مادة قابلة للبرمجة
المادة القابلة للبرمجة هي المادة التي لديها القدرة على تغيير خصائصها الفيزيائية (الشكل، الكثافة، وحدات القياس ، الموصلية، الخصائص البصرية، إلخ) بطريقة قابلة للبرمجة، بناءً على إدخال المستخدم أو الاستشعار المستقل. وبالتالي فإن المادة القابلة للبرمجة مرتبطة بمفهوم المادة التي لديها القدرة بطبيعتها على إجراء معالجة المعلومات.
تاريخ
المادة القابلة للبرمجة هو مصطلح صاغه في الأصل توفولي ومارجولوس عام 1991 للإشارة إلى مجموعة من عناصر الحوسبة الدقيقة المرتبة في الفضاء. [1] تصف ورقتهم ركيزة حوسبة مكونة من عقد حوسبة دقيقة موزعة في جميع أنحاء الفضاء والتي تتواصل باستخدام تفاعلات أقرب جار فقط. في هذا السياق، تشير المادة القابلة للبرمجة إلى نماذج حوسبة مماثلة للأتمتة الخلوية وأتمتة الغاز الشبكية . [2] تعد بنية CAM-8 مثالاً على تحقيق الأجهزة لهذا النموذج. [3] تُعرف هذه الوظيفة أيضًا باسم "المناطق المرجعية الرقمية" (DRA) في بعض أشكال علم الآلة ذاتية التكرار . [4]
في أوائل تسعينيات القرن العشرين، كان هناك قدر كبير من العمل في مجال الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التكوين بفلسفة مماثلة للمادة القابلة للبرمجة. [4]
مع تقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات ، وتكنولوجيا النانو ، وتكنولوجيا الآلات ذاتية التكاثر، تغير استخدام مصطلح المادة القابلة للبرمجة ليعكس حقيقة مفادها أنه من الممكن بناء مجموعة من العناصر التي يمكن "برمجتها" لتغيير خصائصها الفيزيائية في الواقع، وليس فقط في المحاكاة . وبالتالي، أصبح مصطلح المادة القابلة للبرمجة يعني "أي مادة كبيرة يمكن برمجتها لتغيير خصائصها الفيزيائية".
في صيف عام 1998، وفي مناقشة حول الذرات الاصطناعية والمادة القابلة للبرمجة، صاغ ويل مكارثي وج. سنايدر مصطلح "حجر البئر الكمومي" (أو ببساطة "حجر البئر") لوصف هذا الشكل الافتراضي ولكن المعقول للمادة القابلة للبرمجة. وقد استخدم مكارثي هذا المصطلح في رواياته.
في عام 2002، بدأ سيث جولدشتاين وتود مويري مشروع claytronics في جامعة كارنيجي ميلون للتحقيق في الآليات الأساسية للأجهزة والبرامج اللازمة لتحقيق المادة القابلة للبرمجة.
في عام 2004، قامت مجموعة علوم وتكنولوجيا المعلومات التابعة لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بفحص إمكانات المادة القابلة للبرمجة. وقد أسفر هذا عن دراسة أجريت في الفترة 2005-2006 تحت عنوان "تحقيق المادة القابلة للبرمجة"، والتي وضعت برنامجًا متعدد السنوات للبحث والتطوير في مجال المادة القابلة للبرمجة.
في عام 2007، كانت المادة القابلة للبرمجة موضوع طلب بحث من وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة وبرنامج لاحق. [5] [6]
من عام 2016 إلى عام 2022، مولت الوكالة الوطنية للبحوث النووية العديد من برامج البحث التي نسقها جوليان بورجوا وبينوا بيراندا في معهد FEMTO-ST ، والذي يتولى زمام المبادرة في مشروع Claytronics الذي بدأته شركة Intel وجامعة كارنيجي ميلون. [7]
النهج
في إحدى المدارس الفكرية، يمكن أن تكون البرمجة خارجية بالنسبة للمادة وقد تتحقق من خلال "تطبيق الضوء أو الجهد أو المجالات الكهربائية أو المغناطيسية، إلخ" (مكارثي 2006). على سبيل المثال، شاشة الكريستال السائل هي شكل من أشكال المادة القابلة للبرمجة. مدرسة فكرية ثانية هي أن الوحدات الفردية للمجموعة يمكنها الحساب ونتيجة حسابها هي تغيير في الخصائص الفيزيائية للمجموعة. مثال على هذا الشكل الأكثر طموحًا للمادة القابلة للبرمجة هو claytronics.
