La materia programable es materia que tiene la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (forma, densidad, módulos , conductividad, propiedades ópticas, etc.) de forma programable, según la entrada del usuario o la detección autónoma. La materia programable está así vinculada al concepto de material que tiene inherentemente la capacidad de realizar procesamiento de 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 se compone de nodos informáticos de grano fino distribuidos por todo el espacio que se comunican utilizando únicamente interacciones con los vecinos más cercanos. En este contexto, materia programable se refiere a modelos computacionales similares a los autómatas celulares y los autómatas de red de gas . [2] La arquitectura CAM-8 es un ejemplo de realización de hardware de este modelo. [3] Esta función también se conoce como "áreas de referencia digital" (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 "programarse" para cambiar sus propiedades físicas en realidad, no sólo en simulación . Por tanto, materia programable ha pasado a significar "cualquier sustancia masiva que pueda programarse para cambiar sus propiedades físicas".
En el verano de 1998, en una discusión sobre átomos artificiales y materia programable, Wil McCarthy y G. Snyder acuñaron el término "wellstone cuántico" (o simplemente "wellstone") 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 subyacentes de hardware y software necesarios para realizar materia programable.
En 2004, el grupo de Ciencia y Tecnología de la Información (ISAT) de DARPA examinó el potencial de la materia programable. Esto dio lugar al estudio de 2005-2006 "Realizing Programmable Matter", que estableció un programa plurianual para la investigación y el desarrollo de materia programable.
En 2007, la materia programable fue objeto de una solicitud de investigación de DARPA y un programa posterior. [5] [6]
De 2016 a 2022, la ANR financió 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]
En 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 es que las unidades individuales del conjunto pueden calcularse y el resultado de su cálculo es un cambio en las propiedades físicas del conjunto. Un ejemplo de esta forma más ambiciosa de materia programable es la claytrónica.
Hay muchas implementaciones propuestas de materia programable. La escala es un diferenciador clave entre diferentes formas de materia programable. En un extremo del espectro, la robótica modular reconfigurable persigue una forma de materia programable en la que las unidades individuales tienen un tamaño del orden de centímetros. [4] [8] [9] En el extremo nanoescalar 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, los puntos cuánticos a menudo se denominan átomos artificiales. En el rango del micrómetro al submilimétrico, 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 posibilidades que ofrece la estrecha integración de sensores, actuadores, computación y comunicación, [11] al tiempo que renuncian a la reconfiguración por el movimiento de partículas.
Hay muchas concepciones de materia programable y, por tanto, muchas vías discretas de investigación que utilizan el nombre. A continuación se muestran algunos ejemplos específicos de materia programable.
El cambio de forma y la locomoción de objetos sólidos son posibles con el bombeo con cambio de fase sólido-líquido. [12] Este enfoque permite deformar objetos en cualquier forma deseada con resolución submilimétrica y cambiar libremente su topología.
Estos incluyen materiales que pueden cambiar sus propiedades en función de alguna información, pero que no tienen la capacidad de realizar cálculos complejos por sí mismos.
Las propiedades físicas de varios fluidos complejos se pueden modificar aplicando una corriente o voltaje, como es el caso de los cristales líquidos .
Los metamateriales son compuestos artificiales que se pueden controlar para que reaccionen de formas 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 pueda tener 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] Aquí, se introduce una banda de paso dentro de la banda prohibida fonónica, explotando la rigidez variable de los elementos piezoeléctricos que unen los trozos 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 efectivamente los trozos de la placa. Esto se considera un ejemplo de metamaterial mecánico programable. [13]
En 2021, Chen et al. demostró 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 integrado. Diferentes estados binarios están asociados con diferentes respuestas 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 se pueden utilizar individualmente o en masa para formar nuevos tipos de materiales. Por ejemplo, el grupo de J. Fraser Stoddart en 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 doble material , en el que el campo magnético producido por el electroimán se utiliza para cambiar la magnetización del imán permanente. El imán permanente se compone de materiales magnéticamente duros y blandos, de los cuales sólo el material blando puede modificar 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. [dieciséis]
Permiten crear imanes permanentes controlables donde se puede mantener el efecto magnético sin necesidad de un suministro continuo de energía eléctrica. Por estas razones, los imanes electropermanentes son componentes esenciales de los estudios de investigación destinados a construir imanes programables que puedan dar lugar a estructuras de autoconstrucción. [16] [17]
La robótica modular autorreconfigurable implica un grupo de módulos de robot básicos que trabajan juntos para formar formas dinámicamente y crear comportamientos adecuados para muchas tareas, similares a la materia programable. SRCMR tiene como objetivo ofrecer mejoras significativas 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 surge de la capacidad de cambiar la estructura física y el comportamiento de una solución cambiando el software que controla los módulos. 2. La capacidad de autorreparación reemplazando automáticamente un módulo roto hará que la solución SRCMR sea increíblemente resistente. 3. Reducir la huella ambiental al reutilizar los mismos módulos en muchas soluciones diferentes. La robótica modular autorreconfigurable disfruta de una comunidad de investigación vibrante y activa. [18]
Claytronics es un campo emergente de la ingeniería relacionado con robots reconfigurables a nanoescala (' átomos arcillatrónicos ' o catoms ) diseñados para formar máquinas o mecanismos a 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 a otros catoms para formar diferentes formas.
Los autómatas celulares son un concepto útil para abstraer algunos de los conceptos de unidades discretas que interactúan para dar un comportamiento general deseado.
Los pozos cuánticos pueden contener uno o más electrones. Esos electrones se comportan como átomos artificiales que, como los átomos reales, pueden formar enlaces covalentes , pero estos son extremadamente débiles. Debido a su mayor tamaño, otras propiedades también son muy diferentes.
La biología sintética es un campo que tiene como objetivo diseñar células con "funciones biológicas novedosas". [ cita necesaria ] Estas células se utilizan generalmente para crear sistemas más grandes (p. ej., biopelículas ) que pueden "programarse" utilizando redes de genes sintéticos , como interruptores de palanca genéticos , para cambiar su color, forma, etc. Se ha demostrado que se utilizan materiales de biopelículas bacterianas autoensamblables que se pueden programar para funciones específicas, como la adhesión de sustratos, la creación de plantillas de nanopartículas y la inmovilización de proteínas. [19]
