Клейтроніка – це
Клейтро́ніка- абстрактна концепція майбутнього, яка полягає в поєднанні наномасштабних роботів та інформатики з метою створення індивідуальних комп'ютерів атомних розмірів, званих клейтронними атомами або к-атомами. Вони можуть вступати в контакт один з одним і створювати матеріальні 3D об'єкти, з якими може взаємодіяти користувач. Ця ідея входить у більш загальну ідею створення програмованої матерії. [1] Численні дослідження та експерименти з клейтронікою проводяться групою вчених в університеті Карнегі-Меллона в Пітсбурзі, штат Пенсільванія, яка складається з професорів Тодда Моурі, Сета Голдштейна, аспірантів і студентів, а також дослідницькою групою з лабораторії Інтел в Пітсбурзі. [2] Клейтроніка має потенціал значного впливу на багато сфер повсякденного життя, такі як телекомунікації, людино-комп'ютерний інтерфейс та індустрію розваг.
Зміст
Поточні дослідження
Поточні дослідження спрямовані на створення модульних роботів, що реконфігуруються, і розробку програмних комплексів, необхідних для управління роботами з «змінюваною формою». Локально розподілені предикати (ЛРП) - це розподілена мова програмування високого рівня для проектування систем модульних роботів, що реконфігуруються (МРР). Є багато проблем, пов'язаних з програмуванням та керуванням великою кількістю дискретних модульних систем через множинність ступенів свободи, які відповідають кожному модулю. Наприклад, для переналаштування однієї структури в іншу може знадобитися великий шлях переміщень, керований складним ланцюжком команд, навіть якщо ці дві структури трохи відрізняються один від одного. [3]
У 2005 році зусилля дослідників з розробки концепції апаратногозабезпечення у міліметровому діапазоні розмірної шкали виявилися успішними. Були створені циліндричні прототипи розміром 44 мм у діаметрі, що взаємодіють один з одним за допомогою електромагнітного поля. Ці експерименти допомогли дослідникам встановити співвідношення між масою та потенційною силою зв'язку між об'єктами, яке можна сформулювати так: «10-кратне зменшення розміру призводить до 100-кратного збільшення сили по відношенню до маси». [1] Останніми досягненнями з розробки таких прототипів стали циліндричні роботи діаметром близько міліметра, виготовлені за тонкоплівковою технологією методом фотолітографії. Вони взаємодіють один з одним за допомогою складного програмного забезпечення, яке керує електромагнітним тяжінням та відштовхуванням між модулями. [4]
Апаратура
Активізуючим стимулом розробки програмного забезпечення є наявність пристроїв, які модифікують самі себе в заданому напрямку. Клейтроніка за визначенням — це набір окремих компонентів, які називаються клейтронними атомами або к-атомами. Щоб мати живучість, к-атоми повинні задовольняти ряду критеріїв. По-перше, до атоми повинні вміти рухатися в тривимірному просторі один щодо одного і бути здатними з'єднуватися один з одним, утворюючи тривимірні конструкції. По-друге, атоми повинні вміти спілкуватися один з одним і мати можливість обробляти інформацію про структуру конструкції, можливо, за допомогою один одного. По суті, до атоми складаються з процесорів, мережевих пристроїв зв'язку, однопіксельного дисплея, декількох датчиків, бортового акумулятора та засобів з'єднання один з одним. [1]
Сучасні к-атоми
Дослідники Університету Карнегі-Меллона розробили різні прототипи к-атомів. Вони варіюються віддрібних кубиків до гігантських куль, наповнених гелієм. [5] Прототип, який найбільше сподіваються розробники як у майбутній к-атом — це плоскої к-атом. Він має форму циліндра діаметром 44 мм, який оснащений 24 електромагнітами, розташованими на його колі. Рух до-атомів здійснюється спільно включенням і вимиканням електромагнітів для того, щоб котитися по поверхні один одного. У кожний момент часу тільки один електромагніт кожного к-атома подається енергія. Ці прототипи здатні переналаштувати себе досить швидко. Роз'єднання двох блоків, пересування до іншої точки контакту та нове з'єднання займає близько 100 мс. Живлення подається на к-атоми через спеціальні ніжки на дні циліндра. Стрічки, що проводять, на столі підводять необхідну потужність. [6]
Напрямки розробок
Сучасні конструкції к-атомів забезпечують рух тільки у двох вимірах щодо один одного, але майбутні к-атоми повинні будуть переміщатися у трьох вимірах. Метою вчених є розробка к-атомів міліметрового розміру без будь-яких рухомих частин, щоб забезпечити високу технологічність. Мільйони таких мікророботів зможуть випромінювати світло змінної інтенсивності та різного кольору, дозволяючи використовувати їх для динамічного фізичного рендерингу (створення картин). Для реалізації таких конструкцій локальна мета розробок було перенесено створення досить простих к-атомов, які функціонують лише у складі ансамблю, і з ансамблем загалом здатні до виконання складніших функцій. [7]
Оскільки к-атоми зменшуються в розмірі, бортовий акумулятор, необхідний для його роботи, скоро перевершуватиме розмір самого к-атома, тому для вирішення проблем енергетики потрібні альтернативні рішення. В даний час проводятьсядослідження з харчування всіх к-атомів в ансамблі, використання контакту к-атома з к-атомом як спосіб транспортування енергії. В одному з варіантів вивчається можливість використання спеціального столу з позитивним та негативним електродами та передача енергії до атомів за допомогою «віртуальних проводів».