هناك العديد من التطبيقات المقترحة للمادة القابلة للبرمجة. الحجم هو أحد العوامل الرئيسية التي تميز بين الأشكال المختلفة للمادة القابلة للبرمجة. في أحد طرفي الطيف، تسعى الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التكوين إلى شكل من أشكال المادة القابلة للبرمجة حيث تكون الوحدات الفردية في نطاق حجم السنتيمتر. [4] [8] [9] في الطرف النانوي من الطيف، يوجد عدد هائل من القواعد المختلفة للمادة القابلة للبرمجة، تتراوح من الجزيئات المتغيرة الشكل [10] إلى النقاط الكمومية . غالبًا ما يشار إلى النقاط الكمومية بالذرات الاصطناعية. في نطاق الميكرومتر إلى دون المليمتر، تشمل الأمثلة الوحدات القائمة على MEMS ، والخلايا التي تم إنشاؤها باستخدام علم الأحياء الاصطناعي ، ومفهوم ضباب المرافق .
مجموعة فرعية مهمة من المواد القابلة للبرمجة هي المواد الروبوتية ، والتي تجمع بين الجوانب البنيوية للمركب والإمكانيات التي توفرها التكامل الوثيق بين أجهزة الاستشعار والمحركات والحوسبة والاتصالات، [11] مع التخلي عن إعادة التكوين عن طريق حركة الجسيمات.
أمثلة
هناك العديد من المفاهيم المتعلقة بالمادة القابلة للبرمجة، وبالتالي هناك العديد من السبل المنفصلة للبحث باستخدام هذا الاسم. وفيما يلي بعض الأمثلة المحددة للمادة القابلة للبرمجة.
"ضخ تغير الطور الصلب والسائل"
من الممكن تغيير شكل الأجسام الصلبة وحركتها باستخدام ضخ تغير طور المادة الصلبة إلى السائلة. [12] يسمح هذا النهج بتشويه الأجسام إلى أي شكل مقصود بدقة تصل إلى أقل من المليمتر وتغيير طوبولوجيتها بحرية.
"بسيط"
وتشمل هذه المواد المواد التي يمكنها تغيير خصائصها استنادًا إلى بعض المدخلات، ولكنها لا تمتلك القدرة على إجراء عمليات حسابية معقدة بنفسها.
السوائل المعقدة
يمكن تعديل الخصائص الفيزيائية للعديد من السوائل المعقدة عن طريق تطبيق تيار أو جهد كهربائي عليها، كما هو الحال مع البلورات السائلة .
المواد الخارقة
المواد الخارقة هي مركبات صناعية يمكن التحكم فيها لتتفاعل بطرق لا تحدث في الطبيعة. أحد الأمثلة التي طورها ديفيد سميث ثم جون بيندري وديفيد شوري هو مادة يمكن ضبط مؤشر انكسارها بحيث يكون لها مؤشر انكسار مختلف عند نقاط مختلفة في المادة. إذا تم ضبطها بشكل صحيح، فقد يؤدي هذا إلى عباءة إخفاء .
يقدم بيرجاميني وآخرون مثالاً آخر للمادة الفوقية الميكانيكية القابلة للبرمجة. [13] هنا، يتم تقديم نطاق تمرير داخل فجوة النطاق الفونونية، من خلال استغلال الصلابة المتغيرة للعناصر الكهرضغطية التي تربط أطراف الألمنيوم باللوحة الألومنيوم لإنشاء بلورة فونونية كما في عمل وو وآخرون. [14] يتم تحويل العناصر الكهرضغطية إلى الأرض فوق المحاثات الاصطناعية. حول تردد الرنين لدائرة LC المكونة من الكهرضغطية والمحاثات، تظهر العناصر الكهرضغطية صلابة تقترب من الصفر، وبالتالي فصل الأطراف عن اللوحة بشكل فعال. يعتبر هذا مثالاً للمادة الفوقية الميكانيكية القابلة للبرمجة. [13]
في عام 2021، أظهر تشين وآخرون مادة ميتا ميكانيكية يمكن لكل خلية من خلاياها الوحدوية تخزين رقم ثنائي مشابه للبت داخل محرك الأقراص الصلبة. [15] وبالمثل، يتم برمجة هذه الخلايا الوحدوية الميكانيكية من خلال التفاعل بين ملفين كهرومغناطيسيين في تكوين ماكسويل، وإيلاستومر مغناطيسي ريولوجي مدمج. ترتبط الحالات الثنائية المختلفة باستجابة مختلفة للإجهاد والانفعال للمادة.
