Hispanopedia WikiLa materia programable es aquella que tiene la capacidad de modificar sus propiedades físicas (forma, densidad, módulos , conductividad, propiedades ópticas, etc.) de forma programable, en función de la información proporcionada por el usuario o de sensores autónomos. Por lo tanto, la materia programable está vinculada al concepto de un material que posee intrínsecamente la capacidad de procesar información.
Historia
La materia programable es un término acuñado originalmente en 1991 por Toffoli y Margolus para referirse a un conjunto de elementos de computación de grano fino dispuestos en el espacio. [ 1 ] Su artículo describe un sustrato de computación compuesto por nodos de computación de grano fino distribuidos en el espacio que se comunican utilizando únicamente interacciones entre vecinos más cercanos. En este contexto, la materia programable se refiere a modelos de computación similares a los autómatas celulares y los autómatas de gas reticular . [ 2 ] La arquitectura CAM-8 es un ejemplo de implementación 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, se realizó una cantidad significativa de trabajo en robótica modular reconfigurable con una filosofía similar a la de la materia programable. [ 4 ]
Con el avance de la tecnología de semiconductores , la nanotecnología y la tecnología de máquinas autorreplicantes, el uso del término materia programable ha evolucionado para reflejar la posibilidad de construir un conjunto de elementos que pueden ser "programados" para modificar sus propiedades físicas en la realidad, no solo en simulaciones . De este modo, materia programable ha pasado a significar "cualquier sustancia a granel que pueda ser programada para cambiar sus propiedades físicas".
En el verano de 1998, durante una conversación sobre átomos artificiales y materia programable, Wil McCarthy y G. Snyder acuñaron el término «piedra cuántica» (o simplemente «piedra cuántica») para describir esta forma hipotética pero plausible de materia programable. McCarthy ha utilizado este término en sus obras de ficción.
En 2002, Seth Goldstein y Todd Mowry pusieron en marcha el proyecto Claytronics en la Universidad Carnegie Mellon para investigar los mecanismos de hardware y software subyacentes necesarios para crear materia programable.
En 2004, el grupo de Ciencia y Tecnología de la Información (ISAT) de DARPA examinó el potencial de la materia programable. Esto dio como resultado el estudio de 2005-2006 titulado "Realizando la materia programable", que estableció un programa plurianual para la investigación y el desarrollo de la materia programable.
En 2007, la materia programable fue objeto de una convocatoria de investigación de DARPA y de un programa posterior. [ 5 ] [ 6 ]
Desde 2016 hasta 2022, la ANR ha financiado varios programas de investigación coordinados por Julien Bourgeois y Benoit Piranda en el Instituto FEMTO-ST , que lidera el proyecto Claytronics iniciado por Intel y la Universidad Carnegie Mellon. [ 7 ]
Aproches
En una corriente de pensamiento, la programación podría ser externa al material y lograrse mediante la "aplicación de luz, voltaje, campos eléctricos o magnéticos, etc." ( McCarthy 2006 ) harv error: no target: CITEREFMcCarthy2006 ( help ) . Por ejemplo, una pantalla de cristal líquido es una forma de materia programable. Una segunda corriente de pensamiento es que las unidades individuales del conjunto pueden computar y el resultado de su computación es un cambio en las propiedades físicas del conjunto. Un ejemplo de esta forma más ambiciosa de materia programable es la claytrónica.
Hay muchas implementaciones propuestas de materia programable. La escala es un factor diferenciador clave entre las diferentes formas de materia programable. En un extremo del espectro, la robótica modular reconfigurable busca una forma de materia programable donde las unidades individuales están en el rango de tamaño de centímetros. [ 4 ] [ 8 ] [ 9 ] En el extremo de la nanoescala del espectro, hay una enorme cantidad de bases diferentes para la materia programable, que van desde moléculas que cambian de forma [ 10 ] hasta puntos cuánticos . De hecho, a los puntos cuánticos se les suele llamar átomos artificiales. En el rango de micrómetros a submilímetros, los ejemplos incluyen unidades basadas en MEMS , células creadas usando biología sintética y el concepto de niebla utilitaria .