Ще одним важливим завданням є розробка універсальних одинарних роз'ємів для к-атомів, щоб час реконфігурації було на мінімальному рівні. Нановолокна забезпечать можливе вирішення цієї проблеми. [8] Нановолокна допускають велике зчеплення при малих розмірах і забезпечують низький рівень енергоспоживання, коли к-атоми перебувають у стані спокою.
Програмне забезпечення
Організація всіх зв'язків та взаємодій між мільйонами к-атомів субміліметрового масштабу потребує розробки нових алгоритмів та мов програмування. Дослідники та інженери лабораторії клейтроніки Карнегі-Меллона-Інтел розпочали широкий діапазон проектів з розробки програмного забезпечення для полегшення розробок взаємодії між к-атомами. До найважливіших проектів належить розробка нових мов програмування, які дозволяють ефективніше використовувати можливості клейтроніки. Метою клетронної матриці є динамічне формування тривимірних об'єктів. Але величезна кількість к-атомів у цій розподіленій системі збільшує складність мікро-управління кожним до-атомом. Кожен к-атом повинен сприймати точну інформацію про своє місцезнаходження та виконувати команди взаємодії зі своїми сусідами. У цьому середовищі мова програмування для матричних операцій повинна містити лаконічні твердження для команд високого рівня, щоб вони могли швидко поширюватися по мережі. Мова програмування матриць вимагає коротшогосинтаксису та стилю команд, ніж звичайні мови програмування, такі як C++ або Java. [9]
Лабораторія клейтроніки Карнегі-Меллона-Інтел створила дві нові мови програмування: Meld та локально розподілені предикати (ЛРП).
Meld - це декларативна мова, мова логічного програмування, спочатку призначена для програмування оверлейних мереж. [10] За допомогою логічного програмування код для ансамблю роботів може бути інтерпретований з глобальної точки зору, що дозволяє програмісту зосередитися на загальній продуктивності матриці клейтронів, а не писати окремі інструкції для кожного з декількох тисяч або мільйонів к-атомів в ансамблі. [11] Це значно спрощує процес мислення при програмуванні руху клейтронної матриці.
Локально розподілені предикати
ЛДП є реактивною мовою програмування. Він використовувався для налагодження у ранніх дослідженнях. На додаток до мови, що дозволяє програмісту описувати операції розробки матриці форми, ЛДП може використовуватися для аналізу розподілених локальних умов. [12] Він може працювати з пов'язаною групою модулів фіксованого розміру, забезпечуючи різні функції управління станом конфігурації. Програми, націлені на модулі фіксованого розміру, а не на повну сукупність, дозволяють програмістам працювати з клейтронними матрицями частіше та ефективніше. У ЛДП передбачено також кошти на узгодження взаємодії розподілених структур. Це дає можливість програмісту маніпулювати ширшим набором змінних булевої логіки, що дозволяє програмі шукати більші об'єкти для активної взаємодії і будувати стратегію поведінки серед груп модулів. [3]
Розподілені точкизупинка
Прояв помилок серед тисяч і мільйонів окремих к-атомів важко виявити та виправити, тому клейтронні матричні операції вимагають динамічної та самостійної процедури виявлення та налагодження помилок. Дослідники клейтроніки розробили розподілені точки зупинки, алгоритм лише на рівні підходу виявлення і фіксації помилок, пропущених традиційними методами налагодження. [13] Цей алгоритм визначає вузли, за якими встановлюється спостереження визначення істинності розподілених станів. [14] Такий підхід забезпечує простий та описовий набір правил для оцінки розподілених станів та виявляється ефективним при виявленні помилок.
Два важливі класи алгоритмів клейтроніки відносяться до алгоритмів створення та локалізації форми. Кінцева мета досліджень клейтроніки полягає у створенні руху у тривимірному поданні. Всі дослідження переміщень до атомів, колективної активації та ієрархічного управління рухом засновані на алгоритмі створення форми для приведення до атомів у необхідну структуру, яка забезпечить міцність і плавний перехід до динамічного ансамблю. Алгоритми локалізації забезпечують до-атомам можливість знаходження своїх позицій в ансамблі. [15] Крім того, алгоритми локалізації повинні забезпечувати точне відносне знання до атомами всієї матриці в цілому, заснованої на спостереженні повністю розподіленої системи за наявності шумів.