Claytronics

Claytronics é um conceito abstrato futuro que combina robótica em nanoescala e ciência da computação para criar computadores em escala nanométrica individuais chamados átomos claytronic, ou catoms, que podem interagir uns com os outros para formar objetos 3D tangíveis com os quais um usuário pode interagir. Essa ideia é mais amplamente referida como matéria programável. A Claytronics tem o potencial de afetar significativamente muitas áreas da vida cotidiana, como telecomunicações, interfaces homem-computador e entretenimento.

Características

Pequenez
O tamanho da argilatronica determina a resolução e o detalhe do macrocorpo maleável. Para a embalagem mais próxima possível com a maior mobilidade possível, um Catom é tão esférico quanto possível.

Mobilidade não autônoma
Um Catom não se move com a ajuda de partes móveis, mas, como um átomo, entra em ligações com outros catooms em processos eletromagnéticos ou eletrostáticos. A claytrônica se move através de interações mutuamente. No caso mais simples, pequenos eletroímãs são embutidos no Catom como um motor de passo.
Ao eliminar partes móveis, a claytronics é mais durável, menos dispendiosa e mais fácil de produzir a granel do que os nanobots tradicionais. Além disso, eles podem se alinhar e se mover de maneira muito mais eficiente e rápida (em seu habitat designado).

Fornecimento de energia não autônoma
Um Catom não carrega consigo sua própria unidade de fornecimento de energia, mas deve poder ser fornecido por outras pessoas. O fornecimento de energia de fora da matéria é passado de Catom para Catom.

Inteligência autônoma e habilidades especiais
A Catom tem seus próprios sensores, carrega seu próprio nano-computador ou outros recursos nanoeletrônicos em si. Incorporando fotocélulas, por exemplo, são possíveis os claytronics fotossensíveis, de modo que um conjunto de catomiais possa imitar um olho. Por exemplo, incorporando LEDs, a claytronics pode adotar uma cor. Cada Catom não tem mais habilidades do que o necessário, e nem todos os claytronics têm as mesmas habilidades.

Comunicação Claytronics
A claytronics precisa se comunicar de maneira não trivial. Como esta comunicação poderia ser criada é um assunto de pesquisa especial do projeto. Uma peculiaridade é que um macro-corpo Catom consistirá de bilhões de catoms, cada um com links para até seis vizinhos. Em contraste com as estruturas de comunicação convencionais, a identidade de uma única argilatronica é geralmente desinteressante, mas não fundamental.

Moldando uma réplica sintética
Capture o modelo e a imagem como um modelo digital, por exemplo, por captura de movimento 3D.
Convertendo a imagem 3D em especificações compatíveis com DPR e, possivelmente, transmissão remota.
Renderize o corpo macro da matéria Catom.

Pesquisa atual
A pesquisa atual está explorando o potencial da robótica modular reconfigurável e o complexo software necessário para controlar os robôs que mudam de forma. “Predicados Distribuídos Localmente ou LDP é uma linguagem distribuída de alto nível para programação de sistemas de robôs reconfiguráveis ​​modulares (MRRs)”. Há muitos desafios associados à programação e ao controle de um grande número de sistemas modulares discretos devido aos graus de liberdade que correspondem a cada módulo. Por exemplo, a reconfiguração de uma formação para uma similar pode exigir um caminho complexo de movimentos controlados por uma intricada seqüência de comandos, embora as duas formas sejam ligeiramente diferentes.

Em 2005, os esforços de pesquisa para desenvolver um conceito de hardware foram bem-sucedidos na escala de milímetros, criando protótipos cilíndricos de 44 milímetros de diâmetro que interagem entre si por atração eletromagnética. Seus experimentos ajudaram os pesquisadores a verificar a relação entre massa e força potencial entre os objetos como “uma redução de 10 vezes no tamanho [que] deve se traduzir em um aumento de 100 vezes na força em relação à massa”. Avanços recentes neste conceito de protótipo estão na forma de robôs cilíndricos de um milímetro de diâmetro fabricados em um filme fino por fotolitografia que cooperaria entre si usando um software complexo que controlaria a atração eletromagnética e a repulsão entre os módulos.

