Просмотр кода страницы Клэйтроника

<noinclude>{{к удалению|2022-02-03}}</noinclude>
'''Клэйтро́ника''' — абстрактная [[концепция]] будущего, состоящая в объединении [[Наноробот|наномасштабных роботов]] и [[Информатика|информатики]] с целью создания индивидуальных компьютеров атомных размеров, называемых клэйтронными атомами или к-атомами. Они могут вступать в контакт друг с другом и создавать материальные 3-D объекты, с которыми может взаимодействовать пользователь. Эта идея входит в более общую идею создания [[Программируемая материя|программируемой материи]]<ref name="Goldstein (2005)">Goldstein (2005), p. 99—101</ref>. Многочисленные исследования и эксперименты с клэйтроникой проводятся группой учёных в [[Университет Карнеги-Меллона|университете Карнеги-Меллона]] в [[Питсбург]]е, штат [[Пенсильвания]], которая состоит из профессоров Тодда Моури, Сета Голдштейна<ref name="Fish">{{статья |автор=Роман Фишман |заглавие=Умная материя|издание=[[Популярная механика]] |год=2017 |номер=7 |страницы=24—27}}</ref>, аспирантов и студентов, а также исследовательской группой из лаборатории [[Интел]] в Питтсбурге{{sfn|Goldstein (2010b)}}, лабораторией Sheffield Robotics<ref>{{Cite web |url=http://www.sheffieldrobotics.ac.uk |title=Sheffild Robotics |access-date=2017-06-25 |archive-date=2020-02-06 |archive-url=https://web.archive.org/web/20200206015607/https://www.sheffieldrobotics.ac.uk/ |url-status=live }}</ref><ref name="Fish"></ref>. Клэйтроника имеет потенциал значительного влияния на многие сферы повседневной жизни, такие как [[телекоммуникации]], [[человеко-компьютерное взаимодействие|человеко-компьютерный интерфейс]] и индустрию [[развлечения|развлечений]].

== Текущие исследования ==
Текущие исследования направлены на создание модульных реконфигурируемых роботов и разработку программных комплексов, необходимых для управления роботами с «изменяемой формой». Локально распределённые предикаты (ЛРП) — это [[распределённые вычисления|распределённый]] [[язык программирования высокого уровня]] для проектирования систем модульных реконфигурируемых роботов (МРР). Есть много проблем, связанных с программированием и управлением большим числом дискретных модульных систем из-за множественности [[Степени свободы|степеней свободы]], которые соответствуют каждому модулю. Например, для перенастройки одной структуры в другую может потребоваться большой путь перемещений, управляемый сложной цепочкой команд, даже если эти две структуры незначительно отличаются друг от друга<ref name="De Rosa (2009)">De Rosa (2009)</ref>.

В [[2005 год|2005 году]] усилия исследователей по разработке концепции аппаратного обеспечения в миллиметровом диапазоне размерной шкалы оказались успешными. Были созданы цилиндрические прототипы размером {{число|44|мм}} в диаметре, взаимодействующие друг с другом посредством [[электромагнитное поле|электромагнитного поля]]. Эти эксперименты помогли исследователям установить соотношение между массой и потенциальной силой связи между объектами, которое можно сформулировать так: «10-кратное уменьшение размера приводит к 100-кратному увеличению силы по отношению к массе»<ref name="Goldstein (2005)"/>. Последними достижениями по разработке таких прототипов стали цилиндрические роботы диаметром около миллиметра, изготовленные по [[тонкоплёночная технология|тонкоплёночной технологии]] методом [[фотолитография|фотолитографии]]. Они взаимодействуют друг с другом с помощью сложного программного обеспечения, которое управляет электромагнитным притяжением и отталкиванием между модулями<ref>Karagozler (2009)</ref>.

== Аппаратура ==
Активизирующим стимулом по разработке программного обеспечения является наличие устройств, которые модифицируют сами себя в заданном направлении. Клэйтроника по определению — это набор отдельных компонентов, называемых клэйтронными атомами или к-атомами. Чтобы обладать живучестью, к-атомы должны удовлетворять ряду критериев. Во-первых, к-атомы должны уметь двигаться в трёхмерном пространстве друг относительно друга и быть способными соединяться друг с другом, образуя трёхмерные конструкции. Во-вторых, к-атомы должны уметь общаться друг с другом и иметь возможность обрабатывать информацию о структуре конструкции, возможно, с помощью друг друга. По сути, к-атомы состоят из [[процессор]]ов, [[сетевое оборудование|сетевых]] [[устройство связи|устройств связи]], [[пиксел|однопиксельного]] дисплея, нескольких [[датчик]]ов, бортового [[аккумулятор]]а и средств соединения друг с другом<ref name="Goldstein (2005)" />.

