클레이트로닉스

Claytronics

클레이트로닉스는 나노 크기의 로봇과 컴퓨터 과학을 결합하여 클레이트로닉 원자(catoms)라고 불리는 개별 나노미터 크기의 컴퓨터를 만드는 추상적인 미래 개념이다. 이 컴퓨터들은 사용자가 상호작용할 수 있는 구체적인 3D 물체를 형성하기 위해 서로 상호작용할 수 있다.이 아이디어는 프로그램 가능한 [1]물질로 더 폭넓게 언급됩니다.Claytronics는 통신, 인간-컴퓨터 인터페이스 및 엔터테인먼트와 같은 일상생활의 많은 분야에 큰 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

현재의 연구

현재 연구는 모듈러 재구성 로봇과 "모양 변경" 로봇을 제어하는 데 필요한 복잡한 소프트웨어의 잠재력을 탐구하고 있습니다."Local Distributed Predicates(LDP)는 모듈러 재구성 로봇 시스템(MRR)을 프로그래밍하기 위한 고급 분산 언어입니다."각 모듈에 대응하는 자유도 때문에 다수의 이산 모듈러 시스템을 프로그래밍하고 제어하는 것과 관련된 많은 과제가 있습니다.예를 들어, 하나의 포메이션에서 유사한 포메이션으로 재구성하려면 두 형상이 [2]약간 다르지만 복잡한 일련의 명령으로 제어되는 복잡한 이동 경로가 필요할 수 있습니다.

2005년에는 전자파 흡인력을 통해 서로 상호작용하는 지름 44mm의 원통형 프로토타입을 만들면서 밀리미터 규모의 하드웨어 개념을 개발하기 위한 연구가 성공적으로 이루어졌다.그들의 실험은 연구자들이 물체들 사이의 질량과 잠재적 힘 사이의 관계를 "10배의 크기 감소는 [1]질량에 비해 힘이 100배 증가하는 것으로 해석될 것"이라고 검증하는 데 도움을 주었다.이 프로토타입 컨셉의 최근 발전은 직경 1mm의 원통형 로봇이 모듈 [3]간의 전자파 흡인 및 반발력을 제어하는 복잡한 소프트웨어를 사용하여 서로 협력하는 사진 석판 인쇄에 의해 박막 위에 제작되는 형태입니다.

오늘날 펜실베니아주 피츠버그에 있는 카네기 멜론 대학에서 토드 C 교수들로 구성된 연구팀이 클레이트로닉스에 대한 광범위한 연구와 실험을 수행하고 있습니다.Mowry, Seth Goldstein, 대학원생 및 학부생, 인텔랩스 피츠버그의 [4]연구원.

하드웨어

프로그래머블 머티리얼의 원동력은 어떤 형태로든 자신을 조작하고 있는 실제 하드웨어입니다.Claytronics는 Claytronic atoms 또는 catoms라고 불리는 개별적인 구성 요소들의 집합으로 구성되어 있습니다.생존하기 위해서는 일련의 기준에 부합해야 합니다.첫째, 캐텀은 서로 상대적인 3차원으로 움직일 수 있어야 하고 서로 밀착하여 3차원 형상을 형성할 수 있어야 한다.둘째, 각 기지는 앙상블에서 서로 통신할 수 있어야 하며, 서로 도움을 받아 상태 정보를 계산할 수 있어야 합니다.기본적으로 캐텀은 CPU, 통신용 네트워크 장치, 단일 픽셀 디스플레이, 여러 센서, 온보드 배터리 및 서로 [1]접착하는 수단으로 구성됩니다.

현재의 캐텀

카네기 멜론 대학의 연구진은 다양한 기암괴석 시제품을 개발했다.이것들은 작은 큐브에서 거대한 헬륨 풍선까지 다양합니다.[5] 개발자들이 캐텀이 되기를 바라는 것과 가장 유사한 원형이 바로 평면 캐텀입니다.[citation needed]이들은 44mm 직경의 실린더 형태를 취합니다.이 실린더에는 실린더 둘레를 따라 일련의 겹겹이 쌓인 링으로 배열된 24개의 전자석이 장착되어 있습니다.이동은 캐텀이 공동으로 자석을 활성화 및 비활성화하여 서로의 표면을 따라 롤링함으로써 이루어집니다.각 캐텀의 자석은 한 번에 1개만 통전됩니다.이러한 프로토타입은 두 장치를 분리하거나 다른 접점으로 이동하거나 재결합하는 데 약 100밀리초밖에 걸리지 않아 매우 빠르게 재구성할 수 있습니다.전원은 실린더 하단의 픽업 피트를 사용하여 캐텀에 공급됩니다.테이블의 전도성 스트립은 필요한 전원을 [6]공급합니다.

