La materia programable es aquella que tiene la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (forma, densidad, módulos , conductividad, propiedades ópticas, etc.) de manera programable, en función de la información proporcionada por el usuario o de la detección autónoma. Por lo tanto, la materia programable está vinculada al concepto de un material que tiene inherentemente la capacidad de procesar información.
Materia programable es un término acuñado originalmente en 1991 por Toffoli y Margolus para referirse a un conjunto de elementos informáticos de grano fino dispuestos en el espacio. [1] Su artículo describe un sustrato informático que está compuesto por nodos de cómputo de grano fino distribuidos por todo el espacio que se comunican utilizando solo interacciones de vecinos más cercanos. En este contexto, la materia programable se refiere a modelos de cómputo similares a los autómatas celulares y a los autómatas de gas en red . [2] La arquitectura CAM-8 es un ejemplo de realización de hardware de este modelo. [3] Esta función también se conoce como "áreas referenciadas digitales" (DRA) en algunas formas de ciencia de máquinas autorreplicantes . [4]
A principios de la década de 1990, hubo una cantidad significativa de trabajo en robótica modular reconfigurable con una filosofía similar a la materia programable. [4]
A medida que la tecnología de semiconductores , la nanotecnología y la tecnología de máquinas autorreplicantes han avanzado, el uso del término materia programable ha cambiado para reflejar el hecho de que es posible construir un conjunto de elementos que pueden ser "programados" para cambiar sus propiedades físicas en la realidad, no solo en la simulación . Por lo tanto, la materia programable ha llegado a significar "cualquier sustancia a granel que pueda ser programada para cambiar sus propiedades físicas".
En el verano de 1998, en un debate sobre átomos artificiales y materia programable, Wil McCarthy y G. Snyder acuñaron el término "piedra de pozo cuántica" (o simplemente "piedra de pozo") para describir esta forma hipotética pero plausible de materia programable. McCarthy ha utilizado el término en su ficción.
En 2002, Seth Goldstein y Todd Mowry iniciaron el proyecto claytronics en la Universidad Carnegie Mellon para investigar los mecanismos de hardware y software subyacentes necesarios para crear materia programable.
En 2004, el grupo de Ciencia y Tecnología de la Información (ISAT) de la DARPA examinó el potencial de la materia programable. El resultado fue el estudio "Realizing Programmable Matter" (Realizando la materia programable), que se realizó en 2005-2006 y que definió un programa plurianual para la investigación y el desarrollo de la materia programable.
En 2007, la materia programable fue objeto de una convocatoria de investigación de DARPA y de un programa posterior. [5] [6]
Entre 2016 y 2022, la ANR ha financiado varios programas de investigación coordinados por Julien Bourgeois y Benoit Piranda en el Instituto FEMTO-ST , que lidera el proyecto Claytronics iniciado por Intel y la Universidad Carnegie Mellon. [7]
Según una escuela de pensamiento, la programación podría ser externa al material y podría lograrse mediante la "aplicación de luz, voltaje, campos eléctricos o magnéticos, etc." (McCarthy 2006). Por ejemplo, una pantalla de cristal líquido es una forma de materia programable. Una segunda escuela de pensamiento sostiene que las unidades individuales del conjunto pueden realizar cálculos y que el resultado de sus cálculos es un cambio en las propiedades físicas del conjunto. Un ejemplo de esta forma más ambiciosa de materia programable es la claytrónica.
Existen muchas propuestas de implementación de materia programable. La escala es un diferenciador clave entre las diferentes formas de materia programable. En un extremo del espectro, la robótica modular reconfigurable busca una forma de materia programable donde las unidades individuales están en el rango de tamaño de centímetros. [4] [8] [9] En el extremo de la nanoescala del espectro, hay una enorme cantidad de bases diferentes para la materia programable, que van desde moléculas que cambian de forma [10] hasta puntos cuánticos . De hecho, a los puntos cuánticos a menudo se los denomina átomos artificiales. En el rango de micrómetros a submilimétricos, los ejemplos incluyen unidades basadas en MEMS , células creadas mediante biología sintética y el concepto de niebla de utilidad .
Un subgrupo importante de materia programable son los materiales robóticos , que combinan los aspectos estructurales de un compuesto con las ventajas que ofrece la integración estrecha de sensores, actuadores, computación y comunicación, [11] mientras renuncian a la reconfiguración por el movimiento de partículas.
Existen muchas concepciones de la materia programable y, por lo tanto, muchas líneas de investigación discretas que utilizan ese nombre. A continuación se presentan algunos ejemplos específicos de materia programable.
El cambio de forma y la locomoción de objetos sólidos son posibles con el bombeo de cambio de fase sólido-líquido. [12] Este enfoque permite deformar objetos en cualquier forma deseada con una resolución submilimétrica y cambiar libremente su topología.
Estos incluyen materiales que pueden cambiar sus propiedades en función de alguna entrada, pero no tienen la capacidad de realizar cálculos complejos por sí mismos.
Las propiedades físicas de varios fluidos complejos pueden modificarse mediante la aplicación de una corriente o voltaje, como es el caso de los cristales líquidos .
