Claytronics представляет собой концепцию абстрактного будущего, которая сочетает в себе наномасштабную робототехнику и информатику для создания индивидуальных компьютеров нанометрового масштаба, называемых атомами глины или котами, которые могут взаимодействовать друг с другом, чтобы сформировать осязаемые 3D-объекты, с которыми пользователь может взаимодействовать. Эта идея более широко называется программируемой материей. Claytronics может значительно повлиять на многие сферы повседневной жизни, такие как телекоммуникации, человеко-компьютерные интерфейсы и развлечения.

Характеристики

Малость
Размер claytronics определяет разрешение и детальность податливого макрообъекта. Для максимально возможной упаковки с максимально возможной подвижностью, Catom является настолько сферическим, насколько это возможно.

Неавтономная мобильность
Катом не движется с помощью движущихся частей, но, подобно атому, входит в связи с другими катаксами в электромагнитных или электростатических процессах. claytronics перемещаются между взаимодействиями. В простейшем случае небольшие электромагнетики встроены в Catom как шаговый двигатель.
Устраняя движущиеся части, claytronics является более долговечным, менее дорогостоящим и более простым в производстве, чем традиционные наноботы. Кроме того, они могут выравниваться и двигаться гораздо эффективнее и быстрее (в их назначенной среде обитания).

Неавтономное энергоснабжение
Catom не несет в себе собственный блок энергоснабжения, но может быть предоставлен другими. Энергоснабжение из-за пределов материи передается от Catom до Catom.

Автономная разведка и специальные навыки
У Catom есть свои собственные датчики, сам по себе имеет собственный нанокомпьютер или другие наноэлектронные возможности. Встраивая фотоэлементы, например, можно сделать фоточувствительные клайтроны, так что ансамбль персонажей может подражать одному глазу. Например, путем внедрения светодиодов claytronics может принять цвет. У каждого Catom нет больше возможностей, чем нужно, и не у всех клайтроник одинаковые способности.

Связь Claytronics
claytronics нужно общаться нетривиально. Как это сообщение может быть создано, это особый предмет исследования. Особенность заключается в том, что макро-тело Catom будет состоять из миллиардов котов, каждый из которых имеет связь до шести соседей. В отличие от обычных коммуникационных структур, идентичность одной клайтроники часто неинтересна, но не является фундаментальной.

Формирование синтетической копии
Захват шаблона и изображения как цифровой модели, например, путем трехмерного захвата движения.
Преобразование трехмерного изображения в DPR-совместимые спецификации и, возможно, дистанционную передачу.
Выдайте макрос тела материи Катома.

Текущее исследование
Текущие исследования исследуют потенциал модульной реконфигурируемой робототехники и сложного программного обеспечения, необходимого для управления роботами с изменением формы. «Локально распределенные предикаты или LDP — это распределенный язык высокого уровня для программирования модульных реконфигурируемых роботизированных систем (MRR)». Существует множество проблем, связанных с программированием и управлением большим количеством дискретных модульных систем из-за степеней свободы, соответствующих каждому модулю. Например, переконфигурация из одной формации в одну подобную может потребовать сложный путь движений, управляемый сложной строкой команд, даже если две формы немного отличаются.

В 2005 году исследовательские усилия по разработке аппаратной концепции были успешными в масштабе миллиметров, создавая цилиндрические прототипы диаметром 44 миллиметра, которые взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитного притяжения. Их эксперименты помогли исследователям проверить связь между массой и потенциальной силой между объектами как «уменьшение в 10 раз по размеру [которое] должно перевести в 100-кратное увеличение силы по отношению к массе». Недавние достижения в этой концепции прототипа состоят из цилиндрических роботов диаметром 1 миллиметр, изготовленных на тонкой пленке с помощью фотолитографии, которые будут взаимодействовать друг с другом с использованием сложного программного обеспечения, которое будет управлять электромагнитным притяжением и отталкиванием между модулями.

