Claytronicsは、ナノスケールのロボットとコンピュータサイエンスを組み合わせて、クレイトロニックアトム（claytronic atoms）と呼ばれる個々のナノメートルスケールのコンピュータを作成し、お互いに相互作用してユーザーが相互作用できる具体的な3Dオブジェクトを形成する抽象的な将来のコンセプトです。この考え方は、より広義にはプログラマブル・マテリアルと呼ばれています。クレイトロニクスは、電気通信、ヒューマン・コンピュータ・インターフェース、エンターテイメントなど、多くの日常生活に大きな影響を与える可能性があります。

特性

小
クレイトロニクスのサイズは、可鍛性マクロボディの解像度と詳細を決定します。Catomは可能な限り最も速い移動度でもっとも近いパッキングを可能な限り球形にしています。

非自律的なモビリティ
Catomは動いている部品の助けを借りて動くのではなく、原子のように、電磁気的または静電的プロセスにおいて他の猫との結合に入る。クレイトロニクスは相互作用を通して相互に移動する。最も単純なケースでは、小さな電磁石がステッピングモーターのようにCatomに埋め込まれています。
可動部品を排除することにより、クレイトロニクスは従来のナノボットよりも耐久性が高く、安価で、大量生産が容易です。さらに、彼らは、（割り当てられた生息地で）はるかに効率的かつ迅速に整列し移動することができます。

非自律的エネルギー供給
Catomは独自のエネルギー供給ユニットを持ち歩いていませんが、他の人が提供できる必要があります。問題の外側からのエネルギー供給は、CatomからCatomに渡されます。

自律的インテリジェンスと特殊スキル
Catomには独自のセンサがあり、独自のナノコンピュータやその他のナノエレクトロニクス機能を搭載しています。例えば、光電池を埋め込むことによって、感光性クレートロニックが考えられ、その結果、アンサンブルの1つの目は1つの目をエミュレートすることができる。例えば、LEDを埋め込むことによって、クレイトロニックは色を採用することができる。各Catomは必要以上に能力がありません。また、すべてのクレイトロニックが同じ能力を持っているわけではありません。

クレイトロニクス通信
クレイトロニクスは非自明に通信する必要があります。このコミュニケーションがどのように創造されるかは、プロジェクトの特別な研究課題です。Catomのマクロボディは数十億のcatomsで構成され、各Catomは最大6人の隣人にリンクしています。従来の通信構造とは対照的に、単一のクレイトロニクスのアイデンティティは、しばしば面白くないが基本的なものではない。

合成レプリカの作成
3Dモーションキャプチャなど、テンプレートとイメージをデジタルモデルとしてキャプチャします。
3D画像をDPR互換の仕様に変換し、場合によっては遠隔送信に変換する。
Catomの問題のマクロボディをレンダリングします。

最新の研究
現在の研究では、モジュラー再構成可能ロボットと、「形状変化」ロボットを制御するために必要な複雑なソフトウェアの可能性を模索しています。「ローカルに分散された述語またはLDPは、モジュール式再構成可能なロボットシステム（MRR）をプログラミングするための分散された高水準言語です。各モジュールに対応する自由度のために、多数のディスクリートモジュールシステムのプログラミングおよび制御には多くの課題があります。たとえば、1つの編成から別の編成に再構成するには、2つの図形がわずかに異なっていても複雑な一連のコマンドによって制御される複雑な移動経路が必要になる場合があります。

2005年には、ハードウェアコンセプトを開発するための研究努力がミリメートルスケールで成功し、直径44ミリメートルの円柱形試作品が電磁吸引によって相互に作用していました。彼らの実験は、研究者が物体間の質量と潜在力との関係を、「質量に対して力の100倍の増加に換算すべきサイズの10倍の縮小」として検証するのを助けた。このプロトタイプの概念の最近の進歩は、モジュール間の電磁吸引力と反発力を制御する複雑なソフトウェアを使用して相互に協力する、フォトリソグラフィーによって薄膜上に製造された1ミリメートル直径の円筒形ロボットの形態である。