Hoje, extensas pesquisas e experimentos com claytronics estão sendo realizados na Universidade Carnegie Mellon, em Pittsburgh, Pensilvânia, por uma equipe de pesquisadores formada pelos professores Todd C. Mowry, Seth Goldstein, estudantes de graduação e pós-graduação e pesquisadores da Intel Labs Pittsburgh.

Hardware
A força motriz por trás da matéria programável é o hardware real que está se manipulando em qualquer forma que seja desejada. Claytronics consiste em uma coleção de componentes individuais chamados átomos claytronic, ou catoms. Para ser viável, os catoms precisam ajustar um conjunto de critérios. Primeiro, os catoms precisam ser capazes de se mover em três dimensões em relação um ao outro e ser capazes de aderir uns aos outros para formar uma forma tridimensional. Em segundo lugar, os catoms precisam ser capazes de se comunicar uns com os outros em um conjunto e serem capazes de computar informações de estado, possivelmente com a ajuda mútua. Fundamentalmente, os catoms consistem de uma CPU, um dispositivo de rede para comunicação, um único display de pixel, vários sensores, uma bateria integrada e um meio de se aderir.

Catoms atuais
Os pesquisadores da Carnegie Mellon University desenvolveram vários protótipos de catoms. Estes variam de pequenos cubos para balões gigantes de hélio. O protótipo mais parecido com o que os desenvolvedores esperam que o catoms se torne é o catom planar. Estes assumem a forma de cilindros de 44 mm de diâmetro. Esses cilindros são equipados com 24 eletroímãs dispostos em uma série de anéis empilhados ao longo da circunferência do cilindro. O movimento é conseguido pelos catoms que cooperativamente ativam e desativam os ímãs para rolarem ao longo das superfícies uns dos outros. Apenas um ímã em cada catom é energizado por vez. Esses protótipos são capazes de se reconfigurar rapidamente, com o desacoplamento de duas unidades, o movimento para outro ponto de contato e o acoplamento, levando apenas cerca de 100 ms. A energia é fornecida aos catoms usando os pés de captação na parte inferior do cilindro.

Design futuro
No design atual, os catoms só são capazes de se mover em duas dimensões em relação uns aos outros. Futuros catoms serão obrigados a se mover em três dimensões em relação ao outro. O objetivo dos pesquisadores é desenvolver um catom de escala milimétrica sem partes móveis, para permitir a fabricação em massa. Milhões desses microrrobôs poderão emitir cores variáveis ​​e intensidade de luz, permitindo a renderização física dinâmica. O objetivo do design mudou para a criação de catoms que são simples o suficiente para funcionar apenas como parte de um conjunto, com o conjunto como um todo sendo capaz de maior função.

Como os catoms são reduzidos, uma bateria a bordo suficiente para alimentá-lo irá exceder o tamanho do próprio catom, então uma solução de energia alternativa é desejada. A pesquisa está sendo feita para alimentar todos os catoms em um conjunto, utilizando o contato catom-to-catom como um meio de transporte de energia. Uma possibilidade que está sendo explorada é usar uma tabela especial com eletrodos positivos e negativos e rotear a energia internamente através dos catoms, via “fios virtuais”.

Outro grande desafio de design será desenvolver um conector unário sem gênero para os catoms, a fim de manter o tempo de reconfiguração no mínimo. As nanofibras fornecem uma solução possível para esse desafio. As nanofibras permitem uma grande adesão em pequena escala e permitem um consumo mínimo de energia quando os catoms estão em repouso.

Programas
Organizar toda a comunicação e ações entre milhões de catoms de escala submilimétrica requer o desenvolvimento de algoritmos avançados e linguagens de programação. Os pesquisadores e engenheiros do Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab lançaram uma ampla gama de projetos para desenvolver o software necessário para facilitar a comunicação entre os catoms. Os projetos mais importantes estão desenvolvendo novas linguagens de programação que funcionam de forma mais eficiente para a claytrônica. O objetivo de uma matriz claytrônica é formar dinamicamente formas tridimensionais. No entanto, o grande número de catoms nessa rede distribuída aumenta a complexidade do microgerenciamento de cada catom individual. Assim, cada catom deve perceber informações precisas de posição e comando de cooperação com seus vizinhos. Nesse ambiente, A linguagem de software para a operação matricial deve transmitir instruções concisas de comandos de alto nível para ser distribuída universalmente. Os idiomas para programar uma matriz requerem uma sintaxe e um estilo de comando mais abreviados do que as linguagens de programação normais, como C ++ e Java.