미래 설계

현재 설계에서는 캐텀이 서로 상대적인 2차원에서만 이동할 수 있습니다.미래의 요새는 서로 상대적인 3차원으로 이동해야 합니다.연구진의 목표는 가동 부품이 없는 1밀리미터 크기의 캐텀을 개발하여 대량 제조를 가능하게 하는 것입니다.수백만 개의 마이크로로봇이 다양한 색상과 강도를 방출할 수 있어 역동적인 물리적 렌더링이 가능합니다.설계 목표는 앙상블의 일부로서만 기능할 수 있고 전체적으로 [7]더 높은 기능을 제공할 수 있는 심플한 캐텀을 만드는 것으로 전환되었습니다.

캐텀의 크기를 줄이면 전력을 공급하기에 충분한 온보드 배터리가 캐텀 자체의 크기를 초과하기 때문에 대체 에너지 솔루션이 바람직합니다.캐텀 간 접점을 에너지 수송 수단으로 활용하여 모든 캐텀을 합체하여 전력화하는 연구가 진행되고 있습니다.탐색되는 한 가지 가능성은 양극과 음극이 있는 특수 테이블을 사용하고 전력을 "가상 와이어"를 통해 캐텀을 통해 내부적으로 전달하는 것입니다.

또 다른 주요 설계 과제는 재구성 시간을 최소로 유지하기 위해 캐텀을 위한 성별 없는 단항 커넥터를 개발하는 것입니다.나노 파이버는 이 [8]과제에 대한 가능한 해결책을 제공합니다.나노 파이버는 소규모로 높은 접착력을 제공하며 캐텀이 정지해 있을 때 전력 소비를 최소화합니다.

소프트웨어

수백만 개의 서브밀리미터 규모의 캐텀 사이의 모든 통신과 액션을 조직하려면 고급 알고리즘과 프로그래밍 언어의 개발이 필요합니다.Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Lab의 연구원들과 엔지니어들은 캐텀들 간의 의사소통을 용이하게 하기 위해 필요한 소프트웨어를 개발하기 위해 광범위한 프로젝트를 시작했습니다.가장 중요한 프로젝트는 Claytronics에서 보다 효율적으로 작동하는 새로운 프로그래밍 언어를 개발하는 것입니다.클레이트로닉스 매트릭스의 목적은 역동적으로 3차원 형상을 형성하는 것입니다.그러나 이 분산 네트워크에는 방대한 수의 캐텀이 존재하기 때문에 각 캐텀의 마이크로 관리가 복잡해집니다.따라서 각 캐텀은 정확한 위치정보와 이웃과의 협력지휘를 인지해야 한다.이 환경에서 매트릭스 연산을 위한 소프트웨어 언어는 범용적으로 배포되기 위해 높은 수준의 명령어를 간결하게 전달해야 합니다.매트릭스를 프로그래밍하는 언어에는 C++ [9][further explanation needed]및 Java와 같은 일반 프로그래밍 언어보다 더 간략한 구문과 명령 스타일이 필요합니다.

Carnegie Mellon-Intel Claytronics Research Project는 두 가지 새로운 프로그래밍 언어를 만들었습니다.Meld 및 Local Distributed Predicate(LDP;[10][11] 로컬 분산 술어)

멜드

멜드는 선언형 언어이며, 원래 [10]오버레이 네트워크를 프로그래밍하기 위해 설계된 논리 프로그래밍 언어입니다.로직프로그래밍을 사용함으로써 로봇 앙상블의 코드를 글로벌한 관점에서 작성할 수 있어 프로그래머는 [12]앙상블의 수천~수백만개의 캐텀마다 개별 명령어를 쓰는 것이 아니라 클레이트로닉스 매트릭스의 전체적인 성능에 집중할 수 있다.이는 클레이트로닉스 매트릭스의 움직임을 프로그래밍하기 위한 사고 과정을 획기적으로 단순화합니다.