=== Современные к-атомы ===
Исследователи Университета Карнеги-Меллона разработали различные прототипы к-атомов. Они варьируются от мелких кубиков до гигантских шаров, наполненных гелием<ref>Karagozler (2006)</ref>. Прототип, на который больше всего надеются разработчики как на будущий к-атом — это плоский к-атом. Он имеет форму [[цилиндр]]а диаметром 44 мм, который оснащён 24 [[электромагнит]]ами, расположенными по его окружности. Движение к-атомов осуществляется совместно включением и выключением электромагнитов для того, чтобы катиться по поверхности друг друга. В каждый момент времени только на один элетромагнит каждого к-атома подаётся энергия. Эти прототипы способны перенастроить себя довольно быстро. Разъединение двух блоков, передвижение к другой точке контакта и новое соединение занимает около {{число|100|мс}}. Питание подаётся на к-атомы через специальные ножки на дне цилиндра. Проводящие ленты на столе подводят необходимую мощность<ref>Kirby (2005), p. 1730—1731</ref>.

=== Направления разработок ===
Современные конструкции к-атомов обеспечивают движение только в двух измерениях относительно друг друга, но будущие к-атомы должны будут перемещаться в трёх измерениях. Целью учёных является разработка к-атомов миллиметрового размера без каких-либо движущихся частей, чтобы обеспечить высокую технологичность. Миллионы таких микророботов смогут излучать свет переменной интенсивности и разного цвета, позволяя использовать их для динамического физического рендеринга (создания картин). Для реализации таких конструкций локальная цель разработок была перенесена на создание достаточно простых к-атомов, которые функционируют только в составе ансамбля, и с ансамблем в целом способны к выполнению более сложных функций<ref>Kirby (2007)</ref>.

Поскольку к-атомы уменьшаются в размере, бортовой аккумулятор, требуемый для его работы, скоро будет превосходить размер самого к-атома, поэтому для решения проблем энергетики потребуются альтернативные решения. В настоящее время проводятся исследования по питанию всех к-атомов в ансамбле, по использованию контакта к-атома с к-атомом в качестве способа транспортировки энергии. В одном из вариантов изучается возможность использования специального стола с положительным и отрицательным [[электрод]]ами и передача энергии к-атомам с помощью «виртуальных проводов».

Ещё одной важной задачей является разработка универсальных одинарных разъёмов для к-атомов, с тем чтобы время реконфигурации было на минимальном уровне. [[Нановолокно|Нановолокна]] обеспечат возможное решение этой проблемы<ref>Aksak (2007), p. 91</ref>. Нановолокна допускают большое сцепление при малых размерах и обеспечивают низкий уровень энергопотребления, когда к-атомы находятся в состоянии покоя.

== Программное обеспечение ==
Организация всех связей и взаимодействий между миллионами к-атомов субмиллиметрового масштаба требует разработки новых алгоритмов и языков программирования. Исследователи и инженеры лаборатории клэйтроники Карнеги-Меллона-Интел начали широкий диапазон проектов по разработке программного обеспечения для облегчения разработок взаимодействия между к-атомами. К наиболее важным проектам относится разработка новых языков программирования, которые позволяют более эффективно использовать возможности клэйтроники. Целью клэйтронной матрицы является динамическое формирование трёхмерных объектов. Но огромное количество к-атомов в этой [[распределённая система|распределённой системе]] увеличивает сложность микро-управления каждым к-атомом. Каждый к-атом должен воспринимать точную информацию о своём местоположении и выполнять команды взаимодействия со своими соседями. В этой среде язык программирования для матричных операций должен содержать лаконичные утверждения для команд высокого уровня, чтобы они могли быстро распространяться по сети. Язык программирования матриц требует более краткого [[синтаксис]]а и стиля [[команда|команд]], чем обычные языки программирования, такие как [[C++]] или [[Java]]<ref>Goldstein (2010a)</ref>.

Лаборатория клэйтроники Карнеги-Меллона-Интел создала два новых языка программирования: Meld и локально распределённые предикаты (ЛРП).

=== Meld ===
Meld — это [[Декларативное программирование|декларативный язык]], язык логического программирования, первоначально предназначенный для программирования [[Оверлейная сеть|оверлейных сетей]]<ref>Ashley-Rollman (2007b)</ref>. С помощью логического программирования код для ансамбля роботов может быть интерпретирован с глобальной точки зрения, что позволяет программисту сосредоточиться на общей производительности клэйтронной матрицы, а не писать отдельные инструкции для каждого из нескольких тысяч или миллионов к-атомов в ансамбле.<ref>Ashley-Rollman (2007a)</ref> Это существенно упрощает процесс мышления при программировании движения клэйтронной матрицы.