الجزيئات المتغيرة الشكل
من المجالات البحثية النشطة الجزيئات القادرة على تغيير شكلها، فضلاً عن خصائص أخرى، استجابةً للمحفزات الخارجية. ويمكن استخدام هذه الجزيئات بشكل فردي أو جماعي لتكوين أنواع جديدة من المواد. على سبيل المثال، كانت مجموعة جيه فريزر ستودارت في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس تعمل على تطوير جزيئات قادرة على تغيير خصائصها الكهربائية. [10]
المغناطيسات الكهربائية الدائمة
المغناطيس الدائم الكهربائي هو نوع من المغناطيس يتكون من مغناطيس كهربائي ومغناطيس دائم ثنائي المادة ، حيث يتم استخدام المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الكهربائي لتغيير مغناطيسية المغناطيس الدائم. يتكون المغناطيس الدائم من مواد صلبة وناعمة مغناطيسيًا، والتي يمكن تغيير مغناطيسيتها فقط للمواد الناعمة. عندما يكون للمواد الصلبة والناعمة مغناطيسيًا مغناطيسية متقابلة، لا يكون للمغناطيس مجال صافٍ، وعندما يتم محاذاتها، يُظهر المغناطيس سلوكًا مغناطيسيًا. [16]
إنها تسمح بإنشاء مغناطيسات دائمة يمكن التحكم فيها حيث يمكن الحفاظ على التأثير المغناطيسي دون الحاجة إلى إمداد مستمر بالطاقة الكهربائية. ولهذه الأسباب، تعد المغناطيسات الكهربائية الدائمة مكونات أساسية للدراسات البحثية التي تهدف إلى بناء مغناطيسات قابلة للبرمجة يمكنها أن تؤدي إلى نشوء هياكل ذاتية البناء. [16] [17]
النهج القائم على الروبوتات
الروبوتات المعيارية ذاتية التكوين
تتضمن الروبوتات المعيارية ذاتية التكوين مجموعة من وحدات الروبوت الأساسية التي تعمل معًا لتشكيل الأشكال بشكل ديناميكي وإنشاء سلوكيات مناسبة للعديد من المهام، على غرار المادة القابلة للبرمجة. تهدف SRCMR إلى تقديم تحسين كبير للعديد من أنواع الكائنات أو الأنظمة من خلال تقديم العديد من الاحتمالات الجديدة. على سبيل المثال: 1. الأهم هو المرونة المذهلة التي تأتي من القدرة على تغيير البنية المادية وسلوك الحل عن طريق تغيير البرنامج الذي يتحكم في الوحدات. 2. القدرة على الإصلاح الذاتي عن طريق استبدال وحدة مكسورة تلقائيًا ستجعل حل SRCMR مرنًا بشكل لا يصدق. 3. تقليل البصمة البيئية عن طريق إعادة استخدام نفس الوحدات في العديد من الحلول المختلفة. تتمتع الروبوتات المعيارية ذاتية التكوين بمجتمع بحثي نابض بالحياة ونشط. [18]
كلايترونيكس
Claytronics هو مجال ناشئ في الهندسة يتعلق بالروبوتات النانوية القابلة لإعادة التشكيل ('' الذرات الطينية '' أو ذرات كاتوم ') المصممة لتشكيل آلات أو آليات أكبر حجمًا بكثير. ستكون الذرات عبارة عن أجهزة كمبيوتر أصغر من المليمتر والتي ستتمتع في النهاية بالقدرة على التحرك والتواصل مع أجهزة كمبيوتر أخرى وتغيير اللون والاتصال بالكهرباء الساكنة بذرات كاتوم أخرى لتشكيل أشكال مختلفة.
الأتمتة الخلوية
تشكل الأتمتة الخلوية مفهومًا مفيدًا لتلخيص بعض مفاهيم الوحدات المنفصلة التي تتفاعل لإعطاء السلوك العام المطلوب.
