Claytronics
Claytronics هومفهوم مستقبلي يجمع بين روبوتات nanoscale وعلوم الحاسوب لإنشاء أجهزة كمبيوتر فردية على نطاق نانومتر تسمى ذرات claytronic ، أو' catoms '، والتي يمكن حتى تتفاعل مع بعضها البعض لتكوين كائنات ثلاثية الأبعاد ملموسة يمكن للمستخدم التفاعل معها. يشار إلى هذه الفكرة على نطاق واسع باسم مسألة قابلة للبرمجة.Claytronics لديها القدرة على التأثير بشكل كبير على الكثير من مجالات الحياة اليومية ، مثل الاتصالات ، قابلات الكمبيوتر البشرية ، والترفيه.
البحوث الحالية
يستكشف البحث الحالي في إمكانات روبوتات قابلة لإعادة التشكيل معيارية والبرنامج المعقد الضروري للتحكم في روبوتات "تغيير الشكل". "تعتبر المصادر الموزعة محليًا أوLDP لغة موزعة وعالية المستوى لبرمجة أنظمة روبوت قابلة لإعادة التشكيل (MRRs)". هناك الكثير من التحديات المرتبطة بالبرمجة والتحكم في عدد كبير من الأنظمة المعيارية المنفصلة بسبب درجات الحرية التي تتوافق مع جميع وحدة. على سبيل المثال ، قد يحتاج إعادة التكوين من تشكيل إلى آخر مشابهًا مسارًا معقدًا من الحركات التي تتحكم فيها سلسلة معقدة من الأوامر على الرغم من اختلاف قليل بالشكلين .
في عام 2005 ، نجحت الجهود البحثية لتطوير مفهوم الأجهزة على مقياس المليمترات ، مما أدى إلى إنشاء نماذج أولية أسطوانية يبلغ قطرها 44 ملم والتي تتفاعل مع بعضها البعض عن طريق الجذب الكهرومغناطيسي. ساعدت تجارب الباحثين على التحقق من العلاقة بين الكتلة والقوة المحتملة بين الأجسام "بتخفيض حجمهعشرة أضعاف [والذي] يجب حتى يترجم إلى زيادة بمقدار 100 ضعف في القوة بالنسبة للكتلة". التطورات الحديثة في هذا المفهوم النموذجي هي في شكل روبوتات أسطوانية قطرها ملليمتر واحد مركبة على فيلم رقيق بواسطة الطباعة الضوئية التي ستتعاون مع بعضها البعض باستخدام برنامج معقد من شأنه التحكم في الجذب الكهرومغناطيسي والتنافر بين الوحدات.
اليوم ، تجرى أبحاث وتجارب مكثفة مع كلايترونيكس في جامعة كارنيجي ميلون في بيتسبيرگ بولاية بنسلڤانيا من قبل فريق من الباحثين يتكون من الأساتذة تود سي موري ، سيث گولدشتين ، طلاب الدراسات العليا والجامعية ، وباحثون من مختبرات Intel Pittsburgh.
المعدات
الدافع وراء هذا الموضوع القابل للبرمجة هي الأجهزة العملية التي تتعامل مع أي شكل مطلوب. يتكون Claytronics من مجموعة من المكونات الفردية تسمى ذرات claytronic ، أوcatoms. من أجل حتى تكون قابلة للتطبيق ، بحاجة catoms لتناسب مجموعة من المعايير. أولاً ، يجب حتى تكون catoms قادرة على التحرك بثلاثة أبعاد بالنسبة لبعضها البعض وأن تكون قادرة على الالتزام ببعضها البعض لتشكيل شكل ثلاثي الأبعاد. ثانياً ، ويجب حتى تكون catoms قادرة على التواصل مع بعضها البعض في مجموعة وأن تكون قادرة على حساب معلومات الحالة ، من الممكن بمساعدة بعضها البعض. في الأساس ، حيث تتكون catoms من CPU ، وجهاز شبكة للاتصال ، وشاشة عرض واحدة بكسل ، وعدة مستشعرات ، وبطارية على متنها ، ووسائل للالتزام والترابط ببعضها البعض.
catoms الحالية
طور الباحثون في جامعة كارنيجي ميلون نماذج أولية مختلفة من catoms. هذه تختلف من مكعبات صغيرة إلى بالونات الهيليوم العملاقة. النموذج الأولي الذي يشبه إلى حد كبير ما يأمل المطوّرون حتى تصبحه catoms ,هوcatoms مستوية.[] هذه تأخذ شكل اسطوانات قطرها 44 ملم. تم تجهيز هذه الأسطوانات بـ 24 مغناطيس كهربائي مرتبة في سلسلة من الحلقات المكدسة على طول محيط الأسطوانة. يتم تحقيق الحركة من خلال القاطرات التي تعمل على تمكين وتعطيل المغناطيس من أجل التدحرج على أسطح بعضها البعض. يتم تنشيط المغناطيس واحد فقط على جميع catom في وقت واحد. هذه النماذج الأولية قادرة على إعادة تكوين نفسها بسرعة كبيرة ، مع فصل وحدتين ، والانتنطق إلى نقطة اتصال أخرى ، وإعادة الاستيعاب تستغرق حوالي 100 مللي ثانية فقط. يتم توفير الطاقة ل catom باستخدام أقدام الالتقاط في الجزء السفلي من الاسطوانة. شرائط موصلة على الطاولة توفر الطاقة اللازمة.
