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Claytronics
Claytronics ist ein abstraktes Zukunftskonzept, das nanoskalige Robotik und informatik kombiniert, um einzelne Computer im Nanometermaßstab namens claytronic-Atome oder katome zu schaffen, die miteinander interagieren können, um greifbare 3D-Objekte zu bilden, mit denen ein Benutzer interagieren kann. Diese Idee wird allgemein als programmierbare Materie bezeichnet.[1] Claytronics hat das Potenzial, einen großen Einfluss auf viele Bereiche des täglichen Lebens, wie Telekommunikation, Mensch-computer-Schnittstellen und Unterhaltung.
Inhalt
1 Aktuelle Forschung
2 Hardware
2.1 Aktuelle catoms
2.2 Zukünftige Gestaltung
3 Software
3.1 Meld
3.2 Lokal verteilte Prädikate (LDP)
3.3 Verteilte Beobachtungspunkte
3.4 Algorithmen
4 Zukünftige Anwendungen
5 Siehe auch
6. Hinweise
7 Referenzen
8 Externe links
Aktuelle Forschung
Aktuelle Forschung erforscht das Potenzial der modularen rekonfigurierbaren Robotik und der komplexen software zur Steuerung der "shape changing" - Roboter. "Lokal Verteilten Prädikate oder LDP ist eine verteilte, high-level-Sprache für die Programmierung modulare rekonfigurierbare Robotersysteme (MRRs)". Es gibt viele Herausforderungen bei der Programmierung und Steuerung einer großen Anzahl diskreter modularer Systeme aufgrund der Freiheitsgrade, die jedem Modul entsprechen. Zum Beispiel kann eine Neukonfiguration von einer formation zu einer ähnlichen einen komplexen bewegungsweg erfordern, der durch eine komplizierte befehlsserie gesteuert wird, obwohl sich die beiden Formen leicht unterscheiden.[2]
Im Jahr 2005 waren die Forschungsbemühungen zur Entwicklung eines hardwarekonzepts auf Millimeterskala erfolgreich, so dass zylindrische Prototypen mit einem Durchmesser von 44 Millimetern entstanden, die durch elektromagnetische Anziehung miteinander interagieren. Ihre Experimente halfen Forschern, die Beziehung zwischen Masse und potentieller Kraft zwischen Objekten als "eine 10-fache Verringerung der Größe [was] zu einer 100-fachen Zunahme der Kraft relativ zur Masse"übersetzen sollte.[1] die Jüngsten Fortschritte in diesem prototypenkonzept sind in form von einem millimeter Durchmesser zylindrischen Robotern, die auf einem Dünnfilm durch Photolithographie hergestellt wurden, die mit komplexen software zusammenarbeiten würden, die elektromagnetische Anziehung und Abstoßung zwischen Modulen Steuern würde.[3]
Heute werden umfangreiche Forschungen und Experimente mit claytronics an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania von einem Forscherteam durchgeführt, das aus den Professoren Todd C. Mowry, Seth Goldstein, Graduierten-und Bachelor-Studenten sowie Forschern der Intel Labs Pittsburgh besteht.[4]
