, ainsi que de chercheurs d’Intel Labs Pittsburgh, mène des recherches et des expériences approfondies sur la technologie claytronics à l’Université Carnegie Mellon de Pittsburgh, en Pennsylvanie.

Matériel
La force motrice derrière la matière programmable est le matériel réel qui se manipule sous la forme désirée. Claytronics consiste en une collection de composants individuels appelés atomes Claytronic, ou catoms. Pour être viables, les catoms doivent répondre à un ensemble de critères. Premièrement, les catoms doivent pouvoir se déplacer dans trois dimensions les unes par rapport aux autres et pouvoir adhérer les uns aux autres pour former une forme en trois dimensions. Deuxièmement, les catoms doivent pouvoir communiquer les uns avec les autres dans un ensemble et pouvoir calculer les informations d’état, éventuellement avec une assistance réciproque. Fondamentalement, Catoms se compose d’un processeur, d’un périphérique réseau pour la communication, d’un affichage à pixel unique, de plusieurs capteurs, d’une batterie embarquée et d’un moyen de s’adhérer les uns aux autres.

Catoms actuels
Les chercheurs de l’Université Carnegie Mellon ont mis au point divers prototypes de catoms. Celles-ci vont des petits cubes aux ballons géants à l’hélium. Le prototype qui ressemble le plus à ce que les développeurs espèrent que Catoms deviendra est le catom plan. Celles-ci se présentent sous la forme de cylindres de 44 mm de diamètre. Ces cylindres sont équipés de 24 électroaimants disposés en une série d’anneaux empilés le long de la circonférence du cylindre. Le mouvement est obtenu grâce à la coopération mutuelle des catamènes, permettant l’activation et la désactivation des aimants afin de se rouler le long des surfaces. Un seul aimant sur chaque catom est alimenté à la fois. Ces prototypes sont capables de se reconfigurer assez rapidement, avec le découplage de deux unités, le déplacement vers un autre point de contact et un recouplage prenant environ 100 ms. L’alimentation est fournie aux catom en utilisant des pieds de ramassage au bas du cylindre.

Conception future
Dans la conception actuelle, les catoms ne peuvent se déplacer que dans deux dimensions l’une par rapport à l’autre. Les futures générations devront se déplacer dans trois dimensions les unes par rapport aux autres. L’objectif des chercheurs est de développer un catalogue à l’échelle millimétrique sans pièces mobiles, afin de permettre une fabrication en masse. Des millions de ces microrobots pourront émettre des couleurs et des intensités de lumière variables, permettant ainsi un rendu physique dynamique. L’objectif de conception s’est déplacé vers la création de catoms suffisamment simples pour ne fonctionner que dans un ensemble, l’ensemble étant capable de fonctions supérieures.

Au fur et à mesure que les catoms sont réduits, une batterie embarquée suffisante pour l’alimenter dépassera la taille du catome lui-même, une solution d’énergie alternative est donc souhaitée. Des recherches sont en cours pour alimenter toutes les catégories d’un ensemble, en utilisant le contact de catom à catom comme moyen de transport d’énergie. L’une des possibilités envisagées est d’utiliser une table spéciale avec des électrodes positives et négatives et d’acheminer l’alimentation en interne à travers les catoms, via des «fils virtuels».

Un autre défi de conception majeur consistera à développer un connecteur unaire sans sexe pour les catoms afin de réduire au minimum le temps de reconfiguration. Les nanofibres offrent une solution possible à ce défi. Les nanofibres permettent une grande adhésion à petite échelle et permettent une consommation d’énergie minimale lorsque les catom sont au repos.

Logiciel
Organiser l’ensemble de la communication et des actions entre des millions de catoms à une échelle inférieure au millimètre nécessite le développement d’algorithmes avancés et de langages de programmation. Les chercheurs et ingénieurs du laboratoire de recherche Carnegie Mellon-Claytronics-Intel ont lancé un large éventail de projets visant à développer les logiciels nécessaires pour faciliter la communication entre les catomes. Les projets les plus importants développent de nouveaux langages de programmation qui fonctionnent plus efficacement pour Claytronics. Le but d’une matrice claytronics est de former dynamiquement des formes tridimensionnelles. Cependant, le grand nombre de catégories de ce réseau distribué accroît la complexité de la micro-gestion de chaque catalogue. Ainsi, chaque catalogue doit percevoir des informations de position précises et une bonne coopération avec ses voisins. Dans cet environnement, Le langage logiciel utilisé pour l’opération de matrice doit contenir des instructions concises de commandes de haut niveau pour pouvoir être distribué universellement. Les langages pour programmer une matrice nécessitent une syntaxe et un style de commande plus abrégés que les langages de programmation normaux tels que C ++ et Java.

