Programmierbare Materie – Wikipedia

before-content-x4

Materie, die ihre physikalischen Eigenschaften auf programmierbare Weise ändern kann

Programmierbare Materie ist Materie, die in der Lage ist, ihre physikalischen Eigenschaften (Form, Dichte, Module, Leitfähigkeit, optische Eigenschaften usw.) auf programmierbare Weise basierend auf Benutzereingaben oder autonomer Erfassung zu ändern. Programmierbare Materie ist somit mit dem Konzept eines Materials verbunden, das von Natur aus die Fähigkeit besitzt, eine Informationsverarbeitung durchzuführen.

Geschichte[edit]

Programmierbare Materie ist ein Begriff, der ursprünglich 1991 von Toffoli und Margolus geprägt wurde, um sich auf ein Ensemble feinkörniger, im Raum angeordneter Computerelemente zu beziehen.[1] Ihre Arbeit beschreibt ein Computersubstrat, das aus feinkörnigen Rechenknoten besteht, die im gesamten Raum verteilt sind und nur über Interaktionen mit dem nächsten Nachbarn kommunizieren. In diesem Zusammenhang bezieht sich programmierbare Materie auf Rechenmodelle, die zellulären Automaten und Gittergasautomaten ähnlich sind.[2] Die CAM-8-Architektur ist ein Beispiel für die Hardware-Realisierung dieses Modells.[3] Diese Funktion wird in einigen Formen der selbstreplizierenden Maschinenwissenschaft auch als “Digital Referenced Areas” (DRA) bezeichnet.[4]

In den frühen neunziger Jahren wurde in der rekonfigurierbaren modularen Robotik mit einer Philosophie, die der programmierbaren Materie ähnelt, viel Arbeit geleistet.[4]

Mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie, Nanotechnologie und selbstreplizierenden Maschinentechnologie hat sich die Verwendung des Begriffs programmierbare Materie geändert, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass es möglich ist, ein Ensemble von Elementen aufzubauen, die “programmiert” werden können, um ihre physikalischen Eigenschaften zu ändern Realität, nicht nur in der Simulation. So bedeutet programmierbare Materie “jede Schüttgüter, die so programmiert werden kann, dass sie ihre physikalischen Eigenschaften ändert”.

Im Sommer 1998 prägten Wil McCarthy und G. Snyder in einer Diskussion über künstliche Atome und programmierbare Materie den Begriff “Quanten-Wellstone” (oder einfach “Wellstone”), um diese hypothetische, aber plausible Form programmierbarer Materie zu beschreiben. McCarthy hat den Begriff in seiner Fiktion verwendet.

Im Jahr 2002 starteten Seth Goldstein und Todd Mowry das Claytronics-Projekt an der Carnegie Mellon University, um die zugrunde liegenden Hardware- und Softwaremechanismen zu untersuchen, die zur Realisierung programmierbarer Materie erforderlich sind.

Im Jahr 2004 untersuchte die DARPA-Gruppe für Informationswissenschaft und -technologie (ISAT) das Potenzial programmierbarer Materie. Dies führte zu der Studie “Realizing Programmable Matter” (2005–2006), in der ein mehrjähriges Programm für die Erforschung und Entwicklung programmierbarer Materie vorgestellt wurde.

Im Jahr 2007 war programmierbare Materie Gegenstand einer DARPA-Forschungswerbung und eines anschließenden Programms.[5][6]

Nähert sich[edit]

Eine “einfache” programmierbare Angelegenheit, bei der sich das programmierbare Element außerhalb des Materials befindet. Magnetisierte nicht-Newtonsche Flüssigkeit, die Stützsäulen bildet, die Stößen und plötzlichem Druck widerstehen.

