مادة قابلة للبرمجة
المواد القابلة للبرمجة هي المادة التي لديها القدرة على تغيير خواصها الفيزيائية (الشكل ، الكثافة ، الرجوعية ، الموصلية ، الخصائص البصرية ، إلخ) في برمجة. الأنماط ، استناداً إلى إدخال المستخدم أو الاستشعار المستقل . وبالتالي ، ترتبط المادة القابلة للبرمجة بمفهوم المادة التي لديها القدرة على إجراء معالجة المعلومات بطبيعتها.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التاريخ
المادة القابلة للبرمجة هي مصطلح تمت صياغته أصلاً في عام 1991 من قبل توفولي و مارگولوس للإشارة إلى مجموعة من عناصر الحوسبة الدقيقة مرتبة في الفضاء.[1] يصف بحثهم حوسبة المادة المتفاعلة التي تتكون من العقد الحسابية الدقيقة موزعة في جميع أنحاء الفضاء والتي تتصل باستخدام بأقرب التفاعلات القريبة فقط. في هذا السياق ، تشير المادة القابلة للبرمجة إلى نماذج حسابية مشابهة لـ الأتمتة الخلوية و الأتمتة الغازية للشبكة.[2] تعتبر بنية CAM-8 مثالًا على تطبيق و إنجاز الأجهزة لهذا النموذج.[3] تُعرف هذه الوظيفة أيضًا باسم "المناطق المرجعية الرقمية" (DRA) في بعض أشكال علوم آلة التكرار الذاتي.[4]
في أوائل التسعينيات ، كان هناك قدر كبير من العمل في مجال الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التشكيل مع فلسفة مماثلة للمادة القابلة للبرمجة.[4]
نظرًا لتطور تكنولوجيا أنصاف النواقل ، تقنية النانو ، وتكنولوجيا الآلة الذاتية التكرار ، فقد تغير استخدام مصطلح المادة القابلة للبرمجة ليعكس حقيقة أن من الممكن بناء مجموعة من العناصر التي يمكن "برمجتها" لتغيير خصائصها الفيزيائية في الواقع ، وليس فقط في محاكاة. وهكذا أصبحت المادة القابلة للبرمجة تعني "أي مادة سائبة يمكن برمجتها لتغيير خصائصها الفيزيائية".
في صيف عام 1998 ، صاغ ويل مكارثي و ج سنايدر في بحث حول الذرات المصطنعة والمادة القابلة للبرمجة ، مصطلح ((ويسلتون الكمي)) أو ببساطة الويلستون لوصف هذه الافتراضات و أيضاً الصيغة الظاهرية للمادة القبلة للبرمجة و قد استخدم مكارثي المصطلح هذا في أعماله.
في عام 2002 ، بدأ كل من سيث گولدشتاين و تود موري بمشروع claytronics في جامعة كارنيگي ميلون لاستكشاف آليات الأجهزة والبرامج الأساسية اللازمة لتطبيق المادة القابلة للبرمجة.
في عام 2004 ، بحثت DARPA مجموعة علوم وتكنولوجيا المعلومات (ISAT) إمكانات المادة القابلة للبرمجة. و نتج عن ذلك دراسة 2005-2006 "تنفيذ المادة قابلة للبرمجة" ، والتي وضعت برنامجًا متعدد السنوات للبحث والتطوير في المادة القابلة للبرمجة.
في عام 2007 ، كانت المادة القابلة للبرمجة موضوع دراسي عن استئناف بحث و برنامج لاحق لDARPA .[5][6]
نظريات
في إحدى المذاهب الفكرية ، يمكن أن تكون البرمجة خارجية عن المادة ويمكن تنفيذها من خلال "تطبيق مجالات الضوء أو الجهد أو المجال الكهربائي أو المغناطيسي ، إلخ." (McCarthy 2006). على سبيل المثال ، شاشة الكريستال السائل هي شكل من أشكال المواد القابلة للبرمجة. أما المذهب الفكري الثاني هي أن الوحدات الفردية للمجموعة يمكنها القيام بالحساب وأن نتيجة حسابها هي تغيير في الخصائص الفيزيائية للمجموعة. مثال على هذا الشكل الأكثر طموحًا من المادة القابلة للبرمجة هو claytronics.