로컬 분산 술어(LDP)

LDP는 반응형 프로그래밍 언어입니다.이전 연구에서 디버깅을 트리거하기 위해 사용되었습니다.프로그래머가 매트릭스 형상의 개발에서 연산을 구축할 수 있는 언어를 추가하여 분산된 로컬 조건을 [11]분석하는데 사용할 수 있습니다.다양한 상태 구성 기능을 제공하는 고정된 크기의 연결된 모듈 그룹에서 작동할 수 있습니다.전체 앙상블이 아닌 고정 크기 모듈을 다루는 프로그램을 통해 프로그래머는 클레이트로닉 매트릭스를 보다 빈번하고 효율적으로 조작할 수 있습니다.또한 LDP는 분산 패턴을 대조하는 수단을 제공합니다.이것은 프로그래머가 부울 논리로 더 큰 변수 집합을 다룰 수 있게 하며,[2] 이를 통해 프로그램은 모듈 그룹 간의 더 큰 활동 패턴과 동작 패턴을 검색할 수 있게 합니다.

분산된 감시 포인트

수천에서 수백만 개의 개별 캐텀에 대한 성능 오류는 감지 및 디버깅이 어렵기 때문에 Claytronics 매트릭스 작업을 수행하려면 오류를 식별하고 디버깅하기 위한 동적 자기 주도 프로세스가 필요합니다.Claytronics 연구진은 기존의 디버깅 [13]기법이 놓친 오류를 감지하고 수정하기 위한 알고리즘 수준의 접근 방식인 Distributed Watchpoints를 개발했습니다.분산 [14]상태의 유효성을 판단하기 위해 감시를 수신하는 노드를 확립합니다.이 접근방식은 분산 상태를 평가하기 위한 단순하고 설명적인 규칙 세트를 제공하며 오류 검출에 효과적입니다.

알고리즘

클레이트로닉스 알고리즘의 두 가지 중요한 클래스는 형상 조각 알고리즘과 위치 결정 알고리즘입니다.클레이트로닉스 연구의 궁극적인 목표는 3차원 포즈로 역동적인 움직임을 만드는 것이다.캐텀 모션, 집단 작동 및 계층적 모션 계획에 대한 모든 연구는 캐텀을 필요한 구조로 변환하기 위한 형상 조각 알고리즘을 필요로 하며, 이는 동적 앙상블에 구조적 강도와 유동적 움직임을 제공할 것이다.한편, 현지화 알고리즘에 의해, [15]앙상블내의 위치를 현지화할 수 있습니다.현지화 알고리즘은 노이즈가 많은 관찰을 바탕으로 매트릭스 전체에 대한 정확한 관계 지식을 완전히 분산된 방식으로 제공해야 합니다.

장래의 응용 프로그램

컴퓨팅 기능이 계속 발전하고 로봇 모듈이 축소됨에 따라 Claytronics는 많은 애플리케이션에서 유용하게 사용될 것입니다.Claytronics의 주요 적용 분야는 새로운 통신 방식입니다.클레이트로닉스는 파리오라고 불리는 장거리 통신에 보다 사실적인 감각을 제공할 것이다.오디오와 비디오가 청각과 시각적인 자극을 제공하는 것과 유사하게, 파리오(pario)는 청각, 시각 및 물리적 감각을 제공합니다.사용자는 사실적으로 통신하는 것을 듣고 보고 만질 수 있습니다.Pario는 엔지니어링 디자인, 교육 및 의료에서 비디오 [16]게임과 같은 엔터테인먼트 및 여가 활동에 이르기까지 많은 전문 분야에서 효과적으로 사용될 수 있습니다.

Claytronics가 실현되기 위해 필요한 나노테크놀로지와 컴퓨팅의 진보는 실현 가능하지만 극복해야 할 과제는 만만치 않으며 큰 혁신이 필요합니다.2008년 12월의 인터뷰에서, 인텔·랩스·피츠버그의 수석 연구원인 제이슨·캠벨은 다음과 같이 말했습니다.「시간이 얼마나 걸릴지에 대한 예측은, 50년에서 불과 몇 년으로 단축되었습니다.그것은 내가 이 프로젝트를 해온 4년 동안 바뀌었습니다."[17][circular reference]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크