今日、ペンシルベニア州ピッツバーグのCarnegie Mellon大学で、Todd C. Mowry教授、Seth Goldstein教授、大学院生、大学院生、インテルラボラトリーズピッツバーグの研究者からなるチームによって、クレイトロニックに関する広範な研究と実験が行われています。

ハードウェア
プログラマブル・マターの背後にある原動力は、どのような形式にしてもそれを操作している実際のハードウェアです。クレートロニクスは、クレイトロニックアトム（claytronic atoms）またはカテムス（catoms）と呼ばれる個々の成分の集合からなる。実行可能になるためには、Catomsは一連の基準に適合する必要があります。第1に、catombは、互いに対して3次元で移動し、互いを接着して3次元形状を形成することができる必要がある。第二に、猫はアンサンブルでお互いにコミュニケーションをとり、お互いに助けを借りて状態情報を計算できる必要があります。基本的に、Catomsは、CPU、通信用のネットワークデバイス、単一のピクセルディスプレイ、複数のセンサー、車載バッテリー、お互いを守る手段で構成されています。

現在の猫
カーネギーメロン大学（Carnegie Mellon University）の研究者たちは、さまざまなカタモムのプロトタイプを開発しました。これらは小さなキューブから巨大なヘリウムバルーンまでさまざまです。開発者が猫がなることを望むものに最も似ているプロトタイプは、平面的な猫である。これらは直径44mmのシリンダーの形をしています。これらのシリンダには、シリンダの円周に沿って一連の積層リングに配置された24個の電磁石が装備されている。互いの表面に沿って回転するように磁石を協調的に有効または無効にすることにより、運動が達成される。一度に1つの磁石だけが励磁されます。これらのプロトタイプは、2つのユニットの分離、別の接点への移動、およそ100ミリ秒程度の再結合で、非常に素早く再構成することができます。シリンダーの底にあるピックアップフィートを使用して、カテムに電力が供給されます。

今後のデザイン
現在の設計では、乳房は、互いに相対的に2次元でしか移動することができない。未来の猫は互いに対して3次元で動くことが要求される。研究者の目標は、量産性を可能にするために、可動部分のないミリメートルスケールのキャットムを開発することである。これらのマイクロロボットの何百万も、光の色と強度を変えることができ、動的な物理的レンダリングが可能になります。設計の目標は、アンサンブル全体が高機能になるように、アンサンブルの一部として機能するだけのシンプルなカテムを作成することに移行しました。

Catombが縮小されると、それに電力を供給するのに十分な車載バッテリがCatom自体のサイズを超えるため、代替のエネルギーソリューションが望まれます。エネルギー輸送の手段としてのCatom-to-catom接触を利用して、アンサンブル内のすべての猫に力を与える研究が行われている。探究されている可能性のある1つの可能性は、正と負の電極を備えた特別なテーブルを使用し、 “仮想ワイヤー”を介してカテーテルを通して内部的に電力を送ることです。

もう1つの主要な設計上の課題は、再構成時間を最小限に保つために、catoms用のジェンダーレス単項コネクタを開発することです。ナノファイバーはこの課題に対して可能な解決策を提供する。ナノファイバーは小スケールで大きな接着を可能にし、乳房が静止しているときに最小限の電力消費を可能にする。

ソフトウェア
何千万ものサブミリメートルスケールの猫の間のコミュニケーションと行動のすべてを組織するには、高度なアルゴリズムとプログラミング言語の開発が必要です。Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Labの研究者とエンジニアは、Catomb間の通信を容易にするために必要なソフトウェアを開発するための幅広いプロジェクトを開始しました。最も重要なプロジェクトは、粘土工学のためにより効率的に機能する新しいプログラミング言語を開発することです。クレイトロニクスマトリックスの目的は、動的に3次元形状を形成することです。しかし、この分散型ネットワークの膨大な数のCatomsは、個々のCatomのマイクロ管理の複雑さを増しています。だから、それぞれの猫は、正確な位置情報とその隣人との協力の命令を知覚しなければならない。この環境では、行列演算のためのソフトウェア言語は、普遍的に分散されるために高水準のコマンドの簡潔な記述を伝えなければならない。行列をプログラムする言語は、C ++やJavaなどの通常のプログラミング言語よりも簡略化された構文とスタイルのコマンドを必要とします。

