Claytronics este un concept abstract al viitorului, constând în combinarea roboților la scară nanometrică și a informaticii pentru a crea computere individuale de dimensiune atomică numite atomi Claytron sau k-atomi. Ele pot intra în contact unele cu altele și pot crea obiecte 3-D tangibile cu care utilizatorul poate interacționa. Această idee este inclusă în ideea mai generală de a crea o materie programabilă [1] . Numeroase studii și experimente cu argilă sunt efectuate de un grup de oameni de știință de la Universitatea Carnegie Mellon din Pittsburgh , Pennsylvania , care este format din profesori Todd Mowry, Seth Goldstein [2] , studenți absolvenți și studenți, precum și un grup de cercetare de la Laboratorul Intel din Pittsburgh [3] , de la Sheffield Robotics [4] [2] . Claytronics are potențialul de a avea un impact semnificativ în multe domenii ale vieții de zi cu zi, cum ar fi telecomunicațiile , interfața om-calculator și industria divertismentului .
Cercetările actuale se concentrează pe crearea de roboți modulari reconfigurabili și pe dezvoltarea sistemelor software necesare controlului roboților „de formă”. Predicate distribuite local (LRP) este un limbaj de programare distribuit la nivel înalt pentru proiectarea sistemelor de roboți reconfigurabili modulari (MRR). Există multe probleme asociate cu programarea și gestionarea unui număr mare de sisteme modulare discrete datorită numeroaselor grade de libertate cărora le corespunde fiecărui modul. De exemplu, reconfigurarea unei structuri la alta poate necesita o cale lungă de călătorie condusă de un lanț complex de comenzi, chiar dacă cele două structuri diferă doar puțin [5] .
În 2005, eforturile cercetătorilor de a dezvolta un concept hardware în intervalul milimetric al scalei de mărime au avut succes. Au fost create prototipuri cilindrice cu diametrul de 44 mm , interacționând între ele printr- un câmp electromagnetic . Aceste experimente i-au ajutat pe cercetători să stabilească o relație între masă și puterea potențială a legăturii dintre obiecte, care poate fi formulată astfel: „reducerea de 10 ori a dimensiunii duce la o creștere de 100 de ori a forței în raport cu masa” [1] . Cele mai recente realizări în dezvoltarea unor astfel de prototipuri sunt roboții cilindrici cu un diametru de aproximativ un milimetru, realizați folosind tehnologia filmului subțire folosind fotolitografie . Ele interacționează între ele folosind un software complex care controlează atracția și repulsia electromagnetică dintre module [6] .
Stimulentul activator pentru dezvoltarea software-ului este disponibilitatea dispozitivelor care se modifică singure într-o direcție dată. Claytronics, prin definiție, este o colecție de componente individuale numite atomi Claytron sau k-atomi. Pentru a fi viabili, atomii k trebuie să îndeplinească o serie de criterii. În primul rând, atomii k trebuie să se poată mișca în spațiul tridimensional unul față de celălalt și să se poată conecta între ei, formând structuri tridimensionale. În al doilea rând, k-atomii trebuie să poată comunica între ei și să poată procesa informații despre structura structurii, eventual cu ajutorul unul altuia. În esență, k-atomii constau din procesoare , dispozitive de comunicare în rețea , un afișaj cu un singur pixel , mai mulți senzori , o baterie la bord și mijloace de conectare între ele [1] .
Cercetătorii de la Universitatea Carnegie Mellon au dezvoltat diverse prototipuri de atomi k. Acestea variază de la cuburi mici până la baloane uriașe pline cu heliu [7] . Prototipul pe care dezvoltatorii îl speră cel mai mult ca viitor k-atom este un k-atom plat. Are forma unui cilindru cu diametrul de 44 mm, care este echipat cu 24 de electromagneti situati in jurul circumferintei sale. Mișcarea atomilor k se realizează împreună prin pornirea și oprirea electromagneților pentru a se rostogoli unul pe suprafața celuilalt. În fiecare moment de timp, doar un electromagnet din fiecare atom k este alimentat cu energie. Aceste prototipuri sunt capabile să se reconfigureze destul de rapid. Deconectarea a două blocuri, trecerea la alt punct de contact și o nouă conexiune durează aproximativ 100 ms . Puterea este furnizată atomilor k prin intermediul picioarelor speciale din partea inferioară a cilindrului. Benzile conductoare de pe masă furnizează puterea necesară [8] .
