Materia programable

La materia programable es aquella que tiene la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (forma, densidad, módulos , conductividad, propiedades ópticas, etc.) de forma programable, basándose en la entrada del usuario o la detección autónoma. La materia programable está, por tanto, vinculada al concepto de un material que inherentemente tiene la capacidad de realizar el procesamiento de información.

Materia programable es un término acuñado originalmente en 1991 por Toffoli y Margolus para referirse a un conjunto de elementos informáticos de grano fino dispuestos en el espacio. [1] Su artículo describe un sustrato informático que se compone de nodos informáticos de grano fino distribuidos por todo el espacio que se comunican utilizando solo interacciones vecinas más cercanas. En este contexto, la materia programable se refiere a modelos de cálculo similares a los autómatas celulares y los autómatas de gas de celosía . [2] La arquitectura CAM-8 es un ejemplo de realización de hardware de este modelo. [3] Esta función también se conoce como "áreas de referencia digital" (DRA) en algunas formas de ciencia de máquinas autorreplicantes . [4]

A principios de la década de 1990, hubo una cantidad significativa de trabajo en robótica modular reconfigurable con una filosofía similar a la materia programable. [4]

A medida que la tecnología de semiconductores , la nanotecnología y la tecnología de las máquinas autorreplicantes han avanzado, el uso del término materia programable ha cambiado para reflejar el hecho de que es posible construir un conjunto de elementos que pueden ser "programados" para cambiar sus propiedades físicas en realidad, no solo en simulación . Por tanto, materia programable ha llegado a significar "cualquier sustancia a granel que pueda programarse para cambiar sus propiedades físicas".

En el verano de 1998, en una discusión sobre átomos artificiales y materia programable, Wil McCarthy y G. Snyder acuñaron el término "piedra de pozo cuántica" (o simplemente "piedra de pozo") para describir esta forma hipotética pero plausible de materia programable. McCarthy ha utilizado el término en su ficción.

En 2002, Seth Goldstein y Todd Mowry iniciaron el proyecto Claytronics en la Universidad Carnegie Mellon para investigar los mecanismos subyacentes de hardware y software necesarios para realizar la materia programable.

En 2004, el grupo de tecnología y ciencia de la información de DARPA (ISAT) examinó el potencial de la materia programable. Esto resultó en el estudio 2005-2006 "Realizing Programmable Matter", que estableció un programa de varios años para la investigación y el desarrollo de materia programable.

En 2007, la materia programable fue objeto de una solicitud de investigación de DARPA y un programa posterior. [5] [6]

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Un asunto programable 'simple' donde el elemento programable es externo al material en sí. Fluido no newtoniano magnetizado, formando columnas de soporte que resisten impactos y presiones bruscas.

En una escuela de pensamiento, la programación podría ser externa al material y podría lograrse mediante la "aplicación de luz, voltaje, campos eléctricos o magnéticos, etc." ( McCarthy 2006 ). Por ejemplo, una pantalla de cristal líquido es una forma de materia programable. Una segunda escuela de pensamiento es que las unidades individuales del conjunto pueden calcular y el resultado de su cálculo es un cambio en las propiedades físicas del conjunto. Un ejemplo de esta forma más ambiciosa de materia programable es la claytronics .

Hay muchas implementaciones propuestas de materia programable. La escala es un diferenciador clave entre las diferentes formas de materia programable. En un extremo del espectro, la robótica modular reconfigurable persigue una forma de materia programable donde las unidades individuales están en el rango de tamaño de centímetros. [4] [7] [8] En el extremo del espectro a nanoescala hay una gran cantidad de bases diferentes para la materia programable, que van desde moléculas que cambian de forma [9] hasta puntos cuánticos . De hecho, los puntos cuánticos a menudo se denominan átomos artificiales. En el rango de micrómetros a submilimétricos, los ejemplos incluyen unidades basadas en MEMS , celdas creadas usando biología sintética y el concepto de niebla de servicios públicos .

Un subgrupo importante de materia programable son los materiales robóticos , que combinan los aspectos estructurales de un compuesto con las prestaciones ofrecidas por la estrecha integración de sensores, actuadores, computación y comunicación, [10] mientras que renuncian a la reconfiguración por movimiento de partículas.

Hay muchas concepciones de materia programable y, por lo tanto, muchas avenidas discretas de investigación que utilizan el nombre. A continuación se muestran algunos ejemplos específicos de materia programable.

"Sencillo"

Estos incluyen materiales que pueden cambiar sus propiedades en función de alguna entrada, pero que no tienen la capacidad de realizar cálculos complejos por sí mismos.

Fluidos complejos

Las propiedades físicas de varios fluidos complejos se pueden modificar aplicando una corriente o voltaje, como es el caso de los cristales líquidos .

