Клэйтро́ника — абстрактная концепция будущего, состоящая в объединении наномасштабных роботов и информатики с целью создания индивидуальных компьютеров атомных размеров, называемых клэйтронными атомами или к-атомами. Они могут вступать в контакт друг с другом и создавать материальные 3-D объекты, с которыми может взаимодействовать пользователь. Эта идея входит в более общую идею создания программируемой материи . Многочисленные исследования и эксперименты с клэйтроникой проводятся группой учёных в университете Карнеги-Меллона в Питсбурге , штат Пенсильвания , которая состоит из профессоров Тодда Моури, Сета Голдштейна , аспирантов и студентов, а также исследовательской группой из лаборатории Интел в Питтсбурге , лабораторией Sheffield Robotics . Клэйтроника имеет потенциал значительного влияния на многие сферы повседневной жизни, такие как телекоммуникации , человеко-компьютерный интерфейс и индустрию развлечений .

Текущие исследования

Текущие исследования направлены на создание модульных реконфигурируемых роботов и разработку программных комплексов, необходимых для управления роботами с «изменяемой формой». Локально распределённые предикаты (ЛРП) — это распределённый язык программирования высокого уровня для проектирования систем модульных реконфигурируемых роботов (МРР). Есть много проблем, связанных с программированием и управлением большим числом дискретных модульных систем из-за множественности степеней свободы , которые соответствуют каждому модулю. Например, для перенастройки одной структуры в другую может потребоваться большой путь перемещений, управляемый сложной цепочкой команд, даже если эти две структуры незначительно отличаются друг от друга .

В 2005 году усилия исследователей по разработке концепции аппаратного обеспечения в миллиметровом диапазоне размерной шкалы оказались успешными. Были созданы цилиндрические прототипы размером 44 мм в диаметре, взаимодействующие друг с другом посредством электромагнитного поля . Эти эксперименты помогли исследователям установить соотношение между массой и потенциальной силой связи между объектами, которое можно сформулировать так: «10-кратное уменьшение размера приводит к 100-кратному увеличению силы по отношению к массе» . Последними достижениями по разработке таких прототипов стали цилиндрические роботы диаметром около миллиметра, изготовленные по методом фотолитографии . Они взаимодействуют друг с другом с помощью сложного программного обеспечения, которое управляет электромагнитным притяжением и отталкиванием между модулями .

Аппаратура

Активизирующим стимулом по разработке программного обеспечения является наличие устройств, которые модифицируют сами себя в заданном направлении. Клэйтроника по определению — это набор отдельных компонентов, называемых клэйтронными атомами или к-атомами. Чтобы обладать живучестью, к-атомы должны удовлетворять ряду критериев. Во-первых, к-атомы должны уметь двигаться в трёхмерном пространстве друг относительно друга и быть способными соединяться друг с другом, образуя трёхмерные конструкции. Во-вторых, к-атомы должны уметь общаться друг с другом и иметь возможность обрабатывать информацию о структуре конструкции, возможно, с помощью друг друга. По сути, к-атомы состоят из процессоров , сетевых , однопиксельного дисплея, нескольких датчиков , бортового аккумулятора и средств соединения друг с другом .

Современные к-атомы

Исследователи Университета Карнеги-Меллона разработали различные прототипы к-атомов. Они варьируются от мелких кубиков до гигантских шаров, наполненных гелием . Прототип, на который больше всего надеются разработчики как на будущий к-атом — это плоский к-атом. Он имеет форму цилиндра диаметром 44 мм, который оснащён 24 электромагнитами , расположенными по его окружности. Движение к-атомов осуществляется совместно включением и выключением электромагнитов для того, чтобы катиться по поверхности друг друга. В каждый момент времени только на один элетромагнит каждого к-атома подаётся энергия. Эти прототипы способны перенастроить себя довольно быстро. Разъединение двух блоков, передвижение к другой точке контакта и новое соединение занимает около 100 мс . Питание подаётся на к-атомы через специальные ножки на дне цилиндра. Проводящие ленты на столе подводят необходимую мощность .

Направления разработок

Современные конструкции к-атомов обеспечивают движение только в двух измерениях относительно друг друга, но будущие к-атомы должны будут перемещаться в трёх измерениях. Целью учёных является разработка к-атомов миллиметрового размера без каких-либо движущихся частей, чтобы обеспечить высокую технологичность. Миллионы таких микророботов смогут излучать свет переменной интенсивности и разного цвета, позволяя использовать их для динамического физического рендеринга (создания картин). Для реализации таких конструкций локальная цель разработок была перенесена на создание достаточно простых к-атомов, которые функционируют только в составе ансамбля, и с ансамблем в целом способны к выполнению более сложных функций .

Поскольку к-атомы уменьшаются в размере, бортовой аккумулятор, требуемый для его работы, скоро будет превосходить размер самого к-атома, поэтому для решения проблем энергетики потребуются альтернативные решения. В настоящее время проводятся исследования по питанию всех к-атомов в ансамбле, по использованию контакта к-атома с к-атомом в качестве способа транспортировки энергии. В одном из вариантов изучается возможность использования специального стола с положительным и отрицательным электродами и передача энергии к-атомам с помощью «виртуальных проводов».

