Claytronics es un concepto de futuro abstracto que combina la robótica a nanoescala y la informática para crear computadoras individuales a escala nanométrica llamadas átomos de Claytronic, o catoms , que pueden interactuar entre sí para formar objetos tangibles en 3D con los que un usuario puede interactuar. Esta idea se conoce más ampliamente como materia programable . [1] Claytronics tiene el potencial de afectar en gran medida muchas áreas de la vida diaria, como las telecomunicaciones, las interfaces hombre-computadora y el entretenimiento.
La investigación actual
La investigación actual está explorando el potencial de la robótica modular reconfigurable y el complejo software necesario para controlar los robots que "cambian de forma". “Predicados distribuidos localmente o LDP es un lenguaje distribuido de alto nivel para programar sistemas de robots reconfigurables modulares (MRR)”. Existen muchos desafíos asociados con la programación y el control de una gran cantidad de sistemas modulares discretos debido a los grados de libertad que se corresponden con cada módulo. Por ejemplo, reconfigurar de una formación a una similar puede requerir una compleja ruta de movimientos controlados por una intrincada cadena de comandos, aunque las dos formas difieran ligeramente. [2]
En 2005, los esfuerzos de investigación para desarrollar un concepto de hardware tuvieron éxito en la escala de milímetros, creando prototipos cilíndricos de 44 milímetros de diámetro que interactúan entre sí mediante atracción electromagnética. Sus experimentos ayudaron a los investigadores a verificar la relación entre la masa y la fuerza potencial entre objetos como "una reducción de 10 veces en tamaño [que] debería traducirse en un aumento de 100 veces en la fuerza en relación con la masa". [1] Los avances recientes en este concepto de prototipo se encuentran en la forma de robots cilíndricos de un milímetro de diámetro fabricados en una película delgada mediante fotolitografía que cooperarían entre sí utilizando un software complejo que controlaría la atracción y repulsión electromagnética entre módulos. [3]
En la actualidad, un equipo de investigadores que está formado por los profesores Todd C. Mowry, Seth Goldstein, estudiantes graduados y no graduados e investigadores de Intel Labs Pittsburgh están llevando a cabo una amplia investigación y experimentos con claytronics en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania . [4]
Hardware
La fuerza impulsora detrás de la materia programable es el hardware real que se está manipulando a sí mismo en cualquier forma que se desee. Claytronics consiste en una colección de componentes individuales llamados átomos de Claytronic o catoms. Para ser viables, los catoms deben cumplir una serie de criterios. En primer lugar, los catoms deben poder moverse en tres dimensiones entre sí y poder adherirse entre sí para formar una forma tridimensional. En segundo lugar, los catoms deben poder comunicarse entre sí en un conjunto y poder calcular la información del estado, posiblemente con ayuda de los demás. Básicamente, los catoms consisten en una CPU , un dispositivo de red para la comunicación, una pantalla de un solo píxel , varios sensores, una batería integrada y un medio para adherirse entre sí. [1]
Catoms actuales
Los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han desarrollado varios prototipos de catoms. Estos varían desde pequeños cubos hasta globos de helio gigantes. [5] El prototipo que más se parece a lo que los desarrolladores esperan que se convierta en catom es el catom plano. [ cita requerida ] Estos toman la forma de cilindros de 44 mm de diámetro. Estos cilindros están equipados con 24 electroimanes dispuestos en una serie de anillos apilados a lo largo de la circunferencia del cilindro. El movimiento se logra mediante los cátomos que habilitan y deshabilitan cooperativamente los imanes para rodar a lo largo de las superficies de los demás. Solo se activa un imán en cada catom a la vez. Estos prototipos son capaces de reconfigurarse con bastante rapidez, con el desacoplamiento de dos unidades, el movimiento a otro punto de contacto y el reacoplamiento en solo unos 100 ms. Se suministra energía a los catoms usando pies de recogida en la parte inferior del cilindro. Las tiras conductoras sobre la mesa suministran la potencia necesaria. [6]
Diseño futuro
En el diseño actual, los catoms solo pueden moverse en dos dimensiones entre sí. Se requerirá que los futuros catoms se muevan en tres dimensiones entre sí. El objetivo de los investigadores es desarrollar un catom a escala milimétrica sin partes móviles, para permitir la fabricación en masa. Millones de estos microrobots podrán emitir un color e intensidad de luz variables, lo que permitirá una representación física dinámica. El objetivo del diseño se ha desplazado a crear catoms que sean lo suficientemente simples como para funcionar solo como parte de un conjunto, y que el conjunto en su conjunto sea capaz de una función superior. [7]
A medida que se reducen los catom, una batería a bordo suficiente para alimentarlo excederá el tamaño del catom en sí, por lo que se desea una solución de energía alternativa. Se están realizando investigaciones para impulsar todos los catom en un conjunto, utilizando el contacto catom-a-catom como medio de transporte de energía. Una posibilidad que se está explorando es usar una mesa especial con electrodos positivos y negativos y enrutar la energía internamente a través de los catomos, a través de "cables virtuales".
