Claytronics on abstrakti tulevaisuuden käsite , joka koostuu nanomittakaavan robottien ja tietojenkäsittelytieteen yhdistämisestä yksittäisten atomikokoisten tietokoneiden luomiseksi, joita kutsutaan Claytron-atomeiksi tai k-atomeiksi. Ne voivat joutua kosketuksiin toistensa kanssa ja luoda konkreettisia 3-D-objekteja, joiden kanssa käyttäjä voi olla vuorovaikutuksessa. Tämä ajatus sisältyy yleisempään ajatukseen ohjelmoitavan aineen luomisesta [1] . Carnegie Mellonin yliopistossa Pittsburghissa Pennsylvaniassa tekee lukuisia tutkimuksia ja kokeita claytronicilla , johon kuuluvat professorit Todd Mowry, Seth Goldstein [2] , jatko-opiskelijat ja opiskelijat sekä tutkimusryhmä Intelin laboratorio Pittsburghissa [3] , Sheffield Robotics [4] [2] . Claytronicsilla voi olla merkittävä vaikutus moniin jokapäiväisen elämän osa-alueisiin, kuten televiestintään , ihmisen ja tietokoneen väliseen rajapintaan ja viihdeteollisuuteen .
Nykyinen tutkimus keskittyy modulaaristen uudelleenkonfiguroitavien robottien luomiseen ja robottien "muovaamiseen" tarvittavien ohjelmistojärjestelmien kehittämiseen. Locally Distributed Predicates (LRP) on korkean tason hajautettu ohjelmointikieli Modular Reconfigurable Robots (MRR) -järjestelmien suunnitteluun. Useiden erillisten modulaaristen järjestelmien ohjelmointiin ja hallintaan liittyy monia ongelmia, jotka johtuvat kunkin moduulin monista vapausasteista . Esimerkiksi yhden rakenteen uudelleenkonfigurointi toiseksi voi vaatia pitkän matkan, jota ohjaa monimutkainen komentoketju, vaikka nämä kaksi rakennetta eroavatkin vain vähän [5] .
Vuonna 2005 tutkijoiden pyrkimykset kehittää laitteistokonsepti kokoasteikon millimetrialueella onnistuivat. Syntyi sylinterimäisiä prototyyppejä , joiden halkaisija oli 44 mm , ja ne olivat vuorovaikutuksessa keskenään sähkömagneettisen kentän kautta . Nämä kokeet auttoivat tutkijoita määrittämään massan ja esineiden välisen potentiaalisen sidoslujuuden välisen suhteen, joka voidaan muotoilla seuraavasti: "10-kertainen koon pienentäminen johtaa 100-kertaiseen voiman kasvuun suhteessa massaan" [1] . Viimeisimmät saavutukset tällaisten prototyyppien kehittämisessä ovat sylinterimäiset robotit, joiden halkaisija on noin millimetri ja jotka on valmistettu ohutkalvoteknologialla fotolitografiaa käyttäen . Ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään monimutkaisen ohjelmiston avulla, joka ohjaa moduulien välistä sähkömagneettista vetovoimaa ja hylkimistä [6] .
Ohjelmistokehityksen aktivoiva kannustin on itseään tiettyyn suuntaan muuntuvien laitteiden saatavuus. Claytronics on määritelmän mukaan kokoelma yksittäisiä komponentteja, joita kutsutaan Claytron-atomeiksi tai k-atomeiksi. Ollakseen elinkelpoisia k-atomien on täytettävä useita kriteerejä. Ensinnäkin k-atomien on kyettävä liikkumaan kolmiulotteisessa avaruudessa suhteessa toisiinsa ja kyettävä liittymään toisiinsa muodostaen kolmiulotteisia rakenteita. Toiseksi k-atomien tulee kyetä kommunikoimaan toistensa kanssa ja kyettävä käsittelemään tietoa rakenteen rakenteesta, mahdollisesti toistensa avulla. Pohjimmiltaan k-atomit koostuvat prosessoreista , verkkoviestintälaitteista , yhden pikselin näytöstä, useista sensoreista , sisäisestä akusta ja välineistä muodostaa yhteys toisiinsa [1] .