هناك العديد من التطبيقات المقترحة للمادة القابلة للبرمجة. المقياس هو أحد الفروق الرئيسية بين الأشكال المختلفة للمادة القابلة للبرمجة. في أحد طرفي الطيف ، تتبع الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التكوين شكلاً من أشكال المواد القابلة للبرمجة حيث تكون الوحدات الفردية في نطاق حجم السنتيمتر.[4][7][8] في نهاية كمية النانو المقاسة من الطيف ، هنالك عدد هائل من القواعد المختلفة للمادة القابلة للبرمجة ، تتراوح من جزيئات تغيير الشكل[9] إلى نقطة الكم وغالبًا ما يشار إلى النقاط الكمومية على أنها ذرات اصطناعية. في أمثلة نطاق الميكروميتر إلى أقل من الميليمتر ، تشمل MEMS ، الوحدات التي تم إنشاؤها باستخدام البيولوجيا التركيبية ، ومفهوم الضباب القابل للاستخدام. هنالك مجموعة فرعية مهمة من المواد القابلة للبرمجة هي المواد الروبوتية ، التي تجمع بين الجوانب الهيكلية للمركب والأغلفة التي يوفرها التكامل الدقيق بين أجهزة الاستشعار والمحركات والحساب والاتصال,[10] في ما ذكر أعلاه تمت إعادة التشكيل بواسطة حركة الجسيمات.
أمثلة
هناك العديد من مفاهيم المادة القابلة للبرمجة ، وبالتالي العديد من الطرق المنفصلة للبحث باستخدام هذا الاسم. فيما يلي بعض الأمثلة المحددة عن المادة القابلة للبرمجة.
"المادة البسيطة"
وتشمل هذه المواد التي يمكن أن تغير خصائصها على أساس بعض المدخلات ، ولكن لا تملك القدرة على القيام بحساب معقدة من تلقاء نفسها.
السوائل المعقدة
يمكن تعديل الخواص الفيزيائية للعديد من السوائل المعقدة عن طريق تطبيق التيار أو الجهد ، كما هو الحال مع البلورات السائلة.
Metamaterials
المواد الوصفية الاصطناعية أو المواد المركبة التي يمكن التحكم بها لتتفاعل بطرق لا تحدث في الحالة الطبيعية. أحد الأمثلة التي طورها ديڤيد سميث ثم جون پيندري وديڤيد شوري هي مادة يمكن ضبط مؤشر انكسارها بحيث يمكن أن يكون لها مؤشر مختلف للانكسار في نقاط مختلفة في المادة. إذا تم ضبطها بشكل صحيح ، فقد ينتج عن ذلك "غطاء غير مرئي".
يتم تقديم مثال إضافي على المادة الميكانيكية القابلة للبرمجة بواسطة بيرجاميني و آخرون .[11] هنا ، يتم تقديم شريط تمرير داخل فجوة الحزمة الصوتية ، من خلال استغلال الصلابة المتغيرة للعناصر الكهروإجهادية التي تربط بذرة الألومنيوم بلوحة الألومنيوم لإنشاء بلورة صوتية كما هو الحال في عمل وو وآخرون.[12] يتم تحويل العناصر الكهروإجهادية إلى الأرض على محاثات صناعية. حول تردد الرنين لدائرة LC المتكونة من عناصر كهرضغطية و محارضات، تظهر العناصر الكهروإجهادية بالقرب من تصلب الصفر ، وبالتالي تقوم بفصل البواقي بفعالية عن الصفيحة. هذا يعتبر مثالا على metamaterial الميكانيكية البرمجة.[11]
تغيير شكل الجزيئات
توجد منطقة بحث نشطة في الجزيئات التي يمكن أن تغير شكلها ، وكذلك الخصائص الأخرى ، استجابة للمنبهات الخارجية. يمكن استخدام هذه الجزيئات بشكل فردي أو جماعي لتشكيل أنواع جديدة من المواد. على سبيل المثال ، تعمل مجموعة جي فريزر ستودارت في جامعة كاليفورنيا على تطوير جزيئات يمكنها تغيير خصائصها الكهربائية.[9]
