프로그램 가능 물질

Programmable matter

프로그래머블 물질은 사용자의 입력 또는 자율 감지에 따라 물리 특성(형상, 밀도, 모듈리, 전도율, 광학 특성 등)을 프로그래머블 방식으로 변경할 수 있는 능력을 가진 물질입니다.따라서 프로그래머블 물질은 본질적으로 정보처리를 수행할 수 있는 능력을 가진 소재의 개념과 연계된다.

역사

프로그래머블 문제는 용어는 원래 1991년 Toffoli과 Margolus에 의해 정밀한 연산 요소 공간에 둔 앙상블을 언급할 때 생겨난 용어입니다.[1]그들의 논문, 결이 고운 컴퓨팅 노드만 가까운 이웃 상호 작용을 사용하여 의사 소통을 하는 우주 곳 곳에 분산으로 구성되어 있는 컴퓨팅 기질에 대해 설명합니다.이런 맥락에서, 가능한 물질을 가리킨다 모델 세포와 격자 가스 오토 머터와 비슷한 계산하기 위해.[2]이 모델의 CAM-8 건축은 설명한 하드웨어요.[3]이 함수는 또한 자기 복제 기계 과학의 일부 형태로"디지털 영역 참조하는"(데이터 자원 관리자)로 알려져 있다.[4]

1990년대 초반, 일이 재구성될 수 모듈형 로봇 공학에서 상당한 양을 철학도 가능한 물질이었을.[4]

로서 반도체 기술, 나노 기술, 그리고 자기 복제 기계 기술이 진보하는 반면, 가능한 물질의 사용은 실제로 그들의 물리적 특성이 변할 뿐만 아니라 모의 실험에서"프로그램" 될 수 있는 요소의 앙상블 구축할 수 있도록 바뀌고 있다.따라서, 가능한 물질"은 중합체의 물리적 속성을 변경하도록 프로그램될 수 있는 대부분 물질을 의미하기에 이르렀다."

1998년 여름, 인공 원자와 프로그램 가능한 물질에 대한 토론에서 윌 맥카시와 G.스나이더는 이 가설적이지만 그럴듯한 형태의 프로그래밍 가능한 물질을 설명하기 위해 "양자 웰스톤"(또는 단순히 "웰스톤")이라는 용어를 만들었다.McCarthy는 그의 소설에서 그 용어를 사용해 왔다.

2002년 세스 골드스타인과 토드 모리는 프로그램 가능한 물질을 실현하는 데 필요한 기본 하드웨어 및 소프트웨어 메커니즘을 조사하기 위해 카네기 멜론 대학에서 클레이트로닉스 프로젝트를 시작했습니다.

2004년, DARPA 정보 과학 기술 그룹(ISAT)은 프로그램 가능한 물질의 가능성을 조사했습니다.그 결과, 2005-2006년의 연구 "Realizing Programmable Matter"는 프로그래머블 물질의 연구 및 개발을 위한 다년간의 프로그램을 마련했다.

2007년에 프로그램 가능한 물질은 DARPA의 연구 요청과 후속 프로그램의 [5][6]주제가 되었다.

2016년부터 2022년까지 ANR은 FEMTO-ST Institute에서 Julien Burgea와 Benoit Piranda에 의해 조정된 여러 연구 프로그램에 자금을 지원했습니다.FEMTO-ST Institute는 Intel과 Carnegie Mellon [7]University가 시작한 Claytronics 프로젝트를 주도하고 있습니다.


접근

프로그래밍 가능한 요소가 재료 자체의 외부에 있는 '단순한' 프로그래밍 가능 물질입니다.자화된 비뉴턴 유체로 충격 및 갑작스러운 압력에 강한 지지 기둥을 형성합니다.

한 학파에서는 프로그래밍이 재료의 외부에 있을 수 있으며 "빛, 전압, 전기장 또는 자기장 등의 적용"을 통해 이루어질 수 있습니다(McCarthy 2006).예를 들어, 액정 디스플레이는 프로그램 가능한 물질의 한 형태입니다.두 번째 학설은 앙상블의 개별 단위가 계산될 수 있고 그 계산의 결과는 앙상블의 물리적 성질의 변화이다.이 보다 야심찬 형태의 프로그램 가능 물질의 한 예가 클레이트로닉스입니다.

프로그램 가능한 물질의 많은 구현이 제안되고 있다.스케일은 다양한 형태의 프로그래밍 가능한 물질을 구별하는 한 가지 주요 요소입니다.스펙트럼 재구성 가능한 모듈형 로봇 공학은 개별 단위가 센티미터 크기 [4][8][9]범위에 있는 프로그래밍 가능한 물질의 형태를 추구한다.스펙트럼의 나노스케일 끝에는 모양 변화[10] 분자에서 양자 점까지 프로그래밍 가능한 물질에 대한 엄청난 수의 다른 베이스가 있습니다.양자점은 사실 종종 인공 원자로 언급된다.마이크로미터에서 밀리미터 이하의 범위에는, MEMS 베이스의 유닛, 합성 생물학을 사용해 작성된 셀, 및 유틸리티 포그의 개념등이 있습니다.