Сегодня в Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания, в Университете Карнеги-Меллона проводятся обширные исследования и эксперименты с группой исследователей, в состав которой входят профессора Тодд К. Маури, Сет Гольдштейн, аспиранты и студенты, а также исследователи из Intel Labs Pittsburgh.

аппаратные средства
Движущей силой программируемой материи является фактическое оборудование, которое манипулирует собой в любой форме. Claytronics состоит из набора отдельных компонентов, называемых атомами глины, или котами. Чтобы быть жизнеспособными, жертвы должны соответствовать набору критериев. Во-первых, жертвы должны иметь возможность перемещаться в трех измерениях друг относительно друга и быть способными придерживаться друг друга, чтобы сформировать трехмерную форму. Во-вторых, коты должны иметь возможность общаться друг с другом в ансамбле и иметь возможность вычислять информацию о состоянии, возможно, с помощью друг друга. По сути, коты состоят из центрального процессора, сетевого устройства для связи, одного пиксельного дисплея, нескольких датчиков, встроенной батареи и средств для привязки друг к другу.

Текущие
Исследователи из Университета Карнеги-Меллона разработали различные прототипы котами. Они варьируются от маленьких кубиков до гигантских воздушных шаров. Прототип, который больше всего похож на то, что разработчики надеются, что кошки станут, — это плоский сон. Они имеют форму цилиндров диаметром 44 мм. Эти цилиндры оснащены 24 электромагнитами, расположенными в серии уложенных друг на друга колец вдоль окружности цилиндра. Движение достигается за счет использования котами, позволяющих и отключающих магниты, чтобы катиться по поверхности друг друга. За один раз под напряжением включается только один магнит. Эти прототипы способны перенастроить себя довольно быстро, с расцеплением двух блоков, перемещением в другую точку контакта и выделением всего около 100 мс. Питание подается на ступицы с помощью пикапов на нижней части цилиндра.

Будущий дизайн
В текущем дизайне коты могут двигаться только в двух измерениях относительно друг друга. Будущие жертвы должны будут двигаться в трех измерениях относительно друг друга. Целью исследователей является разработка миллиметрового шкафа без движущихся частей, чтобы обеспечить массовую технологичность. Миллионы этих микророботов смогут излучать переменный цвет и интенсивность света, что позволяет осуществлять динамический физический рендеринг. Цель дизайна сместилась на создание котов, которые достаточно просты, чтобы функционировать только как часть ансамбля, причем ансамбль в целом способен выполнять более высокую функцию.

По мере уменьшения размеров котов встроенная батарея, достаточная для ее питания, будет превышать размер самого катакта, поэтому требуется альтернативное энергетическое решение. Проводятся исследования по включению всех атак в ансамбль, используя контакт «сома-кота» как средство транспортировки энергии. Одной из возможностей изучения является использование специальной таблицы с положительными и отрицательными электродами и маршрутизация мощности внутри устройства через «виртуальные провода».

Еще одна важная задача дизайна — разработать безлокадный унарный коннектор для котов, чтобы как минимум сохранить время реконфигурации. Нанофибры обеспечивают возможное решение этой проблемы. Nanofibers обеспечивают большую адгезию в небольших масштабах и обеспечивают минимальное энергопотребление, когда кончики находятся в состоянии покоя.

Программного обеспечения
Организация всей коммуникации и действий между миллионами южных миллиметровых чатов требует разработки передовых алгоритмов и языков программирования. Исследователи и инженеры Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab запустили широкий спектр проектов для разработки необходимого программного обеспечения для облегчения связи между котами. Важнейшими проектами являются разработка новых языков программирования, которые более эффективно работают для производства глины. Целью матрицы глины является динамическое формирование трехмерных форм. Тем не менее, огромное количество атак в этой распределенной сети увеличивает сложность микроуправления каждого отдельного узла. Таким образом, каждый котик должен воспринимать точную информацию о местоположении и команду сотрудничества со своими соседями. В этой среде, язык программного обеспечения для операции с матрицей должен содержать краткие инструкции команд высокого уровня для универсального распространения. Языки для программирования матрицы требуют более сокращенного синтаксиса и стиля команды, чем обычные языки программирования, такие как C ++ и Java.