Un subgrupo importante de materia programable son los materiales robóticos , que combinan los aspectos estructurales de un compuesto con las posibilidades que ofrece la estrecha integración de sensores, actuadores, computación y comunicación, [ 11 ] al tiempo que renuncian a la reconfiguración por movimiento de partículas.
Ejemplos
Existen diversas concepciones de la materia programable y, por consiguiente, numerosas líneas de investigación que utilizan este término. A continuación, se presentan algunos ejemplos específicos de materia programable.
"Bombeo por cambio de fase sólido-líquido"
Es posible cambiar la forma y mover objetos sólidos mediante bombeo con cambio de fase sólido-líquido. [ 12 ] Este método permite deformar objetos en cualquier forma deseada con una resolución submilimétrica y modificar libremente su topología.
"Simple"
Entre ellos se incluyen materiales que pueden cambiar sus propiedades en función de algún dato de entrada, pero que no tienen la capacidad de realizar cálculos complejos por sí mismos.
fluidos complejos
Las propiedades físicas de varios fluidos complejos pueden modificarse aplicando una corriente o un voltaje, como ocurre con los cristales líquidos .
metamateriales
Los metamateriales son compuestos artificiales que pueden controlarse para reaccionar de maneras que no se dan en la naturaleza. Un ejemplo desarrollado por David Smith y posteriormente por John Pendry y David Schuri es un material cuyo índice de refracción puede ajustarse para que tenga un índice de refracción diferente en distintos puntos del material. Si se ajusta correctamente, esto podría dar como resultado una capa de invisibilidad .
Otro ejemplo de metamaterial mecánico programable lo presentan Bergamini et al. [ 13 ]. En este caso, se introduce una banda de paso dentro de la banda prohibida fonónica, aprovechando la rigidez variable de elementos piezoeléctricos que conectan segmentos de aluminio a la placa de aluminio para crear un cristal fonónico, como en el trabajo de Wu et al. [ 14 ]. Los elementos piezoeléctricos están conectados a tierra mediante inductores sintéticos. Alrededor de la frecuencia de resonancia del circuito LC formado por los elementos piezoeléctricos y los inductores, los elementos piezoeléctricos presentan una rigidez cercana a cero, desconectando así eficazmente los segmentos de la placa. Esto se considera un ejemplo de metamaterial mecánico programable. [ 13 ]
En 2021, Chen et al. demostraron un metamaterial mecánico cuyas celdas unitarias pueden almacenar un dígito binario análogo a un bit dentro de un disco duro. [ 15 ] 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 incrustado. Los diferentes estados binarios se asocian con diferentes respuestas de tensión-deformación del material.
Moléculas que cambian de forma
Un área de investigación activa se centra en moléculas que pueden cambiar su forma, así como otras propiedades, en respuesta a estímulos externos. Estas moléculas pueden utilizarse individualmente o en conjunto para formar nuevos tipos de materiales. Por ejemplo, el grupo de J. Fraser Stoddart en la UCLA ha estado desarrollando moléculas que pueden cambiar sus propiedades eléctricas. [ 10 ]
imanes electropermanentes
Un electroimán permanente es un tipo de imán que consta de un electroimán y un imán permanente de doble material , en el que el campo magnético producido por el electroimán se utiliza para cambiar la magnetización del imán permanente. El imán permanente está compuesto de materiales magnéticamente duros y blandos, de los cuales solo el material blando puede modificar su magnetización. Cuando los materiales magnéticamente blandos y duros tienen magnetizaciones opuestas, el imán no tiene campo neto, y cuando están alineados, el imán presenta comportamiento magnético. [ 16 ]
Permiten crear imanes permanentes controlables cuyo efecto magnético se mantiene sin necesidad de un suministro continuo de energía eléctrica. Por estas razones, los electroimanes permanentes son componentes esenciales de las investigaciones destinadas a construir imanes programables que puedan dar lugar a estructuras autoconstruibles. [ 16 ] [ 17 ]