Proiectele actuale ale atomilor k permit doar mișcarea în două dimensiuni unul față de celălalt, dar viitorii atomi k vor trebui să se miște în trei dimensiuni. Scopul oamenilor de știință este să dezvolte atomi de K de dimensiuni milimetrice, fără piese în mișcare, pentru a asigura o fabricabilitate ridicată. Milioane de astfel de microroboți vor putea emite lumină de intensitate diferită și culori diferite, permițându-le să fie utilizate pentru redarea fizică dinamică (crearea de picturi). Pentru implementarea unor astfel de structuri, obiectivul local de dezvoltare a fost transferat la crearea unor k-atomi destul de simpli care funcționează doar ca parte a unui ansamblu și, împreună cu ansamblul în ansamblu, sunt capabili să îndeplinească funcții mai complexe [9] .
Pe măsură ce atomii k se micșorează în dimensiune, bateria de la bord necesară pentru a-l rula va depăși în curând dimensiunea atomului k în sine, așa că vor fi necesare soluții alternative pentru a rezolva problemele energetice. În prezent, se efectuează cercetări privind nutriția tuturor atomilor k din ansamblu, privind utilizarea contactului unui atom k cu un atom ca mijloc de transport al energiei. Într-una dintre opțiuni, se studiază posibilitatea de a utiliza un tabel special cu electrozi pozitivi și negativi și de a transfera energie la atomii k folosind „firele virtuale”.
O altă sarcină importantă este dezvoltarea conectorilor uni universali pentru atomi k, astfel încât timpul de reconfigurare să fie menținut la minimum. Nanofibrele vor oferi o posibilă soluție la această problemă [10] . Nanofibrele permit o coeziune ridicată la dimensiuni mici și asigură un consum redus de energie atunci când atomii k sunt în repaus.
Organizarea tuturor conexiunilor și interacțiunilor dintre milioane de atomi k la scară submilimetrică necesită dezvoltarea de noi algoritmi și limbaje de programare. Cercetătorii și inginerii de la Carnegie Mellon-Intel Claytronics Lab au început o gamă largă de proiecte de dezvoltare software pentru a facilita dezvoltarea interacțiunilor dintre k-atomi. Cele mai importante proiecte includ dezvoltarea de noi limbaje de programare care permit utilizarea mai eficientă a capacităților Claytronics. Scopul Claytron Matrix este de a forma în mod dinamic obiecte 3D. Dar numărul mare de atomi k din acest sistem distribuit crește complexitatea micro-gestionării fiecărui atom k. Fiecare k-atom trebuie să primească informații precise despre locația sa și să execute comenzi pentru a interacționa cu vecinii săi. În acest mediu, limbajul de programare pentru operațiile cu matrice trebuie să conțină declarații concise pentru comenzile de nivel înalt, astfel încât acestea să se poată propaga rapid prin rețea. Limbajul de programare cu matrice necesită o sintaxă și un stil de instrucțiuni mai conciși decât limbajele de programare convenționale, cum ar fi C++ sau Java [11] .
Carnegie Mellon-Intel Claytronics Lab a creat două noi limbaje de programare: Meld și Locally Distributed Predicates (LRP).