Otro gran desafío de diseño será desarrollar un conector unario sin género para los catoms con el fin de mantener el tiempo de reconfiguración al mínimo. Las nanofibras proporcionan una posible solución a este desafío. [8] Las nanofibras permiten una gran adhesión a pequeña escala y permiten un consumo mínimo de energía cuando los catomos están en reposo.
Software
Organizar toda la comunicación y las acciones entre millones de catoms de escala submilimétrica requiere el desarrollo de algoritmos y lenguajes de programación avanzados. Los investigadores e ingenieros de Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab lanzaron una amplia gama de proyectos para desarrollar el software necesario para facilitar la comunicación entre catoms. Los proyectos más importantes son el desarrollo de nuevos lenguajes de programación que funcionen de manera más eficiente para Claytronics. El objetivo de una matriz de Claytronics es formar dinámicamente formas tridimensionales. Sin embargo, la gran cantidad de catoms en esta red distribuida aumenta la complejidad de la microgestión de cada catom individual. Por lo tanto, cada catom debe percibir información precisa sobre la posición y el dominio de la cooperación con sus vecinos. En este entorno, el lenguaje de software para la operación matricial debe transmitir declaraciones concisas de comandos de alto nivel para poder distribuirse universalmente. Los lenguajes para programar una matriz requieren una sintaxis y un estilo de comando más abreviados que los lenguajes de programación normales como C ++ y Java. [9] [ se necesita más explicación ]
El proyecto de investigación Carnegie Mellon-Intel Claytronics ha creado dos nuevos lenguajes de programación: Meld y Predicados distribuidos localmente (LDP). [10] [11]
Meld
Meld es un lenguaje declarativo , un lenguaje de programación lógica originalmente diseñado para programar redes superpuestas . [10] Mediante el uso de la programación lógica, el código para un conjunto de robots se puede escribir desde una perspectiva global, lo que permite al programador concentrarse en el rendimiento general de la matriz de Claytronics en lugar de escribir instrucciones individuales para cada uno de los miles a millones de catoms en el conjunto. [12] Esto simplifica drásticamente el proceso de pensamiento para programar el movimiento de una matriz de Claytronics.
Predicados distribuidos localmente (LDP)
LDP es un lenguaje de programación reactivo . Se ha utilizado para activar la depuración en la investigación anterior. Con la adición de un lenguaje que permite al programador construir operaciones en el desarrollo de la forma de la matriz, se puede utilizar para analizar las condiciones locales distribuidas. [11] Puede operar en grupos de módulos conectados de tamaño fijo que proporcionan varias funciones de configuración de estado. Un programa que se dirige a un módulo de tamaño fijo en lugar de al conjunto completo permite a los programadores operar la matriz Claytronic con mayor frecuencia y eficiencia. Además, LDP proporciona un medio para hacer coincidir patrones distribuidos. Permite al programador abordar un conjunto más grande de variables con lógica booleana , lo que permite al programa buscar patrones más grandes de actividad y comportamiento entre grupos de módulos. [2]
Puntos de vigilancia distribuidos
Los errores de rendimiento de miles a millones de catoms individuales son difíciles de detectar y depurar, por lo tanto, las operaciones de la matriz de Claytronics requieren un proceso dinámico y autodirigido para identificar y depurar errores. Los investigadores de Claytronics han desarrollado puntos de vigilancia distribuidos, un enfoque a nivel de algoritmo para detectar y corregir errores que no se detectan mediante técnicas de depuración más convencionales. [13] Establece nodos que reciben vigilancia para determinar la validez de las condiciones distribuidas. [14] Este enfoque proporciona un conjunto de reglas simple y altamente descriptivo para evaluar las condiciones distribuidas y resulta eficaz en la detección de errores.