In einer Denkrichtung könnte die Programmierung außerhalb des Materials liegen und durch “Anlegen von Licht, Spannung, elektrischen oder magnetischen Feldern usw.” erreicht werden. (McCarthy 2006). Beispielsweise ist eine Flüssigkristallanzeige eine Form programmierbarer Materie. Eine zweite Denkrichtung ist, dass die einzelnen Einheiten des Ensembles rechnen können und das Ergebnis ihrer Berechnung eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des Ensembles ist. Ein Beispiel für diese ehrgeizigere Form programmierbarer Materie ist die Tontronik.

Es gibt viele vorgeschlagene Implementierungen programmierbarer Materie. Die Skalierung ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen verschiedenen Formen programmierbarer Materie. An einem Ende des Spektrums verfolgt die rekonfigurierbare modulare Robotik eine Form programmierbarer Materie, bei der die einzelnen Einheiten im Zentimetergrößenbereich liegen.[4][7][8]

Am nanoskaligen Ende des Spektrums gibt es eine enorme Anzahl verschiedener Grundlagen für programmierbare Materie, angefangen von formverändernden Molekülen[9] zu Quantenpunkten. Quantenpunkte werden in der Tat oft als künstliche Atome bezeichnet. Beispiele im Mikrometer- bis Submillimeterbereich umfassen MEMS-basierte Einheiten, Zellen, die mithilfe der synthetischen Biologie erstellt wurden, und das Utility-Fog-Konzept.

Eine wichtige Untergruppe programmierbarer Materie sind Robotermaterialien, die die strukturellen Aspekte eines Verbundwerkstoffs mit den Vorteilen kombinieren, die die enge Integration von Sensoren, Aktoren, Berechnung und Kommunikation bietet.[10] während auf die Rekonfiguration durch Partikelbewegung verzichtet wird.

Beispiele[edit]

Es gibt viele Vorstellungen von programmierbarer Materie und damit viele diskrete Wege der Forschung unter Verwendung des Namens. Im Folgenden finden Sie einige spezifische Beispiele für programmierbare Materie.

“Einfach”[edit]

Dazu gehören Materialien, die ihre Eigenschaften aufgrund von Eingaben ändern können, jedoch nicht in der Lage sind, komplexe Berechnungen selbst durchzuführen.

Komplexe Flüssigkeiten[edit]

Die physikalischen Eigenschaften mehrerer komplexer Flüssigkeiten können durch Anlegen eines Stroms oder einer Spannung verändert werden, wie dies bei Flüssigkristallen der Fall ist.

Metamaterialien[edit]

Metamaterialien sind künstliche Verbundwerkstoffe, die so gesteuert werden können, dass sie auf eine Weise reagieren, die in der Natur nicht vorkommt. Ein Beispiel, das von David Smith und dann von John Pendry und David Schuri entwickelt wurde, ist ein Material, dessen Brechungsindex so eingestellt werden kann, dass es an verschiedenen Stellen im Material einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Bei richtiger Abstimmung kann dies zu einem “Unsichtbarkeitsumhang” führen.

Ein weiteres Beispiel für programmierbares mechanisches Metamaterial präsentieren Bergamini et al.[11] Hier wird ein Durchlassband innerhalb der phononischen Bandlücke eingeführt, indem die variable Steifheit von piezoelektrischen Elementen ausgenutzt wird, die Aluminiumstümpfe mit der Aluminiumplatte verbinden, um einen phononischen Kristall zu erzeugen, wie in der Arbeit von Wu et al.[12] Die piezoelektrischen Elemente werden über synthetische Induktivitäten gegen Masse geschaltet. Um die Resonanzfrequenz des LC-Schaltkreises, der durch das Piezoelektrikum und die Induktoren gebildet wird, weisen die piezoelektrischen Elemente eine Steifheit nahe Null auf, wodurch die Stichleitungen effektiv von der Platte getrennt werden. Dies wird als Beispiel für programmierbares mechanisches Metamaterial angesehen.[11]

Formverändernde Moleküle[edit]