Meld este un limbaj declarativ , un limbaj de programare logic destinat inițial pentru programarea rețelelor suprapuse [12] . Cu programarea logică, codul pentru un ansamblu de roboți poate fi interpretat dintr-o perspectivă globală, permițând programatorului să se concentreze pe performanța generală a matricei Claytron, mai degrabă decât să scrie instrucțiuni individuale pentru fiecare dintre cele câteva mii sau milioane de k-atomi din ansamblu. [13] Acest lucru simplifică foarte mult procesul de gândire la programarea mișcării matricei Claytron.
LDP este un limbaj de programare reactiv . A fost folosit pentru depanare în cercetările anterioare. Pe lângă un limbaj care permite programatorului să descrie operațiile atunci când proiectează o matrice de formă, LDP poate fi folosit pentru a analiza condițiile locale distribuite [14] . Poate funcționa cu un grup asociat de module de dimensiuni fixe, oferind diverse funcții de gestionare a stării de configurare. Programele care vizează module de dimensiuni fixe mai degrabă decât întreaga populație permit programatorilor să lucreze cu matrice Claytron mai frecvent și mai eficient. LDP oferă, de asemenea, mijloace pentru coordonarea interacțiunii structurilor distribuite. Acest lucru permite programatorului să manipuleze un set mai larg de variabile logice booleene , ceea ce permite programului să caute obiecte mai mari pentru interacțiune activă și să construiască o strategie de comportament între grupuri de module [5] .
Manifestarea erorilor între mii și milioane de atomi k individuali este dificil de detectat și corectat, prin urmare, operațiunile matricei Claytron necesită o procedură dinamică și independentă de detectare și depanare a erorilor . Cercetătorii Claytronics au dezvoltat puncte de întrerupere distribuite, un algoritm la nivel de abordare pentru detectarea și remedierea erorilor ratate prin metodele tradiționale de depanare [15] . Acest algoritm determină nodurile care sunt monitorizate pentru a determina adevărul stărilor distribuite. [16] Această abordare oferă un set simplu și descriptiv de reguli pentru estimarea stărilor distribuite și este eficientă în detectarea erorilor.
Două clase importante de algoritmi claytronics sunt algoritmii de creare a formei și de localizare. Scopul final al cercetării Claytronics este de a crea mișcare în trei dimensiuni. Toate studiile privind deplasarea atomului k, activarea colectivă și controlul ierarhic al mișcării se bazează pe un algoritm de creare a formei pentru a aduce atomii k în structura necesară, ceea ce va oferi rezistență și o tranziție lină la un ansamblu dinamic. Algoritmii de localizare oferă atomilor k posibilitatea de a-și găsi pozițiile în ansamblu [17] . În plus, algoritmii de localizare trebuie să ofere cunoștințe relativ precise despre atomii k ai întregii matrice în ansamblu, bazate pe observarea unui sistem complet distribuit în prezența zgomotului.
Pe măsură ce posibilitățile de dezvoltare a modulelor robotizate sunt epuizate, claytronics va deveni utilă în multe aplicații. Aplicațiile viitoare ale claytronicii se referă la noile metode de comunicare. Claytronics poate oferi un sentiment realist de conectare pe distanțe lungi, numit „pario”. Așa cum informațiile audio și video creează efecte auditive și vizuale, pario oferă simultan senzații auditive, vizuale și fizice. Utilizatorul va putea să audă, să vadă și să atingă obiectul comunicării într-un mod complet realist. Pario poate fi utilizat eficient în multe discipline profesionale de la proiectare inginerească, educație și sănătate, divertisment și agrement, de exemplu, în jocurile video [18] .
Realizarea progreselor în nanotehnologie și informatică necesare pentru Claytronics este posibilă, dar va necesita rezolvarea unor probleme uriașe și introducerea multor inovații. Într-un interviu din decembrie 2008, Jason Campbell, liderul echipei de cercetare la laboratorul Intel din Pittsburgh, a declarat: „Estimările mele despre cât timp ar dura un studiu au variat de la 50 de ani până la doar câțiva ani. Și asta de vreo patru ani lucrez la proiect” [19] .