=== Локально распределённые предикаты ===
ЛДП является [[Реактивное программирование|реактивным языком программирования]]. Он использовался для отладки в более ранних исследованиях. В дополнение к языку, который позволяет программисту описывать операции при разработке матрицы формы, ЛДП может использоваться для анализа распределённых локальных условий<ref>De Rosa (2008)</ref>. Он может работать со связанной группой модулей фиксированного размера, обеспечивая различные функции по управлению состоянием конфигурации. Программы, нацеленные на модули фиксированного размера, а не на полную совокупность, позволяют программистам работать с клэйтронными матрицами чаще и эффективнее. В ЛДП предусмотрены также средства для согласования взаимодействия распределённых структур. Это даёт возможность программисту манипулировать более широким набором переменных [[Алгебра логики|булевой логики]], что позволяет программе делать поиск более крупных объектов для активного взаимодействия и строить стратегию поведения среди групп модулей<ref name="De Rosa (2009)"/>.

=== Распределённые точки останова ===
Проявление [[ошибка (программирование)|ошибок]] среди тысяч и миллионов отдельных к-атомов трудно обнаружить и исправить, поэтому клэйтронные матричные операции требуют динамичной и самостоятельной процедуры выявления и [[отладка программ|отладки]] ошибок. Исследователи клэйтроники разработали распределённые точки останова, алгоритм на уровне подхода для обнаружения и фиксации ошибок, пропущенных традиционными методами отладки<ref>Rister (2007)</ref>. Этот алгоритм определяет узлы, за которыми устанавливается наблюдение для определения истинности распределённых состояний.<ref>De Rosa (2007)</ref> Такой подход обеспечивает простой и описательный набор правил для оценки распределённых состояний и оказывается эффективным при обнаружении ошибок.

=== Алгоритмы ===
Два важных класса [[алгоритм]]ов клэйтроники относятся к алгоритмам создания и локализации формы. Конечная цель исследований клэйтроники состоит в создании движения в трёхмерном представлении. Все исследования перемещений к-атомов, коллективной активации и иерархического управления движением основаны на алгоритме создания формы для приведения к-атомов в необходимую структуру, которая обеспечит прочность и плавный переход к динамическому ансамблю. Алгоритмы локализации обеспечивают к-атомам возможность нахождения своих позиций в ансамбле<ref>Funiak (2008)</ref>. Кроме того, алгоритмы локализации должны обеспечивать точное относительное знание к-атомами всей матрицы в целом, основанной на наблюдении полностью распределённой системы при наличии шумов.

== Применения ==
Поскольку возможности по развитию роботизированных модулей будут исчерпаны, клэйтроника станет полезной во многих приложениях. Будущие применения клэйтроники относятся к новым методам коммуникаций. Клэйтроника может предложить реалистичное чувство связности на больших расстояниях, называемое «парио». Подобно тому, как аудио и видео информация создаёт слуховое и визуальное воздействие, парио обеспечивает слуховое, визуальное и физическое ощущения одновременно. Пользователь будет иметь возможность услышать, увидеть и потрогать объект общения вполне реалистичным способом. Парио может эффективно использоваться во многих профессиональных дисциплинах из инженерного проектирования, образования и охраны здоровья, развлечений и досуга, например, в видеоиграх<ref>Goldstein (2009), p. 29—45</ref>.

Воплощение достижений в области нанотехнологий и информатики, необходимые для клэйтроники, вполне реально, но для этого потребуется решить огромные проблемы и внедрить множество инноваций. В интервью в декабре 2008 года Джейсон Кэмпбелл, руководитель группы исследователей из лаборатории Интел в Питтсбурге, сказал: «Мои оценки того, сколько времени займёт то или иное исследование, менялись в диапазоне от {{число|50|лет}} вплоть до всего лишь пары лет. И это за каких-то четыре года, которые я работаю над проектом»<ref>Byrne (2008)</ref>.