تصميم مستقبلي
في التصميم الحالي ، تكون catoms قادرة فقط على التحرك في بعدين بالنسبة لبعضها البعض. يفترض أن تكون هناك حاجة إلى catom مستقبلية للتحرك في ثلاثة أبعاد بالنسبة لبعضها البعض. الهدف من الباحثين هوتطوير catom بمقياس النطاق مع عدم وجود أجزاء متحركة ، للسماح للتصنيع الكامل. سيكون بمقدور الملايين من هؤلاء microrobots حتى ينبعثوا من الألوان المتغيرة وكثافة الضوء ، مما يسمح بإجراء تجسيد طبيعي ديناميكي. تحول هدف التصميم إلى إنشاء catoms بسيطة بما يكفي للعمل فقط كجزء من مجموعة ، مع حتى تكون المجموعة ككل قادرة على أداء وظائف أعلى.
نظرًا لتقليص حجمها ، فإن البطارية الموجودة على متنها التي تكفي لتشغيلها يفترض أن تتجاوز حجم الكاتوم نفسه ، لذلكقد يكون هناك حاجة إلى حل بديل للطاقة. يجري البحث في تشغيل جميع القاطرات في مجموعة ، باستخدام الاتصال من catom إلى catom كوسيلة لنقل الطاقة. يتمثل أحد الاحتمالات التي يتم استكشافها في استخدام طاولة خاصة بها أقطاب كهربائية موجبة وسالبة وتوجيه الطاقة داخليًا عبر الكتل ، عبر "أسلاك افتراضية".
يتمثل أحد التحديات الرئيسية التي تقابل التصميم في تطوير موصل أحادي الجنس من أجل catom من أجل الحفاظ على وقت إعادة التكوين عند الحد الأدنى. توفر ألياف النانوحلاً ممكنًا لهذا التحدي. تسمح ألياف النانوبالتصاق كبير على نطاق صغير وتسمح بحد أدنى من استهلاك الطاقة عندما تكون catom في حالة توقف.
البرمجيات
يتطلب تنظيم جميع الاتصالات والإجراءات بين ملايين من قياسات المقياس الفرعي ملليمتر تطوير خوارزميات متقدمة ولغات البرمجة. أطلق الباحثون والمهندسون في معمل كارنيجي ميلون - إنتل للأبحاث في كلايترونيكس مجموعة واسعة من المشاريع لتطوير البرمجيات اللازمة لتسهيل التواصل بين catom. أهم المشاريع هي تطوير لغات البرمجة الجديدة التي تعمل بشكل أكثر كفاءة لل claytronics. الهدف من مصفوفة claytronics هوتشكيل أشكال ثلاثية الأبعاد ديناميكيًا. ومع ذلك ، فإن العدد الضخم من catoms في هذه الشبكة الموزعة يزيد من تعقيد الإدارة الدقيقة لكل catom على حدة. لذلك ، يجب على جميع catom إدراك معلومات دقيقة عن الموقف وقيادة التعاون مع جيرانها. في هذه البيئة ، يجب حتى تنقل لغة البرنامج لتشغيل المصفوفة بيانات موجزة للأوامر عالية المستوى لتوزيعها عالمياً. تتطلب لغات برمجة مصفوفة بناء جملة مختصرا وأسلوب قيادة أكثر من لغات البرمجة العادية مثل C ++ وJava.
ابتكر مشروع أبحاث كارنيجي ميلون وإنتل كلايترونيكس لغتين جديدتين للبرمجة: Meld and Predicated Distributed Présates (LDP).[]
Meld
التطورات الحديثة في هذا المفهوم النموذجي هي في شكل روبوتات أسطوانية بقطر ملليمتر واحد مركبة على فيلم رقيق بواسطة الليثوغرافيا الضوئية التي ستتعاون مع بعضها البعض باستخدام برنامج معقد من شأنه التحكم في الجذب الكهرومغناطيسي والتنافر بين الوحدات. باستخدام البرمجة المنطقية ، يمكن كتابة التعليمات البرمجية لمجموعة من الروبوتات من منظور عالمي ، مما يتيح للمبرمج حتى يركز على الأداء العام لمصفوفة claytronics بدلاً من كتابة تعليمات فردية لكل واحد من آلاف وملايين catoms في طاقم. هذا يبسط بشكل كبير عملية التفكير لبرمجة حركة مصفوفة claytronics.