Ein aktives Forschungsgebiet sind Moleküle, die ihre Form sowie andere Eigenschaften als Reaktion auf äußere Reize ändern können. Diese Moleküle können einzeln oder in großen Mengen verwendet werden, um neue Arten von Materialien zu bilden. Zum Beispiel hat die Gruppe von J Fraser Stoddart an der UCLA Moleküle entwickelt, die ihre elektrischen Eigenschaften ändern können.[9]

Elektropermanente Magnete[edit]

Ein elektropermanenter Magnet ist eine Art Magnet, der sowohl aus einem Elektromagneten als auch einem Permanentmagneten aus zwei Materialien besteht, wobei das vom Elektromagneten erzeugte Magnetfeld verwendet wird, um die Magnetisierung des Permanentmagneten zu ändern. Der Permanentmagnet besteht aus magnetisch harten und weichen Materialien, deren Magnetisierung nur für das weiche Material geändert werden kann. Wenn die magnetisch weichen und harten Materialien entgegengesetzte Magnetisierungen aufweisen, hat der Magnet kein Nettofeld, und wenn sie ausgerichtet sind, zeigt der Magnet ein magnetisches Verhalten.[13]

Sie ermöglichen die Erzeugung steuerbarer Permanentmagnete, bei denen der magnetische Effekt aufrechterhalten werden kann, ohne dass eine kontinuierliche Versorgung mit elektrischer Energie erforderlich ist. Aus diesen Gründen sind elektropermanente Magnete wesentliche Bestandteile der Forschungsstudien, die darauf abzielen, programmierbare Magnete zu bauen, die zu selbstbildenden Strukturen führen können.[13][14]

Robotik-basierte Ansätze[edit]

Selbstrekonfigurierende modulare Robotik[edit]

Die selbstrekonfigurierende modulare Robotik ist ein Bereich der Robotik, in dem eine Gruppe grundlegender Robotermodule zusammenarbeitet, um dynamisch Formen zu bilden und Verhaltensweisen zu erstellen, die für viele Aufgaben geeignet sind, ähnlich wie bei programmierbarer Materie. SRCMR zielt darauf ab, viele Arten von Objekten oder Systemen durch die Einführung vieler neuer Möglichkeiten erheblich zu verbessern. Zum Beispiel: 1. Am wichtigsten ist die unglaubliche Flexibilität, die sich aus der Fähigkeit ergibt, die physische Struktur und das Verhalten einer Lösung durch Ändern der Software zur Steuerung von Modulen zu ändern. 2. Die Fähigkeit zur Selbstreparatur durch automatisches Ersetzen eines defekten Moduls macht die SRCMR-Lösung unglaublich widerstandsfähig. 3. Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks durch Wiederverwendung derselben Module in vielen verschiedenen Lösungen. Die selbstrekonfigurierende modulare Robotik erfreut sich einer lebendigen und aktiven Forschungsgemeinschaft.[15]

Claytronics[edit]

Die Claytronik ist ein aufstrebendes Gebiet der Technik in Bezug auf rekonfigurierbare nanoskalige Roboter (“Claytronic-Atome” oder Katome) entwickelt, um viel größere Maschinen oder Mechanismen zu bilden. Die Katome werden Sub-Millimeter-Computer sein, die sich schließlich bewegen, mit anderen Computern kommunizieren, die Farbe ändern und sich elektrostatisch mit anderen Katomen verbinden können, um andere Formen zu bilden.

Zelluläre Automaten[edit]

Zelluläre Automaten sind ein nützliches Konzept, um einige der Konzepte diskreter Einheiten zu abstrahieren, die interagieren, um ein gewünschtes Gesamtverhalten zu erzielen.

Quantentöpfe[edit]

Quantentöpfe können ein oder mehrere Elektronen aufnehmen. Diese Elektronen verhalten sich wie künstliche Atome, die wie echte Atome kovalente Bindungen bilden können, aber diese sind extrem schwach. Aufgrund ihrer größeren Größe unterscheiden sich auch andere Eigenschaften erheblich.