Enfoques basados en la robótica
Robótica modular autorreconfigurable
La robótica modular autorreconfigurable implica un grupo de módulos robóticos básicos que trabajan juntos para formar dinámicamente figuras y crear comportamientos adecuados para diversas tareas, de forma similar a la materia programable. SRCMR busca ofrecer mejoras significativas a muchos tipos de objetos o sistemas mediante la introducción de nuevas posibilidades. Por ejemplo: 1. Lo más importante es la increíble flexibilidad que se deriva de la capacidad de cambiar la estructura física y el comportamiento de una solución modificando el software que controla los módulos. 2. La capacidad de autorreparación mediante la sustitución automática de un módulo averiado hará que la solución SRCMR sea increíblemente resistente. 3. Reducción del impacto ambiental mediante la reutilización de los mismos módulos en diversas soluciones. La robótica modular autorreconfigurable cuenta con una comunidad de investigación dinámica y activa. [ 18 ]
Claytronics
La claytrónica es un campo emergente de la ingeniería que se ocupa de robots nanométricos reconfigurables (« átomos claytrónicos » o catoms ) diseñados para formar máquinas o mecanismos de mayor tamaño . Los catoms serán ordenadores submilimétricos que, con el tiempo, tendrán la capacidad de moverse, comunicarse con otros ordenadores, cambiar de color y conectarse electrostáticamente con otros catoms para formar diferentes figuras.
Autómatas celulares
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 albergar uno o más electrones. Estos electrones se comportan como átomos artificiales que, al igual que los átomos reales, pueden formar enlaces covalentes , aunque extremadamente débiles. Debido a su mayor tamaño, otras propiedades también difieren notablemente.
Biología sintética
La biología sintética es un campo que busca diseñar células con "funciones biológicas novedosas". Estas células se utilizan generalmente para crear sistemas más grandes (por ejemplo, biopelículas ) que pueden "programarse" mediante redes genéticas sintéticas, como interruptores genéticos , para cambiar su color, forma, etc. Se han demostrado enfoques bioinspirados para la producción de materiales, utilizando biopelículas bacterianas autoensamblables que pueden programarse para funciones específicas, como la adhesión al sustrato, la creación de plantillas de nanopartículas y la inmovilización de proteínas. [ 19 ]
Véase también
Referencias
- ↑ Toffoli, Tommaso ; Margolus, Norman (1991). "Materia programable: conceptos y realización" . Physica D. 47 ( 1–2 ) : 263–272 . Bibcode : 1991PhyD...47..263T . doi : 10.1016/0167-2789(91)90296-L .
- ↑ Rothman, DH; Zaleski, S. (2004) [1997]. Autómatas celulares de gas reticular . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-60760-5.
- ↑ "CAM8: una arquitectura paralela, uniforme y escalable para la experimentación con autómatas celulares" . Ai.mit.edu . Consultado el 10 de abril de 2013 .
- 1 2 3 http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050
- ↑ "Convocatoria de investigación de DARPA" . Archivado del original el 15 de julio de 2009.
- ↑ Impulsos estratégicos de DARPA: Materia programable. Archivado el 12 de diciembre de 2010 en Wayback Machine .
- ↑ " Hardware y software para crear materia programable – ProgrammableMatter" . anr.fr.
- ↑ Investigación
- ↑ "Mark Yim - Laboratorio GRASP @ Penn" . www.robotics.upenn.edu . Archivado del original el 16 de noviembre de 2005. Consultado el 17 de enero de 2022 .
- 1 2 "Química y Bioquímica de UCLA" . Stoddart.chem.ucla.edu. Archivado del original el 12 de octubre de 2004. Consultado el 10 de abril de 2013 .
- ↑ McEvoy, MA; Correll, N. (2015-03-20). "Materiales que acoplan detección, actuación, computación y comunicación" . Science . 347 (6228). Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). Bibcode : 2015Sci...34761689M . doi : 10.1126/science.1261689 . ISSN 0036-8075 . PMID 25792332. S2CID 206563151 .
