Materia programabilă este materia care își poate modifica proprietățile fizice (forma, densitatea, structura, proprietățile optice etc.) într-un mod programabil , prin percepții definite de utilizator sau autonome. Materia programabilă este astfel legată de conceptul de material care are o capacitate inerentă de a efectua procesarea informațiilor . Constă din calculatoare moleculare .
Termenul „materie programabilă” a fost inventat inițial în 1991 de Toffoli .și Margoluspentru a desemna un ansamblu de componente de calcul cu granulație fină situate în spațiu. [1] Articolul lor descrie un strat de bază computațional format din noduri de calcul cu granulație fină, distribuite spațial, care comunică interacționând numai cu vecinii lor cei mai apropiați. În acest sens, materia programabilă se referă la modele de calcul similare cu automatele celulare și automatele cu gaz reticulat. [2] Arhitectura CAM-8 este un exemplu de implementare hardware a acestui model. [3] Această funcție este cunoscută și ca „câmpuri de referință digitale” în unele secțiuni ale științei mașinilor cu auto-replicare. [patru]
La începutul anilor 1990, a apărut o cantitate semnificativă de muncă în domeniul roboticii modulare reconfigurabile cu o filozofie similară materiei programabile.
Când nanotehnologiile și tehnologiile materialelor semiconductoare și mașinilor cu auto-replicare au atins un anumit nivel, utilizarea termenului de „materie programabilă” s-a schimbat, pe măsură ce s-au deschis posibilități complet noi. A devenit disponibil pentru a construi astfel de seturi de elemente care pot fi „programate” astfel încât proprietățile lor fizice să se schimbe în realitate, și nu doar pe model. Astfel, sub materia programabilă a început să se înțeleagă „orice set de substanțe care pot fi programate pentru a-și schimba proprietățile fizice”.
În vara anului 1998, într-o discuție despre atomii artificiali și materia programabilă, Wil McCarthy și G. Schneider au inventat termenul de piatră cuantică din engleză. — „piatră cuantică” (sau pur și simplu „piatră”) pentru a descrie forma sa ipotetică, dar plauzibilă, de materie programabilă. McCarthy a folosit termenul în romanele sale.
În 2002, Seth Goldstein și Todd Mowry au început Proiectul Claytronics al Universității Carnegie Mellon pentru a investiga mecanismele hardware și software care stau la baza implementării materiei programabile.
În 2004, grupul de știință și tehnologie a informației DARPA a explorat potențialul de a crea materie programabilă. Rezultatele cercetărilor efectuate în perioada 2005-2006 au fost publicate în raportul „Realizarea materiei programabile”, care a pus bazele unui plan multianual de cercetare a materiei programabile.
În 2007, materia programabilă a făcut obiectul unei licitații DARPA pentru planuri de cercetare și dezvoltare. [5] [6]
Conform uneia dintre ideile gândirii creative, programarea este considerată externă materiei, astfel încât materia își poate schimba în mod intenționat proprietățile atunci când este expusă la lumină, câmpuri electrice sau magnetice etc. [7] De exemplu, în această școală, un afișaj cu cristale lichide este una dintre formele materiei programabile. Susținătorii celei de-a doua școli consideră că, dacă elementele individuale ale unei anumite populații pot efectua calcule, atunci, ca urmare a acestor calcule, este posibilă modificarea proprietăților fizice ale întregii populații. Un exemplu al acestei direcții mai ambițioase în dezvoltarea materiei programabile este claytronica , în care rezultatul calculelor elementelor unui agregat este o schimbare a formei acestuia .
Acum s-au propus multe concretizări ale materiei programabile, care pot fi situate condiționat la o anumită scară care are dimensiunea lungimii. La un capăt al spectrului va fi robotica modulară reconfigurabilă, în care elementele individuale ale structurilor se află într-un interval de centimetri de distanțe unele de altele. [8] [9] La sfârșitul la scara nanometrică a spectrului, există un număr mare de concretizări diferite ale materiei programabile, variind de la metode de schimbare a moleculelor la puncte cuantice . [10] Punctele cuantice sunt adesea denumite atomi artificiali. În intervalul de la microni până la submilimetri al scării noastre se află claytronics, sisteme microelectromecanice , celule create folosind biologia sintetică și conceptul de ceață de utilitate .