Synthetische Biologie[edit]

Die synthetische Biologie ist ein Gebiet, das darauf abzielt, Zellen mit “neuartigen biologischen Funktionen” zu konstruieren.[citation needed] Solche Zellen werden normalerweise verwendet, um größere Systeme (z. B. Biofilme) zu erzeugen, die unter Verwendung synthetischer Gennetzwerke wie genetischer Kippschalter “programmiert” werden können, um ihre Farbe, Form usw. zu ändern. Solche bioinspirierten Ansätze zur Materialherstellung wurden unter Verwendung von demonstriert Selbstorganisierende bakterielle Biofilmmaterialien, die für bestimmte Funktionen wie Substratadhäsion, Nanopartikel-Templating und Proteinimmobilisierung programmiert werden können.[16]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Toffoli, Tommaso; Margolus, Norman (1991). “Programmierbare Materie: Konzepte und Realisierung”. Physica D.. 47 (1–2): 263–272. Bibcode:1991PhyD … 47..263T. doi:10.1016 / 0167-2789 (91) 90296-L.
  2. ^ Rothman, DH; Zaleski, S. (2004) [1997]. Gittergaszellularautomaten. Cambridge University Press. ISBN 9780521607605.
  3. ^ “CAM8: eine parallele, einheitliche, skalierbare Architektur für das Experimentieren mit zellulären Automaten”. Ai.mit.edu. Abgerufen 2013-04-10.
  4. ^ ein b c http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050[dead link]
  5. ^ “DARPA-Forschungswerbung”. Archiviert von das Original am 15. Juli 2009.
  6. ^ DARPA Strategic Thrusts: Programmierbare Materie Archiviert 12. Dezember 2010 an der Wayback-Maschine
  7. ^ Forschung
  8. ^ [1]
  9. ^ ein b “UCLA Chemie und Biochemie”. Stoddart.chem.ucla.edu. Archiviert von das Original am 12.10.2004. Abgerufen 2013-04-10.
  10. ^ MA McEvoy und N. Correll. Materialien, die Wahrnehmung, Betätigung, Berechnung und Kommunikation verbinden. Wissenschaft 347 (6228), 2015.
  11. ^ ein b Bergamini, Andrea; Delpero, Tommaso; De Simoni, Luca; Di Lillo, Luigi; Ruzzene, Massimo; Ermanni, Paolo (2014). “Phononischer Kristall mit adaptiver Konnektivität”. Fortgeschrittene Werkstoffe. 2 (9). S. 1343–1347. doi:10.1002 / adma.201305280. ISSN 0935-9648.
  12. ^ Wu, Tsung-Tsong; Huang, Zi-Gui; Tsai, Tzu-Chin; Wu, Tzung-Chen (2008). “Nachweis einer vollständigen Bandlücke und Resonanzen in einer Platte mit periodisch stoppeliger Oberfläche”. Angewandte Physik Briefe. 93 (11). p. 111902. doi:10.1063 / 1.2970992. ISSN 0003-6951.
  13. ^ ein b Deyle, Travis (2010). “Elektropermanente Magnete: Programmierbare Magnete ohne statischen Stromverbrauch ermöglichen die kleinsten modularen Roboter, die es je gab.”. HiZook. Abgerufen 2012-04-06.
  14. ^ Hardesty, Larry (2012). “Selbstformender Sand”. MIT. Abgerufen 2012-04-06.
  15. ^ (Yim et al. 2007, S. 43–52) Ein Überblick über die jüngsten Arbeiten und Herausforderungen
  16. ^ Nguyen, Peter (17. September 2014). “Programmierbare Materialien auf Biofilmbasis aus technischen Curli-Nanofasern”. Naturkommunikation. 5: 4945. Bibcode:2014NatCo … 5.4945N. doi:10.1038 / ncomms5945. PMID 25229329.

Weiterführende Literatur[edit]

Externe Links[edit]


after-content-x4