الآبار الكمومية
يمكن أن تحتوي الآبار الكمومية على إلكترون واحد أو أكثر. تتصرف هذه الإلكترونات مثل الذرات الاصطناعية التي يمكنها، مثل الذرات الحقيقية، تكوين روابط تساهمية ، ولكن هذه الروابط ضعيفة للغاية. وبسبب أحجامها الأكبر، فإن خصائصها الأخرى تختلف أيضًا على نطاق واسع.
علم الأحياء الاصطناعي
علم الأحياء الاصطناعي هو مجال يهدف إلى هندسة الخلايا ذات "وظائف بيولوجية جديدة". [ بحاجة لمصدر ] تُستخدم هذه الخلايا عادةً لإنشاء أنظمة أكبر (على سبيل المثال، الأغشية الحيوية ) والتي يمكن "برمجتها" باستخدام شبكات الجينات الاصطناعية مثل مفاتيح التبديل الجينية ، لتغيير لونها وشكلها وما إلى ذلك. وقد تم إثبات مثل هذه الأساليب المستوحاة من علم الأحياء لإنتاج المواد، باستخدام مواد الأغشية الحيوية البكتيرية ذاتية التجميع والتي يمكن برمجتها لوظائف محددة، مثل التصاق الركيزة، وقوالب الجسيمات النانوية ، وتثبيت البروتين. [19]
انظر أيضا
- كومبيوترونيوم
- تكنولوجيا النانو
- التجميع الذاتي
- مادة ذكية
- الغبار الذكي
- الحوسبة في كل مكان
- آلة تورينج العالمية
- ضباب المرافق
مراجع
- ^ توفولي، توماسو ؛ مارغولوس، نورمان (1991). "المادة القابلة للبرمجة: المفاهيم والتنفيذ". Physica D. 47 ( 1-2): 263-272. Bibcode :1991PhyD...47..263T. doi :10.1016/0167-2789(91)90296-L.
- ^ Rothman, DH; Zaleski, S. (2004) [1997]. Lattice Gas Cellular Automata . Cambridge University Press. ISBN 9780521607605.
- ^ "CAM8: بنية متوازية وموحدة وقابلة للتطوير للتجارب على الأتمتة الخلوية". Ai.mit.edu . تم الاسترجاع في 10 أبريل 2013 .
- ^ abc http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050 [ رابط معطل ]
- ^ "طلب بحث من وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة". مؤرشف من الأصل في 15 يوليو 2009.
- ^ DARPA Strategic Thrusts: Programmable Matter Archived December 12, 2010, at the Wayback Machine
- ^ "الأجهزة والبرامج اللازمة لإنشاء مادة قابلة للبرمجة – ProgrammableMatter". anr.fr .
- ^ البحث
- ^ "Mark Yim - GRASP Lab @ Penn". www.robotics.upenn.edu . مؤرشف من الأصل في 16 نوفمبر 2005 . تم الاسترجاع في 17 يناير 2022 .
- ^ ab "UCLA Chemistry and Biochemistry". Stoddart.chem.ucla.edu. مؤرشف من الأصل في 2004-10-12 . تم الاسترجاع في 2013-04-10 .
- ^ McEvoy, MA; Correll, N. (2015-03-20). "المواد التي تجمع بين الاستشعار والتشغيل والحوسبة والاتصال". مجلة العلوم . 347 (6228). الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS). doi : 10.1126/science.1261689 . ISSN 0036-8075. PMID 25792332. S2CID 206563151.
- ^ كايا، كيريم؛ كرافشينكو، ألكسندر؛ سكاربيليني، كلوديا؛ إيسيري، إمري؛ كراجيك، دانيكا؛ فان دير وينجارت، ووتر (2023). "المادة القابلة للبرمجة مع التحول والحركة الحرة وعالية الدقة". المواد الوظيفية المتقدمة . 34 (14). doi : 10.1002/adfm.202307105 .
- ^ أب بيرجاميني ، أندريا. ديلبيرو، توماسو؛ دي سيموني، لوكا؛ دي ليلو، لويجي؛ روزيني، ماسيمو؛ إرماني، باولو (2014). "البلورة الصوتية ذات الاتصال التكيفي". مواد متقدمة . 2 (9): 1343-1347. بيب كود :2014AdM....26.1343B. دوى :10.1002/adma.201305280. ISSN 0935-9648. بميد 24734298. S2CID 23402889.