Le projet de recherche Carnegie Mellon-Intel Claytronics a créé deux nouveaux langages de programmation: les mélanges fondus et les prédicats distribués localement (LDP).

Fusion
Meld est un langage déclaratif, un langage de programmation logique conçu à l’origine pour la programmation de réseaux superposés. En utilisant la programmation logique, le code d’un ensemble de robots peut être écrit dans une perspective globale, ce qui permet au programmeur de se concentrer sur les performances globales de la matrice claytronics plutôt que d’écrire des instructions individuelles pour chacune des milliers à des millions de ensemble. Cela simplifie considérablement le processus de pensée pour la programmation du mouvement d’une matrice Claytronics.

Prédicats distribués localement (LDP)
LDP est un langage de programmation réactif. Il a été utilisé pour déclencher le débogage dans les recherches précédentes. Avec l’ajout d’un langage qui permet au programmeur de construire des opérations lors du développement de la forme de la matrice, il peut être utilisé pour analyser les conditions locales distribuées. Il peut fonctionner sur des groupes de modules connectés, de taille fixe, fournissant diverses fonctions de configuration d’état. Un programme qui s’adresse à un module de taille fixe plutôt qu’à l’ensemble complet permet aux programmeurs d’exploiter la matrice claytronic plus fréquemment et plus efficacement. LDP fournit en outre un moyen de faire correspondre les modèles distribués. Il permet au programmeur de traiter un plus grand ensemble de variables avec la logique booléenne, ce qui permet au programme de rechercher des modèles d’activité et de comportement plus larges parmi des groupes de modules.

Points de vue distribués
Il est difficile de détecter et de déboguer les erreurs de performances de milliers à des millions de types de catoms individuels. Par conséquent, les opérations de la matrice Claytronics nécessitent un processus dynamique et autonome pour l’identification des erreurs et le débogage. Les chercheurs de Claytronics ont mis au point Distributed Watchpoints, une approche au niveau de l’algorithme permettant de détecter et de réparer les erreurs omises par les techniques de débogage plus classiques. Il établit des noeuds qui reçoivent une surveillance pour déterminer la validité des conditions distribuées. Cette approche fournit un ensemble de règles simple et très descriptif pour évaluer les conditions distribuées et s’avère efficace dans la détection des erreurs.

Algorithmes
Les algorithmes de claytronics constituent deux classes importantes: les algorithmes de sculpture de forme et de localisation. Le but ultime de la recherche sur Claytronics est de créer un mouvement dynamique dans des poses tridimensionnelles. Toutes les recherches sur le mouvement de catom, l’actionnement collectif et la planification de mouvement hiérarchique nécessitent des algorithmes de sculpture de forme afin de convertir les catames en une structure nécessaire, ce qui donnera à l’ensemble dynamique force et structure. Parallèlement, les algorithmes de localisation permettent aux utilisateurs de localiser leurs positions dans un ensemble. Un algorithme de localisation devrait fournir une connaissance relationnelle précise des catoms à l’ensemble de la matrice en se basant sur l’observation bruyante de manière totalement distribuée.

Applications futures
À mesure que les capacités informatiques continuent de se développer et que les modules robotiques se réduisent, Claytronics deviendra utile dans de nombreuses applications. L’application en vedette de claytronics est un nouveau mode de communication. Claytronics offrira un sens plus réaliste à la communication à longue distance appelé pario. Semblable à la façon dont l’audio et la vidéo fournissent une stimulation auditive et visuelle, Pario procure une sensation auditive, visuelle et physique. Un utilisateur pourra entendre, voir et toucher celui qui communique avec eux de manière réaliste. Pario pourrait être utilisé efficacement dans de nombreuses disciplines professionnelles, allant de la conception technique à l’éducation, aux soins de santé, en passant par les loisirs et les loisirs, tels que les jeux vidéo.

Les avancées en nanotechnologie et en informatique nécessaires pour que la technologie Claytronics devienne une réalité sont réalisables, mais les défis à relever sont considérables et nécessiteront une grande innovation. Dans une interview de décembre 2008, Jason Campbell, chercheur principal chez Intel Labs Pittsburgh, a déclaré: « Mes estimations du temps que cela va prendre vont passer de 50 ans à quelques années supplémentaires. Cela a changé au cours des quatre dernières années. J’ai travaillé sur le projet « .