Locally distributed predicates (LDP)
LDP هي لغة برمجة تفاعلية. تم استخدامها لتشغيل تسليم الأخطاء في البحث السابق. مع إضافة اللغة التي تمكن المبرمج من بناء عمليات في تطوير شكل المصفوفة ، يمكن استخدامه لتحليل الظروف المحلية الموزعة يمكن حتى تعمل على مجموعات ثابتة الحجم متصلة من وحدات توفير وظائف مختلفة من تكوين الحالة. يتيح البرنامج الذي يتناول وحدة نمطية ذات حجم ثابت بدلاً من المجموعة بأكملها للمبرمجين تشغيل المصفوفة claytronic بشكل أكثر تواتراً وكفاءة. يوفر LDP كذلك وسيلة لمطابقة الأنماط الموزعة. يتيح للمبرمج معالجة مجموعة أكبر من المتغيرات باستخدام المنطق البولياني ، والذي يمكّن البرنامج من البحث عن أنماط أكبر من النشاط والسلوك بين مجموعات الوحدات.
نقاط المراقبة الموزعة
من الصعب اكتشاف وتسليم أخطاء الأداء لآلاف إلى الملايين من catoms الفردية ، وبالتالي ، تتطلب عمليات مصفوفة claytronics عملية ديناميكية وموجهة ذاتيا لتحديد الأخطاء وتسليمها. حيث طور باحثوClaytronics نقاط مراقبة موزعة ، وهونهج على مستوى الخوارزمية لاكتشاف وإصلاح الأخطاء التي تفوتها تقنيات تسليم الأخطاء التقليدية. تحدد العقد التي تتلقى المراقبة تحديد صحة الشروط الموزعة. يوفر هذا النهج مجموعة بسيطة وصفية للغاية من القواعد لتقييم الظروف الموزعة ويثبت فعاليتها في اكتشاف الأخطاء.
الخوارزميات
هنالك فئتان مهمتان من خوارزمية claytronics هما خوارزميات النحت والتوطين. الهدف النهائي لأبحاث claytronics هوخلق حركة ديناميكية في أوضاع ثلاثية الأبعاد. تتطلب جميع الأبحاث حول حركة catom ، والتشغيل الجماعي ، والتخطيط الهرمي للحركة ، خوارزميات نحت الشكل لتحويل catoms إلى البنية الحيوية ، والتي ستمنح القوة الهيكلية وحركة السوائل للمجموعة الديناميكية. وفي الوقت نفسه ، تمكّن خوارزميات توطين catoms من تمكين مواقعها في مجموعة. يجب حتى توفر خوارزمية التمكين فهم علائقية دقيقة لcatoms في المصفوفة بأكملها استنادًا إلى الملاحظة المشوشات بطريقة موزعة بالكامل).
تطبيقات مستقبلية
مع استمرار تطوير قدرات الحوسبة وتقليص الوحدات الآلية ، ستصبح تقنية claytronics مفيدة في الكثير من التطبيقات. تطبيق متميز من claytronics هووسيلة جديدة للاتصال. يفترض أن Claytronics تقديم شعور أكثر واقعية للتواصل على مسافة طويلة تسمى pario. على غرار الكيفية التي يوفر بها الصوت والصوت والصورة تحفيزًا سمعيًا ومرئيًا ، يوفر pario إحساسًا بصريًا وجسديًا. سيكون المستخدم قادرًا على سماع ورؤية ولمس الشخص الذي يتصل به بطريقة واقعية. يمكن استعمال Pario بفعالية في الكثير من المجالات المهنية بدءًا من التصميم الهندسي والتعليم والرعاية الصحية وأنشطة الترفيه والتسلية مثل ألعاب الصوت والصورة.
إن التقدم في التكنولوجيا النانوية والحوسبة اللازمة لكي تصبح تقنية claytronics حقيقة واقعة ، لكن التحديات التي يجب التغلب عليها رهيبة وتتطلب ابتكارًا كبيرًا. في لقاءة أجريت في ديسمبر / كانون الأول 2008 ، نطق جيسون كامبل ، الباحث البارز في شركة Intel Labs Pittsburgh ، "تقديراتي بشأن المدة التي سيستغرقها الأمر قد انتقلت من 50 عامًا إلى عامين فقط. لقد تغير هذا على مدار السنوات الأربع التي عملت فيها للمشروع ".