Los metamateriales son compuestos artificiales que pueden controlarse para que reaccionen de maneras que no ocurren en la naturaleza. Un ejemplo desarrollado por David Smith y luego por John Pendry y David Schuri es el de un material cuyo índice de refracción puede ajustarse de modo que tenga un índice de refracción diferente en diferentes puntos del material. Si se ajusta correctamente, esto podría dar como resultado una capa de invisibilidad .
Bergamini et al. presentan otro ejemplo de metamaterial mecánico programable. [13] En este trabajo, se introduce una banda de paso dentro de la banda prohibida fonónica, aprovechando la rigidez variable de los elementos piezoeléctricos que unen los extremos de aluminio a la placa de aluminio para crear un cristal fonónico, como en el trabajo de Wu et al. [14] Los elementos piezoeléctricos se derivan a tierra a través de inductores sintéticos. Alrededor de la frecuencia de resonancia del circuito LC formado por el piezoeléctrico y los inductores, los elementos piezoeléctricos exhiben una rigidez cercana a cero, desconectando así eficazmente los extremos de la placa. Esto se considera un ejemplo de metamaterial mecánico programable. [13]
En 2021, Chen et al. demostraron un metamaterial mecánico cuyas celdas unitarias pueden almacenar cada una un dígito binario análogo a un bit dentro de una unidad de disco duro. [15] De manera similar, estas celdas unitarias mecánicas se programan a través de la interacción entre dos bobinas electromagnéticas en la configuración de Maxwell y un elastómero magnetorreológico incorporado. Diferentes estados binarios están asociados con diferentes respuestas de tensión-deformación del material.
Un área activa de investigación son las moléculas que pueden cambiar su forma, así como otras propiedades, en respuesta a estímulos externos. Estas moléculas pueden usarse individualmente o en masa para formar nuevos tipos de materiales. Por ejemplo, el grupo de J. Fraser Stoddart en la UCLA ha estado desarrollando moléculas que pueden cambiar sus propiedades eléctricas. [10]
Un imán electropermanente es un tipo de imán que consta de un electroimán y un imán permanente de material dual , en el que el campo magnético producido por el electroimán se utiliza para cambiar la magnetización del imán permanente. El imán permanente consta de materiales magnéticamente duros y blandos, de los cuales solo el material blando puede cambiar su magnetización. Cuando los materiales magnéticamente blandos y duros tienen magnetizaciones opuestas, el imán no tiene campo neto, y cuando están alineados, el imán muestra un comportamiento magnético. [16]
Permiten crear imanes permanentes controlables donde el efecto magnético se puede mantener sin requerir un suministro continuo de energía eléctrica. Por estas razones, los imanes electropermanentes son componentes esenciales de los estudios de investigación que apuntan a construir imanes programables que puedan dar lugar a estructuras autoconstruibles. [16] [17]
La robótica modular autorreconfigurable implica un grupo de módulos robóticos básicos que trabajan juntos para formar formas dinámicas y crear comportamientos adecuados para muchas tareas, similares a la materia programable. SRCMR tiene como objetivo ofrecer una mejora significativa a muchos tipos de objetos o sistemas mediante la introducción de muchas posibilidades nuevas. Por ejemplo: 1. Lo más importante es la increíble flexibilidad que proviene de la capacidad de cambiar la estructura física y el comportamiento de una solución modificando el software que controla los módulos. 2. La capacidad de autorreparación mediante la sustitución automática de un módulo roto hará que la solución SRCMR sea increíblemente resistente. 3. Reducción de la huella ambiental mediante la reutilización de los mismos módulos en muchas soluciones diferentes. La robótica modular autorreconfigurable disfruta de una comunidad de investigación vibrante y activa. [18]
La claytronics es un campo emergente de la ingeniería que se ocupa de robots nanométricos reconfigurables (' átomos claytronic ' o catoms ) diseñados para formar máquinas o mecanismos a una escala mucho mayor. Los catoms serán computadoras submilimétricas que eventualmente tendrán la capacidad de moverse, comunicarse con otras computadoras, cambiar de color y conectarse electrostáticamente con otras catoms para formar diferentes formas.
Los autómatas celulares son un concepto útil para abstraer algunos de los conceptos de unidades discretas que interactúan para proporcionar un comportamiento general deseado.
Los pozos cuánticos pueden albergar uno o más electrones. Estos electrones se comportan como átomos artificiales que, al igual que los átomos reales, pueden formar enlaces covalentes , pero estos son extremadamente débiles. Debido a sus mayores tamaños, otras propiedades también son muy diferentes.
La biología sintética es un campo que tiene como objetivo diseñar células con "nuevas funciones biológicas". [ cita requerida ] Estas células se utilizan generalmente para crear sistemas más grandes (por ejemplo, biopelículas ) que pueden "programarse" utilizando redes de genes sintéticos , como interruptores genéticos , para cambiar su color, forma, etc. Se han demostrado enfoques bioinspirados de este tipo para la producción de materiales, utilizando materiales de biopelícula bacteriana autoensamblables que pueden programarse para funciones específicas, como la adhesión al sustrato, la creación de plantillas de nanopartículas y la inmovilización de proteínas. [19]