المغناطيس الكهربائي الدائم
المغناطيس الدائم هو نوع من المغانط الذي يتألف من كل من المغناطيس الكهربائي والمادة المزدوجة المغناطيس الدائم ، حيث يتم استخدام المجال المغناطيسي المنتج من قبل المغناطيس الكهربائي لتغيير مغنطة المغناطيس الدائم. يتكون المغناطيس الدائم من مواد صلبة و لينة مغناطيسية ، التي لا يمكن تغيير المغنطة فيها إلا للمادة اللينة. عندما تحتوي المواد المغناطيسية الناعمة و الصلبة على مغنطيسات مغايرة ، لا يكون للمغناطيس حقل مغناطيسي صافٍ ، وعندما يتم محاذاتها ، يعرض المغناطيس سلوكًا مغناطيسيًا.[13]
إنها تسمح بإنشاء مغناطيس دائم يمكن التحكم فيه بحيث يمكن الحفاظ على التأثير المغناطيسي دون الحاجة إلى إمدادات مستمرة من الطاقة الكهربائية. لهذه الأسباب ، يعتبر المغناطيس الكهربائي الدئم مكونات أساسية في الدراسات البحثية التي تهدف إلى بناء مغناطيس قابل للبرمجة يمكن أن يؤدي إلى إنشاء هياكل ذاتية.[13][14]
النهج القائمة على الروبوتات
وحدات الروبوتات ذاتية إعادة التشكيل
الروبوتات المعيارية ذاتية التكوين هي مجال من الروبوتات تعمل فيه مجموعة من وحدات الروبوت الأساسية معًا لتكوين الأشكال ديناميكيًا وإنشاء سلوكيات مناسبة للعديد من المهام ، على غرار المادة القابلة للبرمجة. يهدف SRCMR إلى تقديم تحسين كبير لأنواع كثيرة من الأدوات أو الأنظمة من خلال تقديم العديد من الاحتمالات الجديدة. على سبيل المثال: 1. الأهم هو المرونة المذهلة التي تأتي من القدرة على تغيير البنية والسلوك المادي للحل عن طريق تغيير البرنامج الذي يتحكم في الوحدات النمطية. 2. القدرة على الإصلاح الذاتي عن طريق استبدال وحدة معطلة تلقائيًا و ستجعل حل SRCMR مرنًا بشكل لا يصدق. 3. الحد من البصمة البيئية من خلال إعادة استخدام نفس الوحدات في العديد من الحلول المختلفة. تتمتع الروبوتات المعيارية ذاتية التكوين بمجتمع بحثي فعال ونشط.[15]
Claytronics
Claytronics هو حقل ناشئ في الهندسة فيما يتعلق بإعادة تشكيل الروبوتات النانومترية (ذرات 'claytronic "، أو" catoms "") المصممة لتشكيل نطاق واسع الآلات أو الآليات. ستكون catoms عبارة عن أجهزة كمبيوتر شبه ملليمترية ستكون لها في نهاية الأمر القدرة على التنقل والتواصل مع أجهزة الكمبيوتر الأخرى وتغيير اللون و الاتصال الإلكتروستاتيكي ب catoms أخرى لتكوين أشكال مختلفة.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الخلايا التلقائية
تعتبر الأتمتة الخلوية مفهومًا مفيدًا لاستخلاص بعض مفاهيم الوحدات المنفصلة التي تتفاعل لإعطاء السلوك الكلي المطلوب.
موارد المنخفض
يمكن للموارد الكمومية أن تحمل إلكترونًا واحدًا أو أكثر. تتصرف تلك الإلكترونات مثل ذرة اصطناعية ، و مثل الذرات الحقيقية ، يمكن أن تتشكل روابط تساهمية ، لكنها ضعيفة للغاية. بسبب أحجامها الكبيرة ، والخصائص الأخرى هي أيضا مختلفة على نطاق واسع.