프로그래밍 가능한 물질의 중요한 하위 그룹은 로봇 재료이며, 이는 복합체의 구조적 측면을 입자 운동에 의한 이전의 재구성 동안 센서, 액추에이터, 계산 및 [11]통신의 긴밀한 통합에 의해 제공되는 어포던스와 결합한다.

예

프로그램 가능한 물질에 대한 많은 개념이 있으며, 따라서 그 이름을 사용하는 많은 개별적인 연구 방법이 있다.다음은 프로그램 가능한 물질의 몇 가지 구체적인 예입니다.

'심플'

여기에는 일부 입력에 따라 특성을 변경할 수 있지만, 자체적으로 복잡한 계산을 수행할 수는 없는 재료도 포함됩니다.

복합 유체

주요 기사:복합 유체

여러 복잡한 유체의 물리적 특성은 액정의 경우와 마찬가지로 전류 또는 전압을 인가하여 변경할 수 있습니다.

메타물질

주요 기사:메타물질

메타물질은 자연에서 일어나지 않는 방식으로 반응하도록 제어될 수 있는 인공 합성물이다.David Smith와 John Pendry, David Schuri가 개발한 한 가지 예는 재료의 다른 지점에서 다른 굴절률을 가질 수 있도록 굴절률을 조정할 수 있는 재료입니다.올바르게 튜닝하면 투명 망토가 될 수 있습니다.

Bergamini 등에 [12]의해 프로그래밍 가능한 기계적 메타물질의 추가 예가 제시된다.여기서 알루미늄 스터브와 알루미늄판을 연결하는 압전소자의 가변강성을 이용하여 Wu [13]등의 작업과 같이 음소결정을 생성함으로써 음소밴드갭 내의 패스밴드를 도입한다.압전 소자는 합성 인덕터 위에 분쇄됩니다.압전 및 인덕터에 의해 형성되는 LC회로의 공진주파수 주위에 압전소자가 거의 제로에 가까운 강성을 나타냄으로써 실질적으로 스터브를 판에서 분리할 수 있다.이것은 프로그램 가능한 기계적 메타물질의 [12]예로 간주된다.

2021년 Chen 등은 하드 디스크 드라이브 [14]내의 비트와 유사한 이진수를 저장할 수 있는 단위 셀을 가진 기계적 메타물질을 시연했다.마찬가지로, 이러한 기계 단위 셀은 맥스웰 구성의 두 전자 코일 및 내장된 자기 지질학적 엘라스토머 사이의 상호작용을 통해 프로그래밍됩니다.다른 이진 상태는 재료의 다른 응력-변형 응답과 관련된다.

형체변화 분자

연구의 활성 영역은 외부 자극에 반응하여 다른 특성뿐만 아니라 모양도 바꿀 수 있는 분자 안에 있습니다.이 분자들은 개별적으로 또는 집단으로 새로운 종류의 물질을 형성하기 위해 사용될 수 있다.예를 들어, UCLA의 J Fraser Stoddart의 그룹은 그들의 전기적 [10]특성을 바꿀 수 있는 분자를 개발하고 있다.

전자 영구 자석

주요 기사:전자 영구 자석

영구 자석은 전자석과 이중 재료 영구 자석으로 구성된 자석의 일종으로, 전자석에 의해 생성된 자기장이 영구 자석의 자화를 변화시키기 위해 사용됩니다.영구 자석은 자기적으로 단단하고 부드러운 물질로 구성되어 있으며, 이 물질 중 오직 부드러운 물질만이 자성을 바꿀 수 있습니다.자기적으로 부드러운 재료와 단단한 재료가 서로 반대되는 자성을 가질 경우 자석에는 순장이 없으며, 자석이 정렬되면 자석에는 자기 [15]거동이 표시됩니다.

이를 통해 지속적으로 전기 에너지를 공급하지 않고도 자기 효과를 유지할 수 있는 제어 가능한 영구 자석을 만들 수 있습니다.이러한 이유로, 전자 영구 자석은 자체 구축 구조를 [15][16]발생시킬 수 있는 프로그램 가능한 자석을 만드는 것을 목표로 하는 연구의 필수적인 구성요소입니다.

로봇 기반 접근법

모듈러 로봇 자동 재구성

주요 기사:자동 재구성 모듈러 로봇

모듈러형 로봇 공학은 기본 로봇 모듈 그룹이 함께 작동하여 동적으로 형상을 형성하고 프로그래밍 가능한 물질과 유사한 많은 작업에 적합한 동작을 만드는 로봇 공학 분야입니다.SRCMR은 많은 새로운 가능성을 도입함으로써 많은 종류의 객체 또는 시스템을 대폭 개선하는 것을 목표로 하고 있습니다.예를 들어 1 입니다.가장 중요한 것은 모듈을 제어하는 소프트웨어를 변경함으로써 솔루션의 물리적 구조와 동작을 변경할 수 있는 뛰어난 유연성입니다.2 .고장난 모듈을 자동으로 교체하여 자가 수리할 수 있기 때문에 SRCMR 솔루션은 놀라울 정도로 복원력이 뛰어납니다. 3. 동일한 모듈을 여러 솔루션에서 재사용하여 환경 풋프린트를 줄입니다.자체 재구성 모듈형 로봇 공학은 활기차고 활발한 연구 [17]커뮤니티를 누리고 있습니다.