Carnegie Mellonin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet erilaisia k-atomien prototyyppejä. Ne vaihtelevat pienistä kuutioista jättiläismäisiin heliumilla täytettyihin ilmapalloihin [7] . Prototyyppi, jota kehittäjät eniten toivovat tulevaisuuden k-atomina, on litteä k-atomi. Se on muodoltaan sylinteri , jonka halkaisija on 44 mm ja joka on varustettu 24:llä sen kehän ympärillä sijaitsevalla sähkömagneetilla . K-atomien liike toteutetaan yhdessä kytkemällä päälle ja pois sähkömagneetteja, jotta ne pyörivät toistensa pinnalla. Kullakin hetkellä vain yksi sähkömagneetti kustakin k-atomista syötetään energiaa. Nämä prototyypit pystyvät konfiguroimaan itsensä uudelleen melko nopeasti. Kahden lohkon irrottaminen, siirtyminen toiseen kosketuspisteeseen ja uusi yhteys kestää noin 100 ms . Teho syötetään k-atomeihin sylinterin pohjassa olevien erityisten jalkojen kautta. Pöydällä olevat johtavat nauhat antavat tarvittavan tehon [8] .
Nykyiset k-atomit sallivat liikkumisen vain kahdessa ulottuvuudessa suhteessa toisiinsa, mutta tulevien k-atomien on liikuttava kolmessa ulottuvuudessa. Tiedemiesten tavoitteena on kehittää millimetrin kokoisia k-atomeja ilman liikkuvia osia korkean valmistettavuuden varmistamiseksi. Miljoonat tällaiset mikrorobotit pystyvät säteilemään vaihtelevan voimakkuuden ja eri värien valoa, jolloin niitä voidaan käyttää dynaamiseen fyysiseen renderöintiin (maalausten luomiseen). Tällaisten rakenteiden toteuttamiseksi paikallinen kehittämistavoite siirrettiin melko yksinkertaisten k-atomien luomiseen, jotka toimivat vain osana kokonaisuutta ja pystyvät yhdessä kokonaisuuden kanssa suorittamaan monimutkaisempia toimintoja [9] .
Kun k-atomien koko pienenee, sen käyttämiseen tarvittava akku ylittää pian itse k-atomin koon, joten energiaongelmien ratkaisemiseen tarvitaan vaihtoehtoisia ratkaisuja. Parhaillaan tutkitaan yhdistelmän kaikkien k-atomien ravintoa, k-atomin kontaktin käyttöä k-atomin kanssa energian siirtokeinona. Yhdessä vaihtoehdossa tutkitaan mahdollisuutta käyttää erityistä pöytää positiivisilla ja negatiivisilla elektrodeilla ja siirtää energiaa k-atomeihin "virtuaalisten johtojen" avulla.
Toinen tärkeä tehtävä on kehittää universaaleja yksittäisliittimiä k-atomeille, jotta uudelleenkonfigurointiaika pysyy mahdollisimman pienenä. Nanokuidut tarjoavat mahdollisen ratkaisun tähän ongelmaan [10] . Nanokuidut mahdollistavat korkean koheesion pienissä kooissa ja tarjoavat alhaisen virrankulutuksen k-atomien ollessa levossa.
Kaikkien miljoonien k-atomien välisten yhteyksien ja vuorovaikutusten organisointi alimillimetrin mittakaavassa edellyttää uusien algoritmien ja ohjelmointikielten kehittämistä. Carnegie Mellon-Intel Claytronics Labin tutkijat ja insinöörit ovat aloittaneet laajan valikoiman ohjelmistokehitysprojekteja helpottaakseen k-atomien välisten vuorovaikutusten kehittämistä. Tärkeimpiä projekteja ovat uusien ohjelmointikielten kehittäminen, jotka mahdollistavat Claytronicsin ominaisuuksien tehokkaamman käytön. Claytron Matrixin tarkoitus on muodostaa dynaamisesti 3D-objekteja. Mutta valtava määrä k-atomeja tässä hajautetussa järjestelmässä lisää jokaisen k-atomin mikrohallinnan monimutkaisuutta. Jokaisen k-atomin on saatava tarkat tiedot sijainnistaan ja suoritettava komentoja ollakseen vuorovaikutuksessa naapuriensa kanssa. Tässä ympäristössä matriisitoimintojen ohjelmointikielen on sisällettävä korkean tason komentojen ytimekkäät lausunnot, jotta ne voivat levitä nopeasti verkon läpi. Matriisiohjelmointikieli vaatii tiiviimmän syntaksin ja ohjetyylin kuin perinteiset ohjelmointikielet, kuten C ++ tai Java [11] .
Carnegie Mellon-Intel Claytronics Lab on luonut kaksi uutta ohjelmointikieltä: Meld ja Locally Distributed Predicates (LRP).
Meld on deklaratiivinen kieli , looginen ohjelmointikieli, joka oli alun perin tarkoitettu overlay-verkkojen ohjelmointiin [12] . Logiikkaohjelmoinnin avulla robottijoukon koodia voidaan tulkita globaalista näkökulmasta, jolloin ohjelmoija voi keskittyä Claytron Matrixin yleiseen suorituskykyyn sen sijaan, että kirjoittaisi yksittäisiä ohjeita kullekin useille tuhansille tai miljoonille k-atomeille. yhtye. [13] Tämä yksinkertaistaa huomattavasti ajatteluprosessia ohjelmoitaessa Claytron-matriisin liikettä.