Ещё одной важной задачей является разработка универсальных одинарных разъёмов для к-атомов, с тем чтобы время реконфигурации было на минимальном уровне. Нановолокна обеспечат возможное решение этой проблемы . Нановолокна допускают большое сцепление при малых размерах и обеспечивают низкий уровень энергопотребления, когда к-атомы находятся в состоянии покоя.

Программное обеспечение

Организация всех связей и взаимодействий между миллионами к-атомов субмиллиметрового масштаба требует разработки новых алгоритмов и языков программирования. Исследователи и инженеры лаборатории клэйтроники Карнеги-Меллона-Интел начали широкий диапазон проектов по разработке программного обеспечения для облегчения разработок взаимодействия между к-атомами. К наиболее важным проектам относится разработка новых языков программирования, которые позволяют более эффективно использовать возможности клэйтроники. Целью клэйтронной матрицы является динамическое формирование трёхмерных объектов. Но огромное количество к-атомов в этой распределённой системе увеличивает сложность микро-управления каждым к-атомом. Каждый к-атом должен воспринимать точную информацию о своём местоположении и выполнять команды взаимодействия со своими соседями. В этой среде язык программирования для матричных операций должен содержать лаконичные утверждения для команд высокого уровня, чтобы они могли быстро распространяться по сети. Язык программирования матриц требует более краткого синтаксиса и стиля команд , чем обычные языки программирования, такие как C++ или Java .

Лаборатория клэйтроники Карнеги-Меллона-Интел создала два новых языка программирования: Meld и локально распределённые предикаты (ЛРП).

Meld

Meld — это декларативный язык , язык логического программирования, первоначально предназначенный для программирования оверлейных сетей . С помощью логического программирования код для ансамбля роботов может быть интерпретирован с глобальной точки зрения, что позволяет программисту сосредоточиться на общей производительности клэйтронной матрицы, а не писать отдельные инструкции для каждого из нескольких тысяч или миллионов к-атомов в ансамбле. Это существенно упрощает процесс мышления при программировании движения клэйтронной матрицы.

Локально распределённые предикаты

ЛДП является реактивным языком программирования . Он использовался для отладки в более ранних исследованиях. В дополнение к языку, который позволяет программисту описывать операции при разработке матрицы формы, ЛДП может использоваться для анализа распределённых локальных условий . Он может работать со связанной группой модулей фиксированного размера, обеспечивая различные функции по управлению состоянием конфигурации. Программы, нацеленные на модули фиксированного размера, а не на полную совокупность, позволяют программистам работать с клэйтронными матрицами чаще и эффективнее. В ЛДП предусмотрены также средства для согласования взаимодействия распределённых структур. Это даёт возможность программисту манипулировать более широким набором переменных булевой логики , что позволяет программе делать поиск более крупных объектов для активного взаимодействия и строить стратегию поведения среди групп модулей .

Распределённые точки останова

Проявление ошибок среди тысяч и миллионов отдельных к-атомов трудно обнаружить и исправить, поэтому клэйтронные матричные операции требуют динамичной и самостоятельной процедуры выявления и отладки ошибок. Исследователи клэйтроники разработали распределённые точки останова, алгоритм на уровне подхода для обнаружения и фиксации ошибок, пропущенных традиционными методами отладки . Этот алгоритм определяет узлы, за которыми устанавливается наблюдение для определения истинности распределённых состояний. Такой подход обеспечивает простой и описательный набор правил для оценки распределённых состояний и оказывается эффективным при обнаружении ошибок.

Алгоритмы

Два важных класса алгоритмов клэйтроники относятся к алгоритмам создания и локализации формы. Конечная цель исследований клэйтроники состоит в создании движения в трёхмерном представлении. Все исследования перемещений к-атомов, коллективной активации и иерархического управления движением основаны на алгоритме создания формы для приведения к-атомов в необходимую структуру, которая обеспечит прочность и плавный переход к динамическому ансамблю. Алгоритмы локализации обеспечивают к-атомам возможность нахождения своих позиций в ансамбле . Кроме того, алгоритмы локализации должны обеспечивать точное относительное знание к-атомами всей матрицы в целом, основанной на наблюдении полностью распределённой системы при наличии шумов.

Применения

Поскольку возможности по развитию роботизированных модулей будут исчерпаны, клэйтроника станет полезной во многих приложениях. Будущие применения клэйтроники относятся к новым методам коммуникаций. Клэйтроника может предложить реалистичное чувство связности на больших расстояниях, называемое «парио». Подобно тому, как аудио и видео информация создаёт слуховое и визуальное воздействие, парио обеспечивает слуховое, визуальное и физическое ощущения одновременно. Пользователь будет иметь возможность услышать, увидеть и потрогать объект общения вполне реалистичным способом. Парио может эффективно использоваться во многих профессиональных дисциплинах из инженерного проектирования, образования и охраны здоровья, развлечений и досуга, например, в видеоиграх .

Воплощение достижений в области нанотехнологий и информатики, необходимые для клэйтроники, вполне реально, но для этого потребуется решить огромные проблемы и внедрить множество инноваций. В интервью в декабре 2008 года Джейсон Кэмпбелл, руководитель группы исследователей из лаборатории Интел в Питтсбурге, сказал: «Мои оценки того, сколько времени займёт то или иное исследование, менялись в диапазоне от 50 лет вплоть до всего лишь пары лет. И это за каких-то четыре года, которые я работаю над проектом» .

Примечания

Литература

См. также

• Нанокомпьютер
• Молекулярный компьютер

Ссылки