Metamateriales

Los metamateriales son compuestos artificiales que se pueden controlar para que reaccionen de formas que no ocurren en la naturaleza. Un ejemplo desarrollado por David Smith y luego por John Pendry y David Schuri es de un material que puede tener su índice de refracción ajustado para que pueda tener un índice de refracción diferente en diferentes puntos del material. Si se ajusta correctamente, esto podría resultar en una capa de invisibilidad .

Un ejemplo más de metamaterial -mecánico- programable es presentado por Bergamini et al. [11] Aquí, se introduce una banda de paso dentro de la banda prohibida fonónica, explotando la rigidez variable de los elementos piezoeléctricos que unen los talones de aluminio a la placa de aluminio para crear un cristal fonónico como en el trabajo de Wu et al. [12] Los elementos piezoeléctricos se derivan a tierra sobre inductores sintéticos. Alrededor de la frecuencia de resonancia del circuito LC formado por el piezoeléctrico y los inductores, los elementos piezoeléctricos exhiben una rigidez cercana a cero, desconectando así eficazmente los talones de la placa. Esto se considera un ejemplo de metamaterial mecánico programable. [11]

En 2021, Chen et al. demostró un metamaterial mecánico cuyas celdas unitarias pueden almacenar cada una un dígito binario análogo a un bit dentro de una unidad de disco duro. [13] De manera similar, estas celdas unitarias mecánicas se programan mediante la interacción entre dos bobinas electromagnéticas en la configuración de Maxwell y un elastómero magnetorreológico integrado. Los diferentes estados binarios están asociados con diferentes respuestas de tensión-deformación del material.

Moléculas que cambian de forma

Un área activa de investigación son las moléculas que pueden cambiar su forma, así como otras propiedades, en respuesta a estímulos externos. Estas moléculas se pueden utilizar individualmente o en masa para formar nuevos tipos de materiales. Por ejemplo, el grupo de J Fraser Stoddart en UCLA ha estado desarrollando moléculas que pueden cambiar sus propiedades eléctricas. [9]

Imanes electropermanentes

Un imán electropermanente es un tipo de imán que consta de un electroimán y un imán permanente de dos materiales , en el que el campo magnético producido por el electroimán se utiliza para cambiar la magnetización del imán permanente. El imán permanente consta de materiales magnéticamente duros y blandos, de los cuales solo el material blando puede cambiar su magnetización. Cuando los materiales magnéticamente blandos y duros tienen magnetizaciones opuestas, el imán no tiene campo neto, y cuando están alineados, el imán muestra un comportamiento magnético. [14]

Permiten crear imanes permanentes controlables donde se puede mantener el efecto magnético sin necesidad de un suministro continuo de energía eléctrica. Por estas razones, los imanes electropermanentes son componentes esenciales de los estudios de investigación que tienen como objetivo construir imanes programables que puedan dar lugar a estructuras autoconstruidas. [14] [15]

Enfoques basados ​​en robótica

Robótica modular autoconfigurable

La robótica modular autoconfigurable es un campo de la robótica en el que un grupo de módulos de robot básicos trabajan juntos para formar dinámicamente formas y crear comportamientos adecuados para muchas tareas, similar a la materia programable. SRCMR tiene como objetivo ofrecer una mejora significativa a muchos tipos de objetos o sistemas mediante la introducción de muchas posibilidades nuevas. Por ejemplo: 1. Lo más importante es la increíble flexibilidad que proviene de la capacidad de cambiar la estructura física y el comportamiento de una solución al cambiar el software que controla los módulos. 2. La capacidad de autorreparación mediante la sustitución automática de un módulo roto hará que la solución SRCMR sea increíblemente resistente. 3. Reducir la huella medioambiental reutilizando los mismos módulos en muchas soluciones diferentes. La robótica modular autoconfigurada disfruta de una comunidad de investigación vibrante y activa. [dieciséis]

Claytronics

Claytronics es un campo emergente de ingeniería relacionado con robots reconfigurables a nanoescala (' átomos de Claytronic ', o catoms ) diseñados para formar máquinas o mecanismos a escala mucho mayor . Los catoms serán computadoras submilimétricas que eventualmente tendrán la capacidad de moverse, comunicarse con otras computadoras, cambiar de color y conectarse electrostáticamente a otros catoms para formar diferentes formas.

Autómata celular

Los autómatas celulares son un concepto útil para abstraer algunos de los conceptos de unidades discretas que interactúan para dar un comportamiento general deseado.

Pozos cuánticos

Los pozos cuánticos pueden contener uno o más electrones. Esos electrones se comportan como átomos artificiales que, como los átomos reales, pueden formar enlaces covalentes , pero estos son extremadamente débiles. Debido a sus tamaños más grandes, otras propiedades también son muy diferentes.

Biología sintética

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de proteínas en nanoescalas para sintetizar proteínas.