- ^ وو، تسونغ تسونغ؛ هوانغ، زي-غوي؛ تساي، تزو-شين؛ وو، تزونغ-شين (2008). "دليل على وجود فجوة نطاقية كاملة ورنينات في صفيحة ذات سطح متقطع دوريًا". رسائل الفيزياء التطبيقية . 93 (11): 111902. رمز Bibcode :2008ApPhL..93k1902W. doi :10.1063/1.2970992. ISSN 0003-6951.
- ^ تشن، تيان؛ باولي، مارك؛ ريس م، بيدرو (2021). "مادة ميتا ميكانيكية قابلة لإعادة البرمجة ذات ذاكرة مستقرة". نيتشر . 589 (7842): 386-390. رمز Bibcode :2021Natur.589..386C. doi :10.1038/s41586-020-03123-5. ISSN 1476-4687. PMID 33473228. S2CID 231665050.
- ^ ab Deyle, Travis (2010). "المغناطيسات الكهربائية الدائمة: المغناطيسات القابلة للبرمجة مع استهلاك طاقة ساكنة صفرية تمكن أصغر الروبوتات المعيارية حتى الآن". HiZook . تم الاسترجاع في 2012-04-06 .
- ^ Hardesty, Larry (2012). "Self-sculpting sand". MIT . تم الاسترجاع في 2012-04-06 .
- ^ (Yim et al. 2007, pp. 43–52) نظرة عامة على الأعمال والتحديات الأخيرة
- ^ نجوين، بيتر (17 سبتمبر 2014). "مواد قابلة للبرمجة تعتمد على الأغشية الحيوية من ألياف نانوية كيرلي مصممة هندسيًا". Nature Communications . 5 : 4945. Bibcode :2014NatCo...5.4945N. doi : 10.1038/ncomms5945 . PMID 25229329.
قراءة إضافية
- جولدشتاين، سيث كوبن؛ كامبل، جيسون؛ مويري، تود سي. (يونيو 2005). "المادة القابلة للبرمجة". IEEE Computer . 38 (6): 99–101. doi :10.1109/MC.2005.198. S2CID 17346523.
- مكارثي، ويل (2006). "الأسئلة الشائعة حول المادة القابلة للبرمجة". مجلة الطبيعة . 407 (6804): 569. doi : 10.1038/35036656 . PMID 11034188. S2CID 5242445.
- مكارثي، ويل (2003). اختراق المادة: الكراسي العائمة، وسراب الكم، والغرابة اللانهائية للذرات القابلة للبرمجة . نيويورك: كتب أساسية. رقم ISBN 978-0-465-04428-3.
- ييم، مارك؛ شين، وي-مين؛ ساليمي، بهنام؛ روس، دانييلا؛ مول، مارك؛ ليبسون، هود؛ كلافينز، إيريك؛ تشيريكجيان، جريجوري (مارس 2007). "أنظمة الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التكوين ذاتيًا". مجلة IEEE للروبوتات والأتمتة . 14 (1): 43. doi :10.1109/MRA.2007.339623. S2CID 11100988.
- ثالامي، بيير؛ بيراندا، بينوا؛ بورجوا، جوليان (ديسمبر 2021). "هندسة إعادة التكوين الذاتي ثلاثية الأبعاد بكفاءة وتوازي هائل باستخدام الحماية والسقالات والطلاء". الروبوتات والأنظمة المستقلة . 146 (18): 103875. doi : 10.1016/j.robot.2021.103875 .
- بيراندا، بينوا؛ بورجوا، جوليان (2021). "داتوم: روبوت معياري قابل للتشوه لبناء مادة قابلة للبرمجة وإعادة التكوين ذاتيًا". الندوة الدولية الخامسة عشرة حول أنظمة الروبوتات المستقلة الموزعة . arXiv : 2005.03402 .
روابط خارجية
- "دفع المادة القابلة للبرمجة من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (الجيش الأمريكي)." مجلة أفسيا الدولية . 26 مايو 2009.
- "اتحاد المادة القابلة للبرمجة". 20 أبريل 2022.