Algoritmos
Dos clases importantes de algoritmos de Claytronics son los algoritmos de escultura y localización de formas. El objetivo final de la investigación con Claytronics es crear un movimiento dinámico en poses tridimensionales. Toda la investigación sobre el movimiento catom, la actuación colectiva y la planificación del movimiento jerárquico requiere algoritmos de modelado de formas para convertir los catoms en la estructura necesaria, lo que dará fuerza estructural y movimiento fluido al conjunto dinámico. Mientras tanto, los algoritmos de localización permiten a los catoms localizar sus posiciones en un conjunto. [15] Un algoritmo de localización debería proporcionar un conocimiento relacional preciso de los catoms a toda la matriz basándose en observaciones ruidosas de una manera completamente distribuida.
Aplicaciones futuras
A medida que las capacidades de la computación continúen desarrollándose y los módulos robóticos se reduzcan, Claytronics será útil en muchas aplicaciones. La aplicación destacada de Claytronics es un nuevo modo de comunicación. Claytronics ofrecerá un sentido más realista de la comunicación a larga distancia llamado pario. Similar a cómo el audio y el video proporcionan estimulación auditiva y visual, pario proporciona una sensación auditiva, visual y física. Un usuario podrá escuchar, ver y tocar a quien se comunica con él de manera realista. Pario podría utilizarse de forma eficaz en muchas disciplinas profesionales, desde el diseño de ingeniería, la educación y la asistencia sanitaria hasta el entretenimiento y las actividades de ocio, como los videojuegos. [dieciséis]
Los avances en nanotecnología y computación necesarios para que la claytronics se convierta en realidad son factibles, pero los desafíos a superar son abrumadores y requerirán una gran innovación. En una entrevista de diciembre de 2008, Jason Campbell, investigador principal de Intel Labs Pittsburgh, dijo: "Mis estimaciones de cuánto tiempo tomará han pasado de 50 años a solo un par de años más. Eso ha cambiado durante los cuatro años He estado trabajando en el proyecto ". [17] [ referencia circular ]
Ver también
- Axioma de conjunto
- Nanotecnología
- Smartdust
- The Invincible , una novela de ciencia ficción de 1964 con intriga centrada en enjambres nanobóticos autoconfigurables
- Computación ubicua
- Niebla de utilidad
Referencias
- ^ a b c Goldstein, SC; Campbell, JD; Mowry, TC (mayo de 2005). "Materia programable" (PDF) . Computadora . 38 (6): 99–101. doi : 10.1109 / MC.2005.198 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ a b De Rosa, Michael; Goldstein, Seth Copen; Lee, Peter; Pillai, Padmanabhan; Campbell, Jason (octubre de 2009). "Una historia de dos planificadores: planificación robótica modular con LDP" (PDF) . Conferencia internacional IEEE / RSJ de 2009 sobre sistemas y robots inteligentes : 5267–5274. doi : 10.1109 / IROS.2009.5354723 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Karagozler, Mustafa Emre; Goldstein, Seth Copen; Reid, J. Robert (octubre de 2009). "Ensamblaje MEMS impulsado por tensión + fuerzas electrostáticas = robot de 1 mm de diámetro" (PDF) . Conferencia internacional IEEE / RSJ de 2009 sobre sistemas y robots inteligentes : 2763–2769. doi : 10.1109 / IROS.2009.5354049 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Goldstein, Seth P. "El equipo Claytronics" . www.cs.cmu.edu . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Karagozler, Mustafa E .; Kirby, Brian; Lee, Wei Jie; Marinelli, Eugene; Weller, Michael P; Goldstein, Seth C. (2018). "Bloques de construcción robóticos modulares ultraligeros para el despliegue rápido de puestos de avanzada planetarios" : 1272138 Bytes. doi : 10.1184 / R1 / 6611198.v1 . Consultado el 20 de febrero de 2021 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Kirby, Brian; Campbell, Jason; Aksak, Burak; Pillai, Padmanabhan; Hoburg, James; Mowry, Todd; Goldstein, Seth Copen (9 de julio de 2005). Cohn, Anthony (ed.). Catoms: robots móviles sin partes móviles (PDF) . Actas de la 20a conferencia nacional sobre inteligencia artificial - Volumen 4 . AAAI Press. págs. 1730-1731. ISBN 978-1-57735-236-5. Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Kirby, Brian T .; Aksak, Burak; Campbell, Jason D .; Hoburg, James F .; Mowry, Todd C .; Pillai, Padmanabhan; Goldstein, Seth Copen (octubre de 2007). "Un sistema robótico modular que utiliza efectores de fuerza magnética" (PDF) . 2007 Conferencia internacional IEEE / RSJ sobre sistemas y robots inteligentes : 2787–2793. doi : 10.1109 / IROS.2007.4399444 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Aksak, Burak; Sitti, Metin; Cassell, Alan; Li, Jun; Meyyappan, Meyya; Callen, Phillip (6 de agosto de 2007). "Fricción de nanofibras de carbono alineadas verticalmente parcialmente incrustadas dentro de elastómeros" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 91 (6): 061906. doi : 10.1063 / 1.2767997 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Goldstein, Seth C. "Claytronics - Software" . www.cs.cmu.edu . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ a b Ashley-Rollman, Michael P .; Goldstein, Seth Copen; Lee, Peter; Mowry, Todd C. (octubre de 2007). "Meld: un enfoque declarativo para la programación de conjuntos" (PDF) . 2007 Conferencia internacional IEEE / RSJ sobre sistemas y robots inteligentes : 2794–2800. doi : 10.1109 / IROS.2007.4399480 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ a b De Rosa, Michael; Goldstein, Seth; Lee, Peter; Pillai, Padmanabhan; Campbell, Jason (mayo de 2008). "Programación de robots modulares con predicados distribuidos localmente" (PDF) . Conferencia internacional IEEE 2008 sobre robótica y automatización : 3156–3162. doi : 10.1109 / ROBOT.2008.4543691 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Ashley-Rollman, Michael P .; Rosa, MD; Srinivasa, S .; Pillai, P .; Goldstein, S .; Campbell, J. (2007). "Programación declarativa para robots modulares" (PDF) . Taller de Robots / Sistemas y Aplicaciones Auto Reconfigurables: IEEE / RSJ IROS . Consultado el 20 de febrero de 2021 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Rister, Benjamin D .; Campbell, Jason; Pillai, Padmanabhan; Mowry, Todd C. (abril de 2007). "Depuración integrada de grandes conjuntos de robots modulares" (PDF) . Actas 2007 Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización : 2227–2234. doi : 10.1109 / ROBOT.2007.363651 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ De Rosa, Michael; Campbell, Jason; Pillai, Padmanabhan; Goldstein, Seth; Lee, Peter; Mowry, Todd (abril de 2007). "Puntos de vigilancia distribuidos: depuración de grandes sistemas de robots múltiples" (PDF) . Actas 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation : 3723–3729. doi : 10.1109 / ROBOT.2007.364049 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Funiak, Stanislav; Pillai, Padmanabhan; Ashley-Rollman, Michael P .; Campbell, Jason D .; Goldstein, Seth Copen (agosto de 2009). "Localización distribuida de conjuntos de robots modulares" (PDF) . La Revista Internacional de Investigación en Robótica . 28 (8): 946–961. doi : 10.1177 / 0278364909339077 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Goldstein, Seth Copen; Mowry, Todd C .; Campbell, Jason D .; Ashley-Rollman, Michael P; De Rosa, Michael; Funiak, Stanislav; Hoburg, James F .; Karagozler, Mustafa E .; Kirby, Brian; Lee, Peter; Pillai, Padmanabhan; Reid, J. Robert; Stancil, Daniel D .; Weller, Michael P. (7 de julio de 2009). "Más allá de audio y video: uso de Claytronics para habilitar Pario" . Revista AI . 30 (2): 29. doi : 10.1609 / aimag.v30i2.2241 . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
- ^ Byrne, Seamus (11 de noviembre de 2009). "La transformación de dispositivos de materia programable pronto podría ser una realidad" . news.com.au . Consultado el 20 de febrero de 2021 .
enlaces externos
- El proyecto de realidad sintética en Carnegie Mellon
- "La 'materia programable' algún día podría transformarse en todo tipo de imitaciones" en el Post-Gazette
- "'Teletransportación' a través de Internet" en BBC
- "Claytronics y el mundo de Pario" en WorldChanging
- Un video de demostración de Catoms en acción