Programmerbar materia är materia som kan förändra sina fysiska egenskaper (form, densitet, struktur, optiska egenskaper etc.) på ett programmerbart sätt, genom användardefinierade eller autonoma uppfattningar. Programmerbar materia är alltså relaterad till begreppet material som har en inneboende förmåga att utföra informationsbehandling . Består av molekylära datorer .
Termen "programmerbar materia" myntades ursprungligen 1991 av Toffoli .och Margolusför att beteckna en ensemble av finkorniga datorkomponenter placerade i rymden. [1] Deras artikel beskriver ett beräkningsunderlag som består av rumsligt fördelade, finkorniga beräkningsnoder som kommunicerar genom att endast interagera med sina närmaste grannar. I denna mening hänvisar programmerbar materia till beräkningsmodeller som liknar cellulära automater och gittergasautomater. [2] CAM-8-arkitekturen är ett exempel på en hårdvaruimplementering av denna modell. [3] Denna funktion är också känd som "digitala referensfält" i vissa delar av vetenskapen om självreplikerande maskiner. [fyra]
I början av 1990-talet dök det upp en betydande mängd arbete inom området omkonfigurerbar modulär robotik med en filosofi som liknar programmerbar materia.
När nanoteknik och teknologier för halvledarmaterial och självreplikerande maskiner nådde en viss nivå förändrades användningen av termen "programmerbar materia", eftersom helt nya möjligheter öppnade sig. Det blev tillgängligt att bygga sådana uppsättningar av element som kan "programmeras" så att deras fysiska egenskaper förändras i verkligheten, och inte bara på modellen. Således, under den programmerbara materien började förstå "alla uppsättningar av ämnen som kan programmeras för att ändra sina fysiska egenskaper."
Sommaren 1998, i en diskussion om artificiella atomer och programmerbar materia, myntade Wil McCarthy och G. Schneider termen quantum wellstone från engelska. — "kvantbrunnssten" (eller helt enkelt "brunnsten") för att beskriva dess hypotetiska men rimliga form av programmerbar materia. McCarthy använde termen i sina romaner.
2002 startade Seth Goldstein och Todd Mowry Carnegie Mellon University Claytronics- projektet för att undersöka de underliggande hård- och mjukvarumekanismerna som behövs för att implementera programmerbar materia.
2004 undersökte DARPAs informationsvetenskaps- och teknikgrupp potentialen för att skapa programmerbar materia. Resultaten av den forskning som genomfördes 2005-2006 publicerades i rapporten "Realization of programmeable matter", som lade grunden för en flerårig forskningsplan för programmerbar materia.
2007 var programmerbar materia föremål för en DARPA- upphandling för forsknings- och utvecklingsplaner. [5] [6]
Enligt en av idéerna med kreativt tänkande anses programmering vara extern i förhållande till materia, så materia kan målmedvetet ändra egenskaper när den utsätts för ljus, elektriska eller magnetiska fält, etc. [7] Till exempel, inom denna skola, är en flytande kristallskärm. en av formerna av programmerbar materia. Förespråkare av den andra skolan tror att om enskilda delar av en viss population kan utföra beräkningar, är det som ett resultat av dessa beräkningar möjligt att ändra de fysiska egenskaperna för hela befolkningen. Ett exempel på denna mer ambitiösa riktning i utvecklingen av programmerbar materia är claytronics , där resultatet av beräkningar av elementen i ett aggregat är en förändring i dess form .
Nu har många konkretiseringar av programmerbar materia föreslagits, som villkorligt kan lokaliseras på en viss skala som har dimensionen längd. I ena änden av spektrumet kommer det att finnas omkonfigurerbar modulär robotik, där de enskilda delarna av strukturerna är inom en centimeters avstånd från varandra. [8] [9] I den nanoskaliga änden av spektrumet finns det ett stort antal olika konkretiseringar av programmerbar materia, allt från metoder för att förändra molekyler till kvantprickar . [10] Kvantprickar kallas faktiskt ofta konstgjorda atomer. I intervallet från mikron till submillimeter på vår skala finns claytronics, mikroelektromekaniska system , celler skapade med hjälp av syntetisk biologi och konceptet med nyttodimma .
Eftersom många koncept för programmerbar materia har utvecklats har många områden av vetenskaplig forskning uppstått, med samma namn för sin riktning. Nedan finns några specifika exempel på programmerbar materia.
Det inkluderar material som kan ändra sina egenskaper baserat på vissa insignaler, men i sig gör de inga komplicerade beräkningar.
Komplexa vätskorDe fysikaliska egenskaperna hos vissa komplexa vätskor kan modifieras genom att applicera ström eller spänning, vilket är fallet med flytande kristaller .
Metamaterial - kristallerMetamaterial är konstgjorda kompositer som har en sådan kontrollerad kemisk interaktion som inte förekommer i naturen. Ett exempel är materialet utvecklat av David Smith och senare av John Pendry och David Shuri, som har sitt brytningsindex justerat så att det kan ha olika värden på olika punkter i materialet. Om inställningen görs på lämpligt sätt, kan en "osynlighetsmantel" göras av ett sådant ämne.
Formskiftande molekylerEtt aktivt forskningsområde är molekyler som kan ändra sin form, såväl som andra egenskaper, som svar på yttre stimuli. Dessa molekyler kan användas ensamma eller i massa för att bilda nya typer av material. Till exempel utvecklar Fraser Stoddarts grupp vid University of California molekyler som kan förändra deras elektriska egenskaper. [elva]
Self-configuring modular robotics (SMR) är ett område inom robotik vars mål är att skapa grupper av robotmoduler som samverkar, vilka dynamiskt måste ändra form och skapa en typ av beteende som lämpar sig för att utföra uppgifter. Liksom andra typer av programmerbar materia, försöker CPM erbjuda någon form av förbättring av objekt eller system av vilken karaktär som helst genom att introducera nya funktioner, till exempel:
Självkonfigurerande modulär robotik åtnjuter ett starkt och aktivt stöd från forskarvärlden. Mer information och länkar finns på hemsidan: [12]
ClaytronicsClaytronics är en ny gren av tekniska vetenskaper förknippad med omkonfigurerbara nanoskalarobotar ( claytronatomer eller k-atomer) designade för att skapa större maskiner och mekanismer. K-atomer är submillimeterstora datorer och ska så småningom kunna flytta runt, kommunicera med andra datorer, byta färg och elektrostatiskt ansluta med andra k-atomer för att bilda olika förutbestämda former.
Cellulära automaterCellulära automater är ett användbart abstrakt begrepp som låter dig generalisera några av begreppen för diskreta interagerande objekt och ge dem det önskade allmänna beteendet.
En kvantbrunn kan hålla en eller flera elektroner. Dessa elektroner, tillsammans med kvantbrunnen, beter sig som konstgjorda atomer, som, liksom verkliga atomer, kan bilda kovalenta bindningar , även om de är extremt svaga. Andra egenskaper hos kvantbrunnar varierar också över ett brett intervall, på grund av deras stora storlek jämfört med verkliga atomer.
Syntetisk biologi är ett forskningsfält som syftar till att skapa celler med "nya biologiska funktioner". Sådana celler används vanligtvis för att skapa stora system (som biofilmer) som kan "programmeras" för att använda syntetiska gennätverk (som genetiska bistabila switchar) så att de kan ändra sin färg, form osv.
Inom science fiction är programmerbar materia än så länge främst föremål för en framtidsvision. Idéerna bakom det utforskas i många science fiction -verk . Till exempel (denna lista är långt ifrån komplett):