Matéria programável - Programmable matter

Matéria programável é a matéria que tem a capacidade de alterar suas propriedades físicas (forma, densidade, módulos , condutividade, propriedades ópticas, etc.) de uma forma programável, com base na entrada do usuário ou detecção autônoma. A matéria programável está, portanto, ligada ao conceito de um material que possui inerentemente a capacidade de realizar o processamento de informações.

História

Matéria programável é um termo originalmente cunhado em 1991 por Toffoli e Margolus para se referir a um conjunto de elementos de computação refinados dispostos no espaço. Seu artigo descreve um substrato de computação que é composto de nós de computação de granulação fina distribuídos por todo o espaço que se comunicam usando apenas as interações do vizinho mais próximo. Neste contexto, matéria programável refere-se a modelos de computação semelhantes a autômatos celulares e autômatos de gás de rede . A arquitetura CAM-8 é um exemplo de realização de hardware deste modelo. Essa função também é conhecida como "áreas de referência digital" (DRA) em algumas formas de ciência da máquina autorreplicante .

No início dos anos 1990, houve uma quantidade significativa de trabalho em robótica modular reconfigurável com uma filosofia semelhante à matéria programável.

À medida que a tecnologia de semicondutores , nanotecnologia e tecnologia de máquina autorreplicante avançaram, o uso do termo matéria programável mudou para refletir o fato de que é possível construir um conjunto de elementos que podem ser "programados" para alterar suas propriedades físicas em realidade, não apenas na simulação . Assim, matéria programável passou a significar "qualquer substância a granel que pode ser programada para alterar suas propriedades físicas".

No verão de 1998, em uma discussão sobre átomos artificiais e matéria programável, Wil McCarthy e G. Snyder cunharam o termo "pedra de poço quântica" (ou simplesmente "pedra de poço") para descrever esta forma hipotética, mas plausível, de matéria programável. McCarthy usou o termo em sua ficção.

Em 2002, Seth Goldstein e Todd Mowry iniciaram o projeto claytronics na Carnegie Mellon University para investigar os mecanismos de hardware e software necessários para realizar a matéria programável.

Em 2004, o grupo de Ciência e Tecnologia da Informação da DARPA (ISAT) examinou o potencial da matéria programável. Isso resultou no estudo de 2005–2006 "Percebendo a matéria programável", que estabeleceu um programa plurianual para a pesquisa e o desenvolvimento de matéria programável.

Em 2007, a matéria programável foi objeto de uma solicitação de pesquisa da DARPA e do programa subsequente.

Abordagens

Tocar mídia

Uma questão programável 'simples' em que o elemento programável é externo ao próprio material. Fluido magnetizado não newtoniano, formando colunas de suporte que resistem a impactos e pressões repentinas.

Em uma escola de pensamento, a programação pode ser externa ao material e pode ser alcançada pela "aplicação de luz, voltagem, campos elétricos ou magnéticos, etc." ( McCarthy 2006 ). Por exemplo, uma tela de cristal líquido é uma forma de matéria programável. Uma segunda escola de pensamento é que as unidades individuais do conjunto podem computar e o resultado de seu cálculo é uma mudança nas propriedades físicas do conjunto. Um exemplo dessa forma mais ambiciosa de matéria programável é a claytrônica .

Existem muitas implementações propostas de matéria programável. A escala é um diferenciador chave entre as diferentes formas de matéria programável. Em uma extremidade do espectro, a robótica modular reconfigurável busca uma forma de matéria programável em que as unidades individuais estão na faixa de tamanho de centímetros. Na extremidade nanoescala do espectro, há um número tremendo de diferentes bases para matéria programável, variando de moléculas que mudam de forma a pontos quânticos . Os pontos quânticos são, na verdade, freqüentemente chamados de átomos artificiais. Na faixa de micrômetro a submilímetro, os exemplos incluem unidades baseadas em MEMS , células criadas usando biologia sintética e o conceito de névoa utilitária .

Um importante subgrupo de matéria programável são os materiais robóticos , que combinam os aspectos estruturais de um composto com as possibilidades oferecidas pela forte integração de sensores, atuadores, computação e comunicação, enquanto dispensam a reconfiguração pelo movimento das partículas.

Exemplos

Existem muitos conceitos de matéria programável e, portanto, muitos caminhos discretos de pesquisa usando o nome. Abaixo estão alguns exemplos específicos de matéria programável.

"Simples"

Isso inclui materiais que podem alterar suas propriedades com base em alguma entrada, mas não têm a capacidade de fazer cálculos complexos sozinhos.

Fluidos complexos

As propriedades físicas de vários fluidos complexos podem ser modificadas pela aplicação de uma corrente ou voltagem, como é o caso dos cristais líquidos .

Metamateriais

Metamateriais são compostos artificiais que podem ser controlados para reagir de maneiras que não ocorrem na natureza. Um exemplo desenvolvido por David Smith e depois por John Pendry e David Schuri é de um material que pode ter seu índice de refração ajustado para que possa ter um índice de refração diferente em diferentes pontos do material. Se ajustado corretamente, isso pode resultar em uma capa de invisibilidade .