للاستزادة
- Ensemble axiom
- Nanotechnology
- Smartdust
- The Invincible, a 1964 science fiction novel with intrigue centered on self-configuring nanobotic swarms
- Ubiquitous computing
- Utility fog
ملاحظات
- ^ Goldstein (2005), p. 99-101
- ^ De Rosa (2009)
- ^ Karagozler (2009)
- ^ Goldstein (2010b)
- ^ Karagozler (2006)
- ^ Kirby (2005), p. 1730-1731
- ^ Kirby (2007)
- ^ Aksak (2007), p. 91
- ^ Goldstein (2010a)
- ^ Ashley-Rollman (2007b)
- ^ Ashley-Rollman (2007a)
- ^ De Rosa (2008)
- ^ Rister (2007)
- ^ De Rosa (2007)
- ^ Funiak (2008)
- ^ Goldstein (2009), p. 29-45
- ^ Byrne (2008)
المراجع
- Aksak, B., Cassell, A., Li, J., Meyyappan, M., & Callen, P. (2007). Friction of Partially Embedded Vertically Aligned Carbon Nanofibers Inside Elastomers. Applied Physics Letters, 91.
- Ashley-Rollman, M. P., De Rosa, M., Srinivasa, S. S., Pillai, P., Goldstein, S. C., & Campbell, J. D. (2007a). Declarative Programming for Modular Robots. In Workshop on Self-Reconfigurable Robots/Systems and Applications at IROS '07.
- Ashley-Rollman, M. P., Goldstein, S. C., Lee, P., Mowry, T. C., & Pillai, P. (2007b) Meld: A Declarative Approach to Programming Ensembles. In Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS '07.
- Byrne, Seamus. (2008, December 22). Morphing Programmable Gadgets Could Soon Be a Reality. Retrieved February 20, 2010 from http://www.news.com.au/morphing-gadgets-could-soon-be-a-reality/story-0-1111118387380
- De Rosa, M., Goldstein, S. C., Lee, P., Campbell, J. D. & Pillai, P. (2008) Programming Modular Robots with Locally Distributed Predicates. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA '08.
- De Rosa, M., Goldstein, S. C., Lee, P., Pillai, P., & Campbell, J. (2009). A Tale of Two Planners: Modular Robotic Planning with LDP. 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 2009, October 11, 2009 - October 15.
- De Rosa, M., Goldstein, S. C., Lee, P., Campbell, J. D., Pillai, P. & Mowry, T. C. (2007) Distributed Watchpoints: Debugging Large Multi-Robot Systems. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA '07.
- Funiak, S., Pillai, P., Ashley-Rollman, M. P., Campbell, J. D., & Goldstein, S. C. (2008). Distributed Localization of Modular Robot Ensembles. In Proceedings of Robotics: Science and Systems.
- Goldstein, Seth C. (2010a, January). Software Research. Retrieved March 2, 2010 from https://www.cs.cmu.edu/~claytronics/software/index.html
- Goldstein, Seth C. (2010b, January). The Claytronics Team. Retrieved February 20, 2010 from https://www.cs.cmu.edu/~claytronics/people/index.html
- Goldstein, S. C., Campbell, J. D., & Mowry, T. C. (2005). Programmable Matter. Computer, 38(6), 99-101.
- Goldstein, S. C., Mowry, T. C., Campbell, J. D., Ashley-Rollman, M., De Rosa, M., Funiak, S. et al. (2009). Beyond Audio and Video: Using Claytronics to Enable Pario. AI Magazine, 30(2), 29-45.
- Karagozler, M. E., Goldstein, S. C., & Reid, J. R. (2009). Stress-Driven MEMS Assembly + Electrostatic Forces = 1 mm Diameter Robot. 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2009).
- Karagozler, M., Kirby, B., Goldstein, S. C., Lee, W., & Marinelli, E. (2006). Ultralight Modular Robotic Building Blocks for the Rapid Development of Planetary Outposts. Revolutionary Aerospace Systems Concepts Academic Linkage (RASC-AL).
- Kirby, B., Goldstein, S. C., Mowry, T., Aksak, B., & Hoburg, J. (2007). A Modular robotic System Using Magnetic Force Effectors. Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS '07).
- Kirby, B., Goldstein, S. C., Mowry, T., Aksak, B., & Hoburg, J. (2005). Catoms: Moving Robots Without Moving Parts. AAAI (Robot Exhibition), 1730-1731.
- Rister, B. D., Campbell, J. D., Pillai, P., & Mowry, T. C. (2007). Integrated Debugging of Large Modular Robot Ensembles. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA '07.
روابط خارجية
- Intel sees future with shape-shifting humanoid robots
- The Synthetic Reality Project at Carnegie Mellon
- "'Programmable matter' one day could transform itself into all kinds of look-alikes" in the Post-Gazette
- "'Teleporting' over the internet" on BBC
- "Claytronics and the Pario World" on WorldChanging
- A demo video of Catoms in action