- ↑ Kaya, Kerem; Kravchenko, Alexander; Scarpellini, Claudia; Iseri, Emre; Kragic, Danica; van der Wijngaart, Wouter (2023). "Materia programable con transfiguración y locomoción libres y de alta resolución" . Advanced Functional Materials . 34 (14). doi : 10.1002/adfm.202307105 .
- ^ Bergamini , Andrea; Delpero, Tommaso; De Simoni, Luca; Di Lillo, Luigi; Ruzzene, Massimo; Ermanni, Paolo (2014). "Cristal fonónico con conectividad adaptativa". Materiales Avanzados . 2 (9): 1343– 1347. Bibcode : 2014AdM....26.1343B . doi : 10.1002/adma.201305280 . ISSN 0935-9648 . PMID 24734298 . S2CID 23402889 .
- ↑ 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 periódica truncada" . Applied Physics Letters . 93 (11): 111902. Bibcode : 2008ApPhL..93k1902W . doi : 10.1063/1.2970992 . ISSN 0003-6951 .
- ↑ Chen, Tian; Pauly, Mark; Reis M., Pedro (2021). "Un metamaterial mecánico reprogramable con memoria estable". Nature . 589 (7842): 386– 390. Bibcode : 2021Natur.589..386C . doi : 10.1038/s41586-020-03123-5 . ISSN 1476-4687 . PMID 33473228 . S2CID 231665050 .
- 1 2 Deyle, Travis (2010). "Imanes electropermanentes: imanes programables con consumo de energía estática cero permiten los robots modulares más pequeños hasta la fecha" . HiZook . Recuperado el 6 de abril de 2012 .
- ↑ Hardesty, Larry (2012). "Arena autoesculpida" . MIT . Recuperado el 6 de abril de 2012 .
- ↑ ( Yim et al. 2007 , pp. 43–52) Una visión general de los trabajos recientes y los desafíos
- ↑ Nguyen, Peter (17 de septiembre de 2014). "Materiales programables basados en biopelículas a partir de nanofibras de curli modificadas" . Nature Communications . 5 : 4945. Bibcode : 2014NatCo...5.4945N . doi : 10.1038/ncomms5945 . PMID 25229329 .
Lecturas adicionales
- Goldstein, Seth Copen; Campbell, Jason; Mowry, Todd C. (junio de 2005). "Materia programable" . IEEE Computer . 38 (6): 99–101 . doi : 10.1109/MC.2005.198 . S2CID 17346523 .
- McCarthy, Wil (5 de octubre de 2000). " Materia programable" . Nature . 407 (6804): 569. doi : 10.1038/35036656 . PMID 11034188. S2CID 5242445 .
- Preguntas frecuentes sobre materia programable . Archivado del original el 29 de mayo de 2008.
- McCarthy, Wil (2003). Hacking Matter: Levitating Chairs, Quantum Mirages, and the Infinite Weirdness of Programmable Atoms . 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 robóticos modulares autorreconfigurables" . IEEE Robotics & Automation Magazine . 14 (1): 43. doi : 10.1109/MRA.2007.339623 . S2CID 11100988 .
- Thalamy, Pierre; Piranda, Benoit; Bourgeois, Julien (diciembre de 2021). "Ingeniería de autorreconfiguración 3D eficiente y masivamente paralela mediante sandboxing, andamiaje y recubrimiento" . Robotics and Autonomous Systems . 146 (18) 103875. doi : 10.1016/j.robot.2021.103875 .
- Piranda, Benoit; Bourgeois, Julien (2021). "Datom: Un robot modular deformable para construir materia programable autorreconfigurable" . XV Simposio Internacional sobre Sistemas Robóticos Autónomos Distribuidos . arXiv : 2005.03402 .
Enlaces externos
- "DARPA (Ejército de EE. UU.) Impulso a la materia programable" . Afcea International . 26 de mayo de 2009.
- "El Consorcio de Materia Programable" . 20 de abril de 2022.
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