클레이트로닉스

주요 기사:클레이트로닉스

Claytronics는 훨씬 더 큰 규모의 기계 또는 메커니즘을 형성하도록 설계된 재구성 가능한 나노 스케일 로봇('클레이트로닉 원자' 또는 케이텀)에 관한 새로운 공학 분야입니다.캐텀은 이동, 다른 컴퓨터와의 통신, 색상 변경, 그리고 다른 캐텀에 전기적으로 연결하여 다양한 모양을 만들 수 있는 초소형 컴퓨터가 될 것이다.

셀룰러 오토마타

주요 기사:셀룰러 오토마타

셀룰러 오토마타는 상호작용하는 이산 단위의 개념을 추상화하여 원하는 전체적인 동작을 제공하는 데 유용한 개념입니다.

양자 우물

주요 기사:양자 우물

양자 유정은 하나 이상의 전자를 수용할 수 있다.이들 전자는 실제 원자처럼 공유 결합을 형성할 수 있는 인공 원자처럼 행동하지만 이들은 매우 약하다.크기가 크기 때문에 다른 특성도 크게 다릅니다.

합성생물학

주요 기사:합성생물학
리보솜은 단백질을 합성하기 위해 나노스케일의 단백질 역학을 이용하는 생물학적 기계이다.

합성생물학은 "신장 생물학적 기능"[citation needed]을 가진 세포를 만드는 것을 목표로 하는 분야이다.이러한 세포는 대개 유전자 전환 스위치와 같은 합성 유전자 네트워크를 사용하여 색, 모양 등을 변화시키는 "프로그래밍"할 수 있는 더 큰 시스템(예: 바이오 필름)을 만드는 데 사용된다.재료 생산에 대한 이러한 생체 영감을 받은 접근법은 기판 접착, 나노 입자 템플릿 제작 및 단백질 [18]고정화와 같은 특정 기능을 위해 프로그래밍할 수 있는 자가 조립 박테리아 바이오 필름 재료를 사용하여 입증되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Toffoli, Tommaso; Margolus, Norman (1991). "Programmable matter: concepts and realization". Physica D. 47 (1–2): 263–272. Bibcode:1991PhyD...47..263T. doi:10.1016/0167-2789(91)90296-L.
  2. ^ Rothman, D.H.; Zaleski, S. (2004) [1997]. Lattice Gas Cellular Automata. Cambridge University Press. ISBN 9780521607605.
  3. ^ "CAM8: a Parallel, Uniform, Scalable Architecture for Cellular Automata Experimentation". Ai.mit.edu. Retrieved 2013-04-10.
  4. ^ a b c http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050[데드링크]
  5. ^ "DARPA research solicitation". Archived from the original on July 15, 2009.
  6. ^ DARPA Strategic Thrushs: 2010년 12월 12일 웨이백 머신에 어카이브된 프로그램 가능 물질
  7. ^ "Hardware and software for creating programmable matter – ProgrammableMatter". anr.fr.
  8. ^ 조사.
  9. ^ "Archived copy". www.robotics.upenn.edu. Archived from the original on 16 November 2005. Retrieved 17 January 2022.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  10. ^ a b "UCLA Chemistry and Biochemistry". Stoddart.chem.ucla.edu. Archived from the original on 2004-10-12. Retrieved 2013-04-10.
  11. ^ M. A. McEvoy와 N. Correll.감지, 작동, 계산 및 통신을 결합하는 재료.사이언스 347(6228), 2015.
  12. ^ a b Bergamini, Andrea; Delpero, Tommaso; De Simoni, Luca; Di Lillo, Luigi; Ruzzene, Massimo; Ermanni, Paolo (2014). "Phononic Crystal with Adaptive Connectivity". Advanced Materials. 2 (9): 1343–1347. doi:10.1002/adma.201305280. ISSN 0935-9648.
  13. ^ 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. 93 (11): 111902. doi:10.1063/1.2970992. ISSN 0003-6951.
  14. ^ Chen, Tian; Pauly, Mark; Reis M., Pedro (2021). "A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory". Nature. 589 (7842): 386–390. doi:10.1038/s41586-020-03123-5. ISSN 1476-4687.
  15. ^ a b Deyle, Travis (2010). "Electropermanent Magnets: Programmable Magnets with Zero Static Power Consumption Enable Smallest Modular Robots Yet". HiZook. Retrieved 2012-04-06.
  16. ^ Hardesty, Larry (2012). "Self-sculpting sand". MIT. Retrieved 2012-04-06.
  17. ^ (Yim et al. 2007, 페이지 43–52) 최근 작업과 과제 개요
  18. ^ Nguyen, Peter (Sep 17, 2014). "Programmable biofilm-based materials from engineered curli nanofibres". Nature Communications. 5: 4945. Bibcode:2014NatCo...5.4945N. doi:10.1038/ncomms5945. PMID 25229329.

읽고 추가

외부 링크