Исследовательский проект Carnegie Mellon-Intel Claytronics создал два новых языка программирования: Meld и локально распределенные предикаты (LDP).

сливаться
Meld — это декларативный язык, язык логического программирования, первоначально разработанный для программирования оверлейных сетей. Используя логическое программирование, код для ансамбля роботов может быть написан с глобальной точки зрения, что позволяет программисту сосредоточиться на общей производительности матрицы глины, вместо того, чтобы писать индивидуальные инструкции для каждого из тысяч-миллионов вызовов в ансамбль. Это значительно упрощает мыслительный процесс для программирования движения матрицы глины.

Локально распределенные предикаты (LDP)
LDP — это реактивный язык программирования. Он использовался для запуска отладки в более ранних исследованиях. С добавлением языка, который позволяет программисту строить операции при разработке формы матрицы, его можно использовать для анализа распределенных локальных условий. Он может работать с фиксированными размерами, связанными группами модулей, обеспечивающих различные функции конфигурации состояния. Программа, которая обращается к модулю фиксированного размера, а не ко всему ансамблю, позволяет программистам более эффективно и эффективно управлять матрицей глины. LDP также предоставляет средство для сопоставления распределенных шаблонов. Он позволяет программисту обращаться к большему набору переменных с логической логикой, что позволяет программе искать более крупные шаблоны активности и поведения среди групп модулей.

Распределенные точки наблюдения
Ошибки производительности для тысяч и миллионов отдельных узлов трудно обнаружить и отладить, поэтому для операций матричной матрицы требуется динамический и самонаправленный процесс идентификации и отладки ошибок. Исследователи Claytronics разработали Distributed Watchpoints, основанную на алгоритме подход к обнаружению и исправлению ошибок, пропущенных более обычными методами отладки. Он устанавливает узлы, которые получают надзор, чтобы определить справедливость распределенных условий. Этот подход обеспечивает простой и весьма описательный набор правил для оценки распределенных условий и доказывает эффективность обнаружения ошибок.

Алгоритмы
Двумя важными классами алгоритмов глины являются алгоритмы валидации и локализации. Конечной целью исследования claytronics является создание динамического движения в трехмерных позах. Все исследования движения кота, коллективного приведения в действие и иерархического планирования движения требуют алгоритмов валидации фигуры, которые преобразуют котами в необходимую структуру, что даст структурную прочность и движение жидкости динамическому ансамблю. Между тем алгоритмы локализации позволяют катанам локализовать свои позиции в ансамбле. Алгоритм локализации должен обеспечивать точное реляционное знание котов всей матрице на основе шумового наблюдения в полностью распределенной форме.

Будущие приложения
По мере того как возможности вычислений продолжают развиваться, а роботизированные модули сокращаются, claytronics станет полезна во многих приложениях. Примером применения claytronics является новый способ общения. Claytronics предложит более реалистичный смысл для общения на большом расстоянии, называемого pario. Подобно тому, как аудио и видео обеспечивают звуковое и визуальное стимулирование, pario обеспечивает звуковое, визуальное и физическое ощущение. Пользователь сможет услышать, увидеть и прикоснуться к тому, кто общается с ними реалистично. Pario может эффективно использоваться во многих профессиональных дисциплинах от проектирования, обучения и здравоохранения до развлечений и развлечений, таких как видеоигры.

Достижения в области нанотехнологий и вычислений, необходимые для того, чтобы клейтроны стали реальностью, осуществимы, но проблемы преодоления сложны и потребуют больших инноваций. В интервью, проведенном в декабре 2008 года, Джейсон Кэмпбелл, ведущий исследователь из Intel Labs Pittsburgh, сказал: «Мои оценки того, как долго это займет, прошли с 50 лет до нескольких лет. Это изменилось за четыре года Я работаю над проектом ».