O Projeto de Pesquisa Carnegie Mellon-Intel Claytronics criou duas novas linguagens de programação: Meld e Predicados Distribuídos Localmente (LDP).

Meld
O Meld é uma linguagem declarativa, uma linguagem de programação lógica projetada originalmente para programação de redes de sobreposição. Usando a programação lógica, o código para um conjunto de robôs pode ser escrito de uma perspectiva global, permitindo que o programador se concentre no desempenho geral da matriz claytrônica, em vez de escrever instruções individuais para cada um dos milhares a milhões de catoms no conjunto. Isso simplifica dramaticamente o processo de pensamento para programar o movimento de uma matriz argilatrônica.

Predicados distribuídos localmente (LDP)
LDP é uma linguagem de programação reativa. Ele foi usado para desencadear a depuração na pesquisa anterior. Com a adição de uma linguagem que permite ao programador construir operações no desenvolvimento da forma da matriz, ela pode ser usada para analisar as condições locais distribuídas. Ele pode operar em grupos de módulos conectados de tamanho fixo, fornecendo várias funções de configuração de estado. Um programa que endereça um módulo de tamanho fixo em vez de todo o conjunto permite que os programadores operem a matriz claytrônica com mais frequência e eficiência. O LDP fornece ainda um meio de correspondência de padrões distribuídos. Permite ao programador endereçar um conjunto maior de variáveis ​​com lógica Booleana, que permite ao programa procurar por padrões maiores de atividade e comportamento entre grupos de módulos.

Pontos de Vigilância Distribuídos
Erros de desempenho de milhares a milhões de catoms individuais são difíceis de detectar e depurar, portanto, as operações de matriz de claytronics exigem um processo dinâmico e autodirigido para identificar e depurar erros. Os pesquisadores da Claytronics desenvolveram Watchpoints Distribuídos, uma abordagem em nível de algoritmo para detectar e corrigir erros perdidos por técnicas de depuração mais convencionais. Estabelece nós que recebem vigilância para determinar a validade das condições distribuídas. Essa abordagem fornece um conjunto de regras simples e altamente descritivo para avaliar as condições distribuídas e se mostra eficaz na detecção de erros.

Algoritmos
Duas classes importantes de algoritmos de claytronics são os algoritmos de modelagem e localização de formas. O objetivo final da pesquisa claytrônica é criar movimento dinâmico em poses tridimensionais. Todas as pesquisas sobre movimento de catom, atuação coletiva e planejamento de movimento hierárquico requerem algoritmos de modelagem para converter os catoms na estrutura necessária, o que dará força estrutural e movimento fluido ao conjunto dinâmico. Enquanto isso, os algoritmos de localização permitem que os catoms localizem suas posições em um conjunto. Um algoritmo de localização deve fornecer conhecimento relacional preciso de catoms para toda a matriz com base na observação ruidosa de uma maneira totalmente distribuída.

Aplicações futuras
À medida que as capacidades da computação continuam a se desenvolver e os módulos robóticos encolhem, a claytrônica se tornará útil em muitas aplicações. A aplicação em destaque da claytronics é um novo modo de comunicação. A Claytronics oferecerá um sentido mais realista à comunicação em longa distância, chamada pario. Semelhante ao modo como o áudio e o vídeo fornecem estimulação auditiva e visual, o pario proporciona uma sensação auditiva, visual e física. Um usuário poderá ouvir, ver e tocar aquele que estiver se comunicando com eles de maneira realista. O Pario pode ser usado de forma eficaz em muitas disciplinas profissionais, desde design de engenharia, educação e assistência médica até entretenimento e atividades de lazer, como videogames.

Os avanços na nanotecnologia e na computação necessários para que a claytrônica se torne uma realidade são factíveis, mas os desafios a superar são assustadores e exigirão grandes inovações. Em uma entrevista em dezembro de 2008, Jason Campbell, um dos principais pesquisadores da Intel Labs Pittsburgh, disse: “minhas estimativas de quanto tempo vai durar foram de 50 anos para apenas mais alguns anos. Isso mudou ao longo dos quatro anos. Eu tenho trabalhado no projeto “.