Claytronics er et abstrakt fremtidsbegreb, der består i at kombinere robotter i nanoskala og datalogi for at skabe individuelle computere i atomstørrelse kaldet Claytron-atomer eller k-atomer. De kan komme i kontakt med hinanden og skabe håndgribelige 3D-objekter, som brugeren kan interagere med. Denne idé er inkluderet i den mere generelle idé om at skabe en programmerbar sag [1] . Talrige undersøgelser og eksperimenter med claytronics udføres af en gruppe videnskabsmænd ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh , Pennsylvania , som består af professorerne Todd Mowry, Seth Goldstein [2] , kandidatstuderende og studerende, samt en forskningsgruppe fra Intel laboratorium i Pittsburgh [3] , af Sheffield Robotics [4] [2] . Claytronics har potentialet til at have en betydelig indflydelse på mange områder af det daglige liv, såsom telekommunikation , menneske-computer-grænsefladen og underholdningsindustrien .
Nuværende forskning er fokuseret på skabelsen af modulære rekonfigurerbare robotter og udvikling af softwaresystemer, der er nødvendige for at styre "form"-robotter. Lokalt distribuerede prædikater (LRP) er et distribueret programmeringssprog på højt niveau til design af modulære rekonfigurerbare robotter (MRR) systemer. Der er mange problemer forbundet med programmering og styring af et stort antal diskrete modulsystemer på grund af de mange frihedsgrader , som hvert modul svarer til. For eksempel kan omkonfigurering af en struktur til en anden kræve en lang rejsebane drevet af en kompleks kæde af kommandoer, selvom de to strukturer kun adskiller sig lidt [5] .
I 2005 lykkedes det forskernes bestræbelser på at udvikle et hardwarekoncept i størrelsesskalaens millimeterområde. Cylindriske prototyper, der måler 44 mm i diameter, blev skabt, som interagerer med hinanden gennem et elektromagnetisk felt . Disse eksperimenter hjalp forskere med at etablere en sammenhæng mellem masse og potentiel bindingsstyrke mellem objekter, som kan formuleres som følger: "10-fold reduktion i størrelse fører til en 100-fold forøgelse af kraft i forhold til masse" [1] . De seneste resultater i udviklingen af sådanne prototyper er cylindriske robotter med en diameter på omkring en millimeter, lavet ved hjælp af tyndfilmsteknologi ved hjælp af fotolitografi . De interagerer med hinanden ved hjælp af kompleks software, der styrer den elektromagnetiske tiltrækning og frastødning mellem modulerne [6] .
Det aktiverende incitament til softwareudvikling er tilgængeligheden af enheder, der ændrer sig selv i en given retning. Claytronics er per definition en samling af individuelle komponenter kaldet Claytron-atomer eller k-atomer. For at være levedygtige skal k-atomer opfylde en række kriterier. For det første skal k-atomer kunne bevæge sig i tredimensionelt rum i forhold til hinanden og være i stand til at forbinde sig med hinanden og danne tredimensionelle strukturer. For det andet skal k-atomer kunne kommunikere med hinanden og kunne bearbejde information om strukturens opbygning, eventuelt ved hjælp af hinanden. Grundlæggende består k-atomer af processorer , netværkskommunikationsenheder , en enkelt pixel skærm, flere sensorer , et indbygget batteri og midler til at forbinde til hinanden [1] .
Forskere ved Carnegie Mellon University har udviklet forskellige prototyper af k-atomer. De spænder fra små terninger til kæmpe balloner fyldt med helium [7] . Den prototype, som udviklerne håber mest på som et fremtidigt k-atom, er et fladt k-atom. Den har form som en cylinder med en diameter på 44 mm, som er udstyret med 24 elektromagneter placeret rundt om dens omkreds. Bevægelsen af k-atomer udføres i fællesskab ved at tænde og slukke for elektromagneter for at rulle på hinandens overflade. På hvert tidspunkt forsynes kun én elektromagnet af hvert k-atom med energi. Disse prototyper er i stand til at omkonfigurere sig selv ret hurtigt. Afbrydelse af to blokke, flytning til et andet kontaktpunkt og en ny forbindelse tager ca. 100 ms . Strøm tilføres k-atomerne gennem specielle ben i bunden af cylinderen. De ledende bånd på bordet leverer den nødvendige strøm [8] .
Nuværende design af k-atomer tillader kun bevægelse i to dimensioner i forhold til hinanden, men fremtidige k-atomer bliver nødt til at bevæge sig i tre dimensioner. Forskernes mål er at udvikle millimeterstore k-atomer uden bevægelige dele for at sikre høj fremstillingsevne. Millioner af sådanne mikrorobotter vil være i stand til at udsende lys af varierende intensitet og forskellige farver, hvilket gør det muligt at bruge dem til dynamisk fysisk gengivelse (fremstilling af malerier). For at implementere sådanne strukturer blev det lokale udviklingsmål overført til skabelsen af ret simple k-atomer, der kun fungerer som en del af et ensemble og sammen med ensemblet som helhed er i stand til at udføre mere komplekse funktioner [9] .
Efterhånden som k-atomer krymper i størrelse, vil det indbyggede batteri, der kræves for at køre det, snart overgå størrelsen af k-atomet selv, så alternative løsninger vil være nødvendige for at løse energiproblemer. I øjeblikket forskes der i ernæringen af alle k-atomer i ensemblet, i brugen af et k-atoms kontakt med et k-atom som et middel til at transportere energi. I en af mulighederne undersøges muligheden for at bruge en speciel tabel med positive og negative elektroder og overføre energi til k-atomer ved hjælp af "virtuelle ledninger".