Hardware Die treibende Kraft hinter der programmierbaren Materie ist die eigentliche hardware, die sich selbst in die gewünschte form manipuliert. Claytronics besteht aus einer Sammlung von Einzelkomponenten namens claytronic-Atomen oder katomen. Um lebensfähig zu sein, müssen katome eine Reihe von Kriterien erfüllen. Zuerst müssen katome sich in drei Dimensionen zueinander bewegen und in der Lage sein, eine dreidimensionale Form zu bilden. Zweitens müssen die katome in einem ensemble miteinander kommunizieren und Staatliche Informationen möglicherweise mit Hilfe von einander berechnen können. Katome bestehen grundsätzlich aus einer CPU, einem Netzwerkgerät für die Kommunikation, einem einzelpixeldisplay, mehreren sensoren, einer onboard-Batterie und einem Mittel zum anhaften.[1]
Aktuelle catoms Die Forscher der Carnegie Mellon University haben verschiedene Prototypen von katomen entwickelt. Diese variieren von kleinen würfeln bis zu riesigen Heliumballons.[5] der Prototyp, der am ähnlichsten ist, was Entwickler hoffen, katome werden ist der planare katom.[Zitat benötigt] Diese nehmen die form von 44 mm Durchmesser Zylinder. Diese Zylinder sind mit 24 Elektromagneten ausgestattet, die in einer Reihe von gestapelten Ringen entlang des zylinderumfangs angeordnet sind. Die Bewegung wird dadurch erreicht, dass die katome die Magnete aktivieren und deaktivieren, um sich entlang der Oberfläche zu Rollen. Nur ein magnet auf jedem katom wird gleichzeitig erregt. Diese Prototypen sind in der Lage, sich Recht schnell neu zu konfigurieren, mit der Entkopplung von zwei Einheiten, Bewegung zu einem anderen Kontaktpunkt, und die umkopplung dauert nur etwa 100 ms. Leitfähige Streifen auf dem Tisch liefern die notwendige Leistung.[6]
Zukunft design Im aktuellen design können sich die katome nur in zwei Dimensionen relativ zueinander bewegen. Zukünftige katome müssen sich in drei Dimensionen zueinander bewegen. Ziel der Forscher ist es, einen millimeter großen katom ohne bewegliche Teile zu entwickeln, um eine Massenfertigung zu ermöglichen. Millionen dieser Mikroroboter werden in der Lage sein, variable Farbe und Intensität des Lichts zu emittieren, so dass für dynamische physikalische rendering. Das gestaltungsziel hat sich verschoben, katome zu schaffen, die einfach genug sind, um nur als Teil eines Ensembles zu funktionieren, wobei das ensemble als ganzes eine höhere Funktion erfüllen kann.[7]
Wenn die katome verkleinert werden, wird eine Bordbatterie, die ausreicht, um Sie zu versorgen, die Größe des katoms selbst überschreiten, so dass eine Alternative Energielösung gewünscht wird. Es wird daran geforscht, alle katome in einem ensemble zu versorgen, wobei der katomkontakt als energietransportmittel genutzt wird. Eine Möglichkeit zur Erforschung ist die Verwendung eines speziellen Tisches mit positiven und negativen Elektroden und die interne Stromleitung durch die katome, über " virtuelle Drähte.”
Eine weitere große design-Herausforderung wird die Entwicklung eines Geschlechtslosen unären Steckverbinders für die katome sein, um die rekonfigurierungszeit auf ein minimum zu beschränken. Nanofasern bieten eine mögliche Lösung für diese Herausforderung.[8] Nanofasern erlauben eine große Haftung in kleinem Maßstab und erlauben einen minimalen Stromverbrauch, wenn die katome in Ruhe sind.