علم الأحياء الاصطناعية
البيولوجيا التركيبية هي مجال يهدف إلى هندسة الخلايا ذات "الوظائف البيولوجية الجديدة"."[بحاجة لمصدر] عادة ما تستخدم هذه الخلايا لإنشاء أنظمة أكبر (على سبيل المثال ، الأغشية الحيوية) والتي يمكن "برمجتها" باستخدام شبكات الجينات الاصطناعية كمفاتيح التبديل الوراثية ، لتغيير لونها وشكلها ، وما إلى ذلك. لقد تم إثبات هذه الأساليب المستهجنة بيولوجيًا لإنتاج المواد ، باستخدام مواد الأغشية الحيوية التجميعية ذاتية التجميع التي يمكن برمجتها لوظائف محددة ، مثل الالتصاق بالطبقة التحتية ، والجسيمات النانوية ، و تجميد الپروتين.[16]
انظر أيضاً
المراجع
- ^ Toffoli, Tommaso; Margolus, Norman (1991). "Programmable matter: concepts and realization". Physica D. 47 (1–2): 263–272. doi:10.1016/0167-2789(91)90296-L.
- ^ Rothman, D.H.; Zaleski, S. (2004) [1997]. Lattice Gas Cellular Automata. Cambridge University Press. ISBN 9780521607605.
- ^ "CAM8: a Parallel, Uniform, Scalable Architecture for Cellular Automata Experimentation". Ai.mit.edu. Retrieved 2013-04-10.
- ^ أ ب ت http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050[dead link]
- ^ "DARPA research solicitation". Archived from the original on July 15, 2009.
- ^ DARPA Strategic Thrusts: Programmable Matter Archived ديسمبر 12, 2010 at the Wayback Machine
- ^ Research
- ^ [1]
- ^ أ ب "UCLA Chemistry and Biochemistry". Stoddart.chem.ucla.edu. Archived from the original on 2004-10-12. Retrieved 2013-04-10.
- ^ M. A. McEvoy and N. Correll. Materials that couple sensing, actuation, computation, and communication. Science 347(6228), 2015.
- ^ أ ب Bergamini, Andrea; Delpero, Tommaso; De Simoni, Luca; Di Lillo, Luigi; Ruzzene, Massimo; Ermanni, Paolo (2014). "Phononic Crystal with Adaptive Connectivity". Advanced Materials. Vol. 2, no. 9. pp. 1343–1347. doi:10.1002/adma.201305280. ISSN 0935-9648.
- ^ Wu, Tsung-Tsong; Huang, Zi-Gui; Tsai, Tzu-Chin; Wu, Tzung-Chen (2008). "Evidence of complete band gap and resonances in a plate with periodic stubbed surface". Applied Physics Letters. Vol. 93, no. 11. p. 111902. doi:10.1063/1.2970992. ISSN 0003-6951.
- ^ أ ب Deyle, Travis (2010). "Electropermanent Magnets: Programmable Magnets with Zero Static Power Consumption Enable Smallest Modular Robots Yet". HiZook. Retrieved 2012-04-06.
- ^ Hardesty, Larry (2012). "Self-sculpting sand". MIT. Retrieved 2012-04-06.
- ^ (Yim et al. 2007, pp. 43–52) An overview of recent work and challenges
- ^ Nguyen, Peter (Sep 17, 2014). "Programmable biofilm-based materials from engineered curli nanofibres". Nature Communications. 5: 4945. doi:10.1038/ncomms5945. PMID 25229329.
قراءة متعمقة
- Goldstein, Seth Copen; Campbell, Jason; Mowry, Todd C. (June 2005). "Programmable Matter". IEEE Computer. 38 (6): 99–101. doi:10.1109/MC.2005.198.
- McCarthy, Wil (2006). "Programmable Matter FAQ".
- McCarthy, Wil (2003). Hacking Matter: Levitating Chairs, Quantum Mirages, and the Infinite Weirdness of Programmable Atoms. New 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 (March 2007). "Modular Self-Reconfigurable Robot Systems". IEEE Robotics & Automation Magazine. 14 (1): 43. doi:10.1109/MRA.2007.339623.