La biología sintética es un campo que tiene como objetivo diseñar células con "funciones biológicas novedosas". [ cita requerida ] Estas células se utilizan generalmente para crear sistemas más grandes (por ejemplo, biopelículas ) que se pueden "programar" utilizando redes de genes sintéticos , como interruptores de palanca genéticos , para cambiar su color, forma, etc. Estos enfoques bioinspirados para la producción de materiales han Se ha demostrado mediante el uso de materiales de biopelículas bacterianas autoensamblables que se pueden programar para funciones específicas, como la adhesión de sustratos, la creación de plantillas de nanopartículas y la inmovilización de proteínas. [17]

  • Claytronics
  • Computronio
  • Nanotecnología
  • Material inteligente
  • Smartdust
  • Computación ubicua
  • Máquina de Turing universal
  • Niebla de utilidad

  1. ^ Toffoli, Tommaso ; Margolus, Norman (1991). "Materia programable: conceptos y realización" . Physica D . 47 (1–2): 263–272. Código Bibliográfico : 1991PhyD ... 47..263T . doi : 10.1016 / 0167-2789 (91) 90296-L .
  2. ^ Rothman, DH; Zaleski, S. (2004) [1997]. Autómatas celulares de celosía de gas . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9780521607605.
  3. ^ "CAM8: una arquitectura paralela, uniforme y escalable para la experimentación de autómatas celulares" . Ai.mit.edu . Consultado el 10 de abril de 2013 .
  4. ^ a b c http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050 [ enlace muerto ]
  5. ^ "Solicitud de investigación DARPA" . Archivado desde el original el 15 de julio de 2009.
  6. ^ Impulsos estratégicos de DARPA: materia programable Archivado el 12 de diciembre de 2010 en la Wayback Machine.
  7. ^ Investigación
  8. ^ [1]
  9. ^ a b "Química y Bioquímica de UCLA" . Stoddart.chem.ucla.edu. Archivado desde el original el 12 de octubre de 2004 . Consultado el 10 de abril de 2013 .
  10. ^ MA McEvoy y N. Correll. Materiales que combinan detección, actuación, cálculo y comunicación. Science 347 (6228), 2015.
  11. ^ a b Bergamini, Andrea; Delpero, Tommaso; De Simoni, Luca; Di Lillo, Luigi; Ruzzene, Massimo; Ermanni, Paolo (2014). "Cristal fonónico con conectividad adaptativa". Materiales avanzados . 2 (9). págs. 1343-1347. doi : 10.1002 / adma.201305280 . ISSN  0935-9648 .
  12. ^ Wu, Tsung-Tsong; Huang, Zi-Gui; Tsai, Tzu-Chin; Wu, Tzung-Chen (2008). "Evidencia de banda prohibida completa y resonancias en una placa con superficie cortada periódica". Letras de Física Aplicada . 93 (11). pag. 111902. doi : 10.1063 / 1.2970992 . ISSN  0003-6951 .
  13. ^ Chen, Tian; Pauly, Mark; Reis M., Pedro (2021). "Un metamaterial mecánico reprogramable con memoria estable". Naturaleza . 589 (7842). págs. 386–390. doi : 10.1038 / s41586-020-03123-5 . ISSN  1476-4687 .
  14. ^ a b Deyle, Travis (2010). "Imanes electropermanentes: imanes programables con consumo de energía estática cero permiten los robots modulares más pequeños hasta ahora" . HiZook . Consultado el 6 de abril de 2012 .
  15. ^ Hardesty, Larry (2012). "Arena autoesculpible" . MIT . Consultado el 6 de abril de 2012 .
  16. ^ ( Yim et al. 2007 , págs. 43-52) Una descripción general del trabajo y los desafíos recientes
  17. ^ Nguyen, Peter (17 de septiembre de 2014). "Materiales programables basados ​​en biopelículas de nanofibras de curli diseñadas" . Comunicaciones de la naturaleza . 5 : 4945. Bibcode : 2014NatCo ... 5.4945N . doi : 10.1038 / ncomms5945 . PMID  25229329 .

  • Goldstein, Seth Copen; Campbell, Jason; Mowry, Todd C. (junio de 2005). "Materia programable" . Computadora IEEE . 38 (6): 99–101. doi : 10.1109 / MC.2005.198 .
  • McCarthy, Wil (2006). "Preguntas frecuentes sobre la materia programable" . Naturaleza . 407 (6804): 569. doi : 10.1038 / 35036656 . PMID  11034188 . S2CID  5242445 .
  • McCarthy, Wil (2003). Hacking Matter: Sillas levitantes, espejismos cuánticos y la infinita rareza de los átomos programables . Nueva York: Basic Books. ISBN 978-0-465-04428-3.
  • Yim, Mark; Shen, Wei-Min; Salemi, Behnam; Rus, Daniela; Moll, Mark; Lipson, Hod; Klavins, Eric; Chirikjian, Gregory (marzo de 2007). "Sistemas modulares de robots auto reconfigurables". Revista IEEE Robotics & Automation . 14 (1): 43. doi : 10.1109 / MRA.2007.339623 . S2CID  11100988 .

  • "Impulso de materia programable DARPA (ejército de los EE. UU.)" . 26 de mayo de 2009.