Software Die Organisation aller Kommunikation und Aktionen zwischen Millionen von Submillimeter - katomen erfordert die Entwicklung Fortgeschrittener algorithmen und Programmiersprachen. Die Forscher und Ingenieure des Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab haben eine Breite Palette von Projekten gestartet, um die notwendige software zu entwickeln, um die Kommunikation zwischen katomen zu erleichtern. Die wichtigsten Projekte sind die Entwicklung neuer Programmiersprachen, die für claytronics effizienter arbeiten. Das Ziel einer claytronics matrix ist es, dreidimensionale Formen dynamisch zu Formen. Die große Anzahl von katomen in diesem verteilten Netzwerk erhöht jedoch die Komplexität des mikromanagements jedes einzelnen katoms. So muss jeder katom genaue Positionsinformationen und das Kommando der Zusammenarbeit mit seinen Nachbarn wahrnehmen. In dieser Umgebung muss die Softwaresprache für den matrixbetrieb prägnante Aussagen von High-level-Befehlen vermitteln, um universell verteilt zu werden. Sprachen, um eine matrix zu Programmieren, benötigen eine kürzere syntax und einen kürzeren befehlsstil als normale Programmiersprachen wie C++ und Java.[9]
Das Carnegie Mellon-Intel Claytronics Forschungsprojekt hat zwei neue Programmiersprachen geschaffen: Meld und Locally Distributed Predicates (LDP).[Zitat benötigt]
Verschmelzen Meld ist eine deklarative Sprache, eine logische Programmiersprache, die ursprünglich für die Programmierung von overlay-Netzwerken entwickelt wurde.[10] mit Hilfe der Logik-Programmierung kann der code für ein roboterensemble aus globaler Perspektive geschrieben werden, so dass sich der Programmierer auf die Gesamtleistung der claytronics-matrix konzentrieren kann, anstatt individuelle Anweisungen für jedes der tausenden bis Millionen katome im ensemble zu schreiben.[11] dies vereinfacht den Denkprozess zur Programmierung der Bewegung einer claytronics-matrix dramatisch.
Lokal verteilte Prädikate (LDP) LDP ist eine reaktive Programmiersprache. Es wurde verwendet, um trigger debugging in der früheren Forschung. Mit der Hinzufügung von Sprache, die es dem Programmierer ermöglicht, Operationen in der Entwicklung der Form der matrix zu erstellen, kann es verwendet werden, um die verteilten lokalen Bedingungen zu analysieren.[12] es kann auf Feste Größe, verbunden Gruppen von Modulen bietet verschiedene Funktionen der Zustand Konfiguration. Ein Programm, das sich eher an ein Modul fester Größe als an das gesamte ensemble wendet, ermöglicht es Programmierern, die claytronic matrix häufiger und effizienter zu betreiben. LDP bietet ferner ein Mittel zur Anpassung verteilter Muster. Es ermöglicht dem Programmierer, einen größeren Satz von Variablen mit boolescher Logik anzusprechen, wodurch das Programm nach größeren aktivitätsmustern und Verhaltensweisen zwischen modulgruppen suchen kann.[2]
Verteilte Beobachtungspunkte Leistungsfehler für Tausende bis Millionen einzelner katome sind schwer zu erkennen und zu Debuggen, daher erfordern claytronics matrix-Operationen einen dynamischen und selbstgesteuerten Prozess zur Identifizierung und Fehlersuche. Claytronics-Forscher haben Verteilte Watchpoints entwickelt, einen Algorithmus-level-Ansatz zur Erkennung und Behebung von Fehlern, die durch konventionellere debugging-Techniken verpasst werden.[13] Es stellt Knoten, die überwachung zu bestimmen, die Wirksamkeit der verteilten Bedingungen.[14] Dieser Ansatz bietet eine einfache und sehr beschreibenden Satz von Regeln zur Bewertung von verteilten Bedingungen und erweist sich wirksam bei der Erkennung von Fehlern.
Algorithmus Zwei wichtige Klassen von claytronics algorithmen sind shape sculpting und Lokalisierung algorithmen. Das ultimative Ziel der claytronics-Forschung ist die dynamische Bewegung in dreidimensionalen Posen. Alle Forschungen über katombewegung, kollektive betätigung und hierarchische Bewegungsplanung erfordern formbildende algorithmen, um katome in die notwendige Struktur zu verwandeln, die dem dynamischen ensemble strukturelle Stärke und flüssige Bewegung verleiht. Inzwischen ermöglichen lokalisierungsalgorithmen katome, Ihre Positionen in einem ensemble zu lokalisieren.[15] ein lokalisierungsalgorithmus sollte genaue relationale Kenntnisse der katome zur gesamten matrix basierend auf lauter Beobachtung in einer vollständig verteilten Weise liefern.
Zukünftige Anwendungen
Verweise