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Литература ==
{{Refbegin|30em}}
* Ashley-Rollman, M. P., De Rosa, M., Srinivasa, S. S., Pillai, P., Goldstein, S. C., & Campbell, J. D. (2007a). Declarative Programming for Modular Robots. ''In Workshop on Self-Reconfigurable Robots/Systems and Applications at IROS '07''.
* Ashley-Rollman, M. P., Goldstein, S. C., Lee, P., Mowry, T. C., & Pillai, P. (2007b) Meld: A Declarative Approach to Programming Ensembles. ''In Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS '07''.
* Byrne, Seamus. (2008, December 22). ''Morphing Programmable Gadgets Could Soon Be a Reality''. Retrieved February 20, 2010 from http://www.news.com.au/morphing-gadgets-could-soon-be-a-reality/story-0-1111118387380{{Недоступная ссылка}}
* De Rosa, M., Goldstein, S. C., Lee, P., Campbell, J. D., Pillai, P. & Mowry, T. C. (2007) Distributed Watchpoints: Debugging Large Multi-Robot Systems. ''In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA '07''.
* De Rosa, M., Goldstein, S. C., Lee, P., Campbell, J. D. & Pillai, P. (2008) Programming Modular Robots with Locally Distributed Predicates. ''In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA '08''.
* De Rosa, M., Goldstein, S. C., Lee, P., Pillai, P., & Campbell, J. (2009). A Tale of Two Planners: Modular Robotic Planning with LDP. ''2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 2009'', October 11, 2009 — October 15.
* Funiak, S., Pillai, P., Ashley-Rollman, M. P., Campbell, J. D., & Goldstein, S. C. (2008). Distributed Localization of Modular Robot Ensembles. ''In Proceedings of Robotics: Science and Systems''.
* Goldstein, S. C., Campbell, J. D., & Mowry, T. C. (2005). Programmable Matter. ''Computer, 38''(6), 99-101.
* Goldstein, S. C., Mowry, T. C., Campbell, J. D., Ashley-Rollman, M., De Rosa, M., Funiak, S. et al. (2009). Beyond Audio and Video: Using Claytronics to Enable Pario. ''AI Magazine, 30''(2), 29-45.
* Goldstein, Seth C. (2010a, January). ''Software Research''. Retrieved March 2, 2010 from http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/software/index.html {{Wayback|url=http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/software/index.html |date=20200217001739 }}
* {{cite web |lang=en |author= |url=http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/people/index.html |title=The Claytronics Team |website=www.cs.cmu.edu |date= |access-date=2022-06-04 |ref=Goldstein (2010b)}}
* Karagozler, M., Kirby, B., Goldstein, S. C., Lee, W., & Marinelli, E. (2006). Ultralight Modular Robotic Building Blocks for the Rapid Development of Planetary Outposts. ''Revolutionary Aerospace Systems Concepts Academic Linkage (RASC-AL)''.
* Karagozler, M. E., Goldstein, S. C., & Reid, J. R. (2009). Stress-Driven MEMS Assembly + Electrostatic Forces = 1&nbsp;mm Diameter Robot. ''2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2009)''.
* Kirby, B., Goldstein, S. C., Mowry, T., Aksak, B., & Hoburg, J. (2005). Catoms: Moving Robots Without Moving Parts. ''AAAI (Robot Exhibition)'', 1730—1731.
* Kirby, B., Goldstein, S. C., Mowry, T., Aksak, B., & Hoburg, J. (2007). A Modular robotic System Using Magnetic Force Effectors. ''Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS '07)''.
* Rister, B. D., Campbell, J. D., Pillai, P., & Mowry, T. C. (2007). Integrated Debugging of Large Modular Robot Ensembles. ''In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA '07''.
{{Refend}}

== См. также ==
* [[Нанокомпьютер]]
* [[Молекулярный компьютер]]

== Ссылки ==
{{Refbegin|30em}}
* [http://old.nanonewsnet.ru/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=9&pid=73 Наноклэйтроника: будущая реальность или вымысел?] {{Wayback|url=http://old.nanonewsnet.ru/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=9&pid=73 |date=20090109105106}}
* [http://old.computerra.ru/2006/657/290120/ Intel приблизил сказку к реальности] {{Wayback|url=http://old.computerra.ru/2006/657/290120/ |date=20160310105017}}
* [http://aftermathnews.wordpress.com/2008/08/30/intel-sees-future-with-shape-shifting-humanoid-robots/ Intel sees future with shape-shifting humanoid robots] {{Wayback|url=http://aftermathnews.wordpress.com/2008/08/30/intel-sees-future-with-shape-shifting-humanoid-robots/ |date=20090812023424}}
* [http://www.cs.cmu.edu/~claytronics The Synthetic Reality Project at Carnegie Mellon] {{Архивировано|url=https://www.webcitation.org/6HfXoH41J?url=http://www.cs.cmu.edu/~claytronics |date=2013-06-26}}
* [http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/4102018.stm «„Teleporting“ over the internet» on BBC] {{Wayback|url=http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/4102018.stm |date=20200107235148}}
* [https://web.archive.org/web/20061109235547/http://www.worldchanging.com/archives/002885.html «Claytronics and the Pario World» on WorldChanging]
* [https://web.archive.org/web/20070928145249/http://techiteasy.org/2007/02/16/303/ A demo video of Catoms in action]
{{Refend}}

[[Категория:Робототехника]]