Um outro exemplo de metamaterial -mecânico- programável é apresentado por Bergamini et al. Aqui, uma banda de passagem dentro do intervalo fonônico é introduzida, explorando rigidez variável de elementos piezoelétricos ligando tocos de alumínio à placa de alumínio para criar um cristal fonônico como no trabalho de Wu et al. Os elementos piezoelétricos são desviados para o solo por meio de indutores sintéticos. Em torno da frequência de ressonância do circuito LC formado pelo piezoelétrico e os indutores, os elementos piezoelétricos exibem rigidez próxima de zero, desconectando, assim, efetivamente os stubs da placa. Este é considerado um exemplo de metamaterial mecânico programável.

Em 2021, Chen et al. demonstraram um metamaterial mecânico cujas células unitárias podem, cada uma, armazenar um dígito binário análogo a um bit dentro de uma unidade de disco rígido. Da mesma forma, essas células unitárias mecânicas são programadas por meio da interação entre duas bobinas eletromagnéticas na configuração de Maxwell e um elastômero magnetoreológico incorporado. Diferentes estados binários estão associados a diferentes respostas de tensão-deformação do material.

Moléculas que mudam de forma

Uma área ativa de pesquisa está em moléculas que podem mudar sua forma, bem como outras propriedades, em resposta a estímulos externos. Essas moléculas podem ser usadas individualmente ou em massa para formar novos tipos de materiais. Por exemplo, o grupo de J Fraser Stoddart na UCLA tem desenvolvido moléculas que podem alterar suas propriedades elétricas.

Ímãs eletropermanentes

Um ímã eletropermanente é um tipo de ímã que consiste em um eletroímã e um ímã permanente de material duplo , no qual o campo magnético produzido pelo eletroímã é usado para alterar a magnetização do ímã permanente. O ímã permanente é composto por materiais magneticamente duros e macios, dos quais somente o material macio pode ter sua magnetização alterada. Quando os materiais magneticamente macios e duros têm magnetizações opostas, o ímã não tem campo de rede e, quando eles estão alinhados, o ímã exibe o comportamento magnético.

Eles permitem a criação de ímãs permanentes controláveis ​​onde o efeito magnético pode ser mantido sem a necessidade de um fornecimento contínuo de energia elétrica. Por essas razões, os ímãs eletropermanentes são componentes essenciais das pesquisas que visam a construção de ímãs programáveis ​​que podem dar origem a estruturas autoconstruídas.

Abordagens baseadas na robótica

Robótica modular autoconfigurável

A robótica modular com autoconfiguração é um campo da robótica no qual um grupo de módulos básicos de robôs trabalham juntos para formar formas dinamicamente e criar comportamentos adequados para muitas tarefas, semelhantes à matéria programável. SRCMR visa oferecer melhorias significativas para muitos tipos de objetos ou sistemas, introduzindo muitas novas possibilidades. Por exemplo: 1. O mais importante é a incrível flexibilidade que vem da capacidade de alterar a estrutura física e o comportamento de uma solução alterando o software que controla os módulos. 2. A capacidade de auto-reparo substituindo automaticamente um módulo quebrado tornará a solução SRCMR incrivelmente resiliente. 3. Reduzir a pegada ambiental, reutilizando os mesmos módulos em muitas soluções diferentes. A robótica modular com autoconfiguração desfruta de uma comunidade de pesquisa vibrante e ativa.

Claytronics

A Claytrônica é um campo emergente da engenharia que diz respeito a robôs reconfiguráveis ​​em nanoescala (' átomos claytronic ' ou cátomos ) projetados para formar máquinas ou mecanismos em escala muito maior . Os cátomos serão computadores sub-milimétricos que eventualmente terão a capacidade de se mover, se comunicar com outros computadores, mudar de cor e se conectar eletrostaticamente a outros cátomos para formar diferentes formas.

Autômatos celulares

Os autômatos celulares são um conceito útil para abstrair alguns dos conceitos de unidades discretas interagindo para fornecer um comportamento geral desejado.

Poços quânticos

Os poços quânticos podem conter um ou mais elétrons. Esses elétrons se comportam como átomos artificiais que, como átomos reais, podem formar ligações covalentes , mas são extremamente fracas. Por causa de seus tamanhos maiores, outras propriedades também são amplamente diferentes.

Biologia sintética

Um ribossomo é uma máquina biológica que utiliza a dinâmica de proteínas em nanoescalas para sintetizar proteínas

A biologia sintética é um campo que visa a engenharia de células com "novas funções biológicas". Essas células são geralmente usadas para criar sistemas maiores (por exemplo, biofilmes ) que podem ser "programados" utilizando redes de genes sintéticos , como interruptores genéticos , para mudar sua cor, forma, etc. Essas abordagens bioinspiradas para a produção de materiais foram demonstradas, usando materiais de biofilme bacteriano de auto-montagem que podem ser programados para funções específicas, como adesão de substrato, modelagem de nanopartículas e imobilização de proteínas.

Veja também

• Claytronics
• Computronium
• Nanotecnologia
• Material inteligente
• Smartdust
• Computação ubíqua
• Máquina universal de Turing
• Névoa utilitária

Referências

Leitura adicional

links externos

• "Impulso de matéria programável DARPA (Forças Armadas dos EUA)" . 26 de maio de 2009.