カーネギーメロン – インテルクレイトロニクス研究プロジェクトでは、Meldとローカル分散述語（LDP）という2つの新しいプログラミング言語が作成されました。

Meld
Meldは宣言型言語であり、もともとオーバレイネットワークをプログラミングするために設計された論理プログラミング言語です。ロジックプログラミングを使用することにより、ロボットのアンサンブルのコードをグローバルな観点から書くことができ、プログラマーはクレイトロニクスマトリックス全体のパフォーマンスに集中することができ、数千から数百万のカタムムアンサンブル。これはクレイトロニクスマトリックスの動きをプログラムする思考プロセスを劇的に簡素化します。

ローカル分散述語（LDP）
LDPはリアクティブプログラミング言語です。初期の研究でデバッグを開始するために使用されています。プログラマが行列の形の開発において操作を構築することを可能にする言語の追加により、分散された局所条件を分析するために使用することができる。固定サイズの接続されたモジュールのグループで動作し、状態構成のさまざまな機能を提供します。アンサンブル全体ではなく固定サイズのモジュールに対処するプログラムは、プログラマーがクレイトロニックマトリックスをより頻繁かつ効率的に操作できるようにします。LDPは、分散パターンを照合する手段を提供します。プログラマは、ブール論理を使用してより大きな変数セットを扱うことができます。これにより、プログラムは、モジュールのグループ間でより大きなパターンのアクティビティおよび動作を検索できます。

分散ウォッチポイント
数千から数百万の個々のキャットムのパフォーマンスエラーは検出およびデバッグが難しいため、クレイトロニックマトリックス操作では、エラーを特定してデバッグするための動的で自己決定的なプロセスが必要です。Claytronicsの研究者は、分散型ウォッチポイントを開発しました。これは、従来のデバッグ手法では見逃したエラーを検出して修正するアルゴリズムレベルの手法です。それは、分散状態の有効性を判断するためにサーベイランスを受けるノードを確立する。このアプローチは、分散条件を評価するための簡単で高度に記述的なルールセットを提供し、エラーの検出に効果的であることを証明します。

アルゴリズム
クレイトロニックアルゴリズムの2つの重要なクラスは、シェイプスカルプトとローカライズアルゴリズムです。クレイトロニクス研究の究極の目標は、3次元ポーズで動的な動きを作り出すことです。Catomモーション、集合的アクチュエーション、階層的モーションプランニングに関するすべての研究では、カタモムを必要な構造に変換するシェイプ彫刻アルゴリズムが必要となり、構造的強度と動的アンサンブルへの流体移動が可能になります。一方、ローカリゼーションアルゴリズムを使用すると、カテムはアンサンブル内の位置をローカライズできます。ローカリゼーションアルゴリズムは、完全に分散した方法で雑音の多い観測に基づいて行列全体に対する正確な関係知識を提供する必要があります。

将来のアプリケーション
コンピューティングの能力が発展し続け、ロボットモジュールが縮小するにつれて、クレイトロニクスは多くのアプリケーションで有用になります。クレイトロニクスの特色あるアプリケーションは、新しいコミュニケーションモードです。Claytronicsはparioと呼ばれる長距離通信にもっと現実的な感覚を提供します。オーディオおよびビデオが聴覚および視覚刺激を提供するのと同様に、パリオは聴覚、視覚および肉感を提供する。ユーザーは、現実的なやり方でそれらと通信しているものを聴いたり、見たり触ったりすることができます。Parioは、エンジニアリングデザイン、教育、医療、ビデオゲームなどのエンターテインメントやレジャーアクティビティなど、多くの専門分野で効果的に使用できます。

クレイトロニクスが現実のものとなるために必要なナノテクノロジーとコンピューティングの進歩は実現可能ですが、克服する課題は困難であり、大きな革新を必要とします。Intel Labsのピッツバーグのリード研究者Jason Campbell氏は、2008年12月のインタビューで、「どのくらいの時間がかかっているかについての私の見積もりは、50年からわずか数年にまで減少した。私はこのプロジェクトに取り組んできました。