Deoarece au fost dezvoltate multe concepte de materie programabilă, au apărut multe domenii de cercetare științifică, folosind același nume pentru direcția lor. Mai jos sunt câteva exemple specifice de materie programabilă.
Include materiale care își pot modifica proprietățile pe baza unor semnale de intrare, dar singure nu fac calcule complexe.
Fluide complexeProprietățile fizice ale unor lichide complexe pot fi modificate prin aplicarea de curent sau tensiune, așa cum este cazul cristalelor lichide .
Metamateriale - cristaleMetamaterialele sunt compozite artificiale care au o astfel de interacțiune chimică controlată care nu are loc în natură. Un exemplu este materialul dezvoltat de David Smith și mai târziu de John Pendry și David Shuri, care are indicele de refracție ajustat astfel încât să poată avea valori diferite în diferite puncte ale materialului. Dacă setarea este făcută corespunzător, atunci dintr-o astfel de substanță poate fi făcută o „pelerina de invizibilitate”.
Molecule care schimbă formăO zonă activă de cercetare sunt moleculele care își pot schimba forma, precum și alte proprietăți, ca răspuns la stimuli externi. Aceste molecule pot fi folosite individual sau în masă pentru a forma noi tipuri de materiale. De exemplu, grupul lui Fraser Stoddart de la Universitatea din California dezvoltă molecule care își pot schimba proprietățile electrice. [unsprezece]
Robotica modulară cu autoconfigurare (SMR) este un domeniu al roboticii al cărui scop este acela de a crea grupuri de module robotizate care să lucreze împreună, care trebuie să-și schimbe dinamic forma și să creeze un tip de comportament potrivit pentru îndeplinirea sarcinilor. Ca și alte tipuri de materie programabilă, CPM încearcă să ofere un fel de îmbunătățire a obiectelor sau sistemelor de orice natură prin introducerea de noi caracteristici, de exemplu:
Robotica modulară cu auto-configurare se bucură de un sprijin puternic și activ din partea comunității de cercetare. Mai multe informații și link-uri pot fi găsite pe site-ul web: [12]
ClaytronicsClaytronics este o nouă ramură a științelor tehnice asociată cu roboți la scară nanometrică reconfigurabili (atomi de claytron sau atomi k) proiectați pentru a crea mașini și mecanisme mai mari. Atomii K sunt computere de dimensiuni submilimetrice și ar trebui, în cele din urmă, să se poată deplasa, să comunice cu alte computere, să își schimbe culoarea și să se conecteze electrostatic cu alți atomi k pentru a forma diverse forme predeterminate.
Automate celulareAutomatele celulare sunt un concept abstract util care vă permite să generalizați unele dintre conceptele obiectelor care interacționează discret și să le oferiți comportamentul general dorit.
Un puț cuantic poate conține unul sau mai mulți electroni. Acești electroni, împreună cu puțul cuantic, se comportă ca niște atomi artificiali, care, ca și atomii reali, pot forma legături covalente , deși sunt extrem de slabi. Alte proprietăți ale puțurilor cuantice variază, de asemenea, într-o gamă largă, datorită dimensiunilor lor mari în comparație cu atomii adevărați.
Biologia sintetică este un domeniu de cercetare care vizează crearea de celule cu „noi funcții biologice”. Astfel de celule sunt utilizate în mod obișnuit pentru a crea sisteme mari (cum ar fi biofilmele) care pot fi „programate” să folosească rețele genetice sintetice (cum ar fi comutatoarele bistabile genetice), astfel încât să își poată schimba culoarea, forma etc.
În science fiction, materia programabilă este până acum în principal obiectul unei viziuni asupra viitorului. Ideile din spatele lui sunt explorate în multe lucrări de science fiction . De exemplu (aceasta listă este departe de a fi completă):