LDP on reaktiivinen ohjelmointikieli . Sitä käytettiin aiemmissa tutkimuksissa virheenkorjaukseen. Sen kielen lisäksi, jonka avulla ohjelmoija voi kuvata toimintoja muotomatriisia suunniteltaessa, LDP:tä voidaan käyttää hajautettujen paikallisten olosuhteiden analysointiin [14] . Se voi toimia kiinteän kokoisten moduulien ryhmän kanssa tarjoten erilaisia konfiguraatiotilan hallintatoimintoja. Ohjelmat, jotka kohdistuvat kiinteän kokoisiin moduuleihin koko väestön sijaan, antavat ohjelmoijille mahdollisuuden työskennellä Claytron-matriisien kanssa useammin ja tehokkaammin. LDP tarjoaa myös keinot hajautettujen rakenteiden vuorovaikutuksen koordinointiin. Tämä antaa ohjelmoijalle mahdollisuuden manipuloida laajempaa joukkoa loogisia logiikkamuuttujia , mikä antaa ohjelman etsiä suurempia objekteja aktiiviseen vuorovaikutukseen ja rakentaa käyttäytymisstrategiaa moduuliryhmien kesken [5] .
Virheiden ilmentymistä tuhansien ja miljoonien yksittäisten k-atomien välillä on vaikea havaita ja korjata, joten claytron-matriisioperaatiot vaativat dynaamisen ja riippumattoman virheiden havaitsemis- ja virheenkorjausmenettelyn . Claytronicsin tutkijat ovat kehittäneet hajautettuja keskeytyspisteitä, lähestymistavan tason algoritmin perinteisten virheenkorjausmenetelmien puuttumien vikojen havaitsemiseen ja korjaamiseen [15] . Tämä algoritmi määrittää solmut, joita valvotaan hajautettujen tilojen totuuden määrittämiseksi. [16] Tämä lähestymistapa tarjoaa yksinkertaiset ja kuvaavat säännöt hajautettujen tilojen arvioimiseksi ja on tehokas virheiden havaitsemisessa.
Kaksi tärkeää claytronic- algoritmien luokkaa ovat muodonluonti- ja lokalisointialgoritmit. Claytronicsin tutkimuksen perimmäinen tavoite on luoda liikettä kolmiulotteisesti. Kaikki tutkimukset k-atomin siirtymisestä, kollektiivisesta aktivoinnista ja hierarkkisesta liikkeenohjauksesta perustuvat muodonluontialgoritmiin, joka tuo k-atomit vaadittuun rakenteeseen, mikä antaa lujuuden ja sujuvan siirtymisen dynaamiseen kokonaisuuteen. Lokalisointialgoritmit tarjoavat k-atomeille mahdollisuuden löytää sijaintinsa ryhmässä [17] . Lisäksi lokalisointialgoritmien on tarjottava tarkka suhteellinen tieto koko matriisin k-atomeista kokonaisuutena, joka perustuu täysin hajautuneen järjestelmän havaintoon kohinan läsnä ollessa.
Koska mahdollisuudet kehittää robottimoduuleja ovat loppuneet, claytroniikka tulee hyödylliseksi monissa sovelluksissa. Savitroniikan tulevat sovellukset liittyvät uusiin viestintämenetelmiin. Claytronics voi tarjota realistisen yhteyden tunteen pitkillä etäisyyksillä, jota kutsutaan "parioksi". Aivan kuten ääni- ja videoinformaatio luo kuulo- ja visuaalisia tehosteita, pario tarjoaa kuulo-, visuaali- ja fyysisiä tuntemuksia samanaikaisesti. Käyttäjä voi kuulla, nähdä ja koskettaa viestintäkohdetta täysin realistisella tavalla. Parioa voidaan käyttää tehokkaasti monilla ammatillisilla aloilla suunnittelusta, koulutuksesta ja terveydenhuollosta, viihteestä ja vapaa-ajasta, esimerkiksi videopeleissä [18] .
Claytronicsin vaatiman nanoteknologian ja tietojenkäsittelytieteen edistyksen ymmärtäminen on mahdollista, mutta se vaatii valtavien ongelmien ratkaisemista ja monien innovaatioiden käyttöönottoa. Intelin Pittsburghin laboratorion tutkimusryhmän johtaja Jason Campbell sanoi joulukuussa 2008 annetussa haastattelussa: "Arvioni tutkimuksen kestosta vaihteli 50 vuodesta muutamaan vuoteen. Ja tämä on noin neljä vuotta, kun olen työskennellyt projektin parissa” [19] .