En anden vigtig opgave er at udvikle universelle enkeltkonnektorer til k-atomer, så rekonfigurationstiden holdes på et minimum. Nanofibre vil give en mulig løsning på dette problem [10] . Nanofibre tillader høj kohæsion i små størrelser og giver lavt strømforbrug, når k-atomerne er i hvile.
Organiseringen af alle forbindelser og interaktioner mellem millioner af k-atomer på en submillimeterskala kræver udvikling af nye algoritmer og programmeringssprog. Forskere og ingeniører ved Carnegie Mellon-Intel Claytronics Lab har påbegyndt en lang række softwareudviklingsprojekter for at lette udviklingen af interaktioner mellem k-atomer. De vigtigste projekter omfatter udviklingen af nye programmeringssprog, der tillader mere effektiv brug af Claytronics muligheder. Formålet med Claytron Matrix er at danne 3D-objekter dynamisk. Men det enorme antal k-atomer i dette distribuerede system øger kompleksiteten af mikrostyring af hvert k-atom. Hvert k-atom skal modtage nøjagtig information om dets placering og udføre kommandoer for at interagere med dets naboer. I dette miljø skal programmeringssproget til matrixoperationer indeholde kortfattede udsagn for kommandoer på højt niveau, så de hurtigt kan forplante sig gennem netværket. Matrix - programmeringssproget kræver en mere kortfattet syntaks og instruktionsstil end konventionelle programmeringssprog som C++ eller Java [11] .
Carnegie Mellon-Intel Claytronics Lab har skabt to nye programmeringssprog: Meld og Locally Distributed Predicates (LRP).
Meld er et deklarativt sprog , et logisk programmeringssprog, der oprindeligt var beregnet til programmering af overlejringsnetværk [12] . Med logisk programmering kan koden for et ensemble af robotter fortolkes fra et globalt perspektiv, hvilket gør det muligt for programmøren at fokusere på den overordnede ydeevne af Claytron Matrixen i stedet for at skrive individuelle instruktioner for hver af de flere tusinde eller millioner k-atomer i ensemble. [13] Dette forenkler i høj grad tankeprocessen ved programmering af Claytron Matrix's bevægelse.
LDP er et reaktivt programmeringssprog . Det blev brugt til fejlfinding i tidligere forskning. Ud over et sprog, der gør det muligt for programmøren at beskrive operationer ved design af en formmatrix, kan LDP bruges til at analysere distribuerede lokale forhold [14] . Det kan arbejde med en tilknyttet gruppe af moduler med fast størrelse, hvilket giver forskellige konfigurationstilstandsstyringsfunktioner. Programmer, der er målrettet mod moduler i fast størrelse frem for hele befolkningen, giver programmører mulighed for at arbejde med Claytron-matricer oftere og mere effektivt. LDP giver også midler til at koordinere samspillet mellem distribuerede strukturer. Dette gør det muligt for programmøren at manipulere et bredere sæt af booleske logiske variabler , som tillader programmet at søge efter større objekter til aktiv interaktion og opbygge en adfærdsstrategi blandt grupper af moduler [5] .
Manifestationen af fejl blandt tusinder og millioner af individuelle k-atomer er vanskelig at opdage og korrigere, derfor kræver claytron matrix operationer en dynamisk og uafhængig fejldetektion og debugging procedure . Claytronics-forskere har udviklet distribuerede brudpunkter, en algoritme på tilgangsniveau til at detektere og rette fejl, der er gået glip af traditionelle debugging-metoder [15] . Denne algoritme bestemmer de noder, der overvåges for at bestemme sandheden af de distribuerede tilstande. [16] Denne tilgang giver et enkelt og beskrivende sæt regler til estimering af distribuerede tilstande og er effektiv til fejldetektion.
To vigtige klasser af claytronics- algoritmer er formskabelse og lokaliseringsalgoritmer. Det ultimative mål med Claytronics forskning er at skabe bevægelse i tre dimensioner. Alle undersøgelser af k-atom-forskydning, kollektiv aktivering og hierarkisk bevægelseskontrol er baseret på en formskabelsesalgoritme for at bringe k-atomer ind i den nødvendige struktur, hvilket vil give styrke og en glidende overgang til et dynamisk ensemble. Lokaliseringsalgoritmer giver k-atomer mulighed for at finde deres positioner i ensemblet [17] . Derudover skal lokaliseringsalgoritmer give nøjagtig relativ viden om k-atomer af hele matrixen som helhed, baseret på observation af et fuldstændigt distribueret system i nærvær af støj.
Efterhånden som mulighederne for at udvikle robotmoduler er udtømt, vil claytronics blive nyttig i mange applikationer. Fremtidige anvendelser af claytronics vedrører nye kommunikationsmetoder. Claytronics kan tilbyde en realistisk følelse af forbundethed over lange afstande, kaldet en "pario". Ligesom lyd- og videoinformation skaber auditive og visuelle effekter, giver pario auditive, visuelle og fysiske fornemmelser samtidigt. Brugeren vil være i stand til at høre, se og røre ved kommunikationsobjektet på en fuldstændig realistisk måde. Pario kan effektivt bruges i mange professionelle discipliner fra ingeniørdesign, uddannelse og sundhed, underholdning og fritid, for eksempel i videospil [18] .
Det er muligt at realisere de fremskridt inden for nanoteknologi og datalogi, der kræves for Claytronics, men det vil kræve løsning af enorme problemer og introduktion af mange innovationer. I et interview i december 2008 sagde Jason Campbell, leder af forskningsteamet ved Intels Pittsburgh-laboratorium: "Mine vurderinger af, hvor lang tid en undersøgelse ville tage, varierede fra 50 år ned til blot et par år. Og det er i omkring fire år, jeg har arbejdet på projektet” [19] .