Програмируема материя и 4D печат: все по-близо до „интелигентния прах“

[ramus]

Програмируема материя и 4D печат:

все по-близо до „интелигентния прах“

https://3dnews.ru/1093054/programmiruemaya-materiya-i-4dpechat

Дигитален превод от руски

======================================================================================

18 септември 2023 г

Максим Белоус

Виртуалната реалност на практика ще се слее с естествената реалност, ако цифровите изображения, създадени пред очите на потребителя, са органично насложени върху физически обекти, които са последователно формирани от програмируема материя. Ще трябва да изчакате обаче: все още има много технически трудности по този път

=======================================================================================

 

Най-обикновеният 3D принтер буквално изгражда определен обект малко по малко в съответствие с цифрово определен чертеж. Тези зърна - например капки от нагрята ABS пластмаса - слепващи заедно и по-късно втвърдяващи се, образуват формата, предвидена от създателя на цифровия чертеж. В този случай директният изпълнител на зададената от човек програма е самият 3D принтер, а консумативният материал не е нищо повече от инертна материя, чието подреждане се извършва от външна сила. Но какво ще стане, ако направим този въпрос „умен“? Дори и да не е способен да взема съзнателни решения (за което днес дори компютърният изкуствен интелект не е готов), а само програмируем,готови да образуват определени форми - чрез преместване по един или друг начин на отделните си частици една спрямо друга - в отговор на определени контролни сигнали?

 

Ако не сглобите сами, никой няма да ви сглоби (източник: AI поколение въз основа на модела SDXL 1.0)

Най-простата версия на програмируемата материя отдавна е известна на металурзите: това са така наречените сплави с памет на формата(сплави с памет на формата, SMA). Специалният дизайн на кристалната решетка на такива сплави се характеризира с термоеластичност, т.е. способността за преобразуване на топлинната нагряваща енергия в механична работа за връщане на клетките, разтегнати или компресирани по време на деформация, в първоначалното им състояние. Първоначално правият SMA проводник може да се огъне със същата лекота като обикновената медна или алуминиева. Но когато се нагреят, разтегнатите клетки на кристалната решетка на сплавта с памет на формата (разположена на външната граница на всеки завой) сами по себе си, или по-скоро преобразувайки топлинната енергия в механична енергия, ще започнат да се компресират, а компресираните (на вътрешната страна) ще започне да се разтяга. Това ще доведе до изправяне на пробата при всеки деформиран микросрез - и в резултат на това целият SMA проводник ще се върне към първоначалния си гладък вид. Сплавите с памет на формата се използват доста широко,манипулатори, които имитират човешка ръка - с чисто термомеханично управление вместо цифрово (т.е. не изискващи микромотори, сигнални вериги, сензори за обратна връзка и други сложни машини).

И все пак е трудно да се нарекат метални проводници, изработени от специални сплави, наистина програмируеми: техните възможности не са толкова обширни. От друга страна, напълно функционален „умен прах“ - дискретна програмируема материя, всяка микроскопична частица от която е способна, по указание на контролния център, да се свърже с всяка друга в дадена точка - засега съществува само в произведения на научната фантастика като наградения с Оскар анимационен филм "Градът на героите" (оригинално заглавие - Big Hero 6). Всъщност именно в научната и инженерна пропаст между отдавна познатия SMA и футуристичния „умен прах“, непостижим на сегашното ниво на технологиите, днес работят изследователите, работещи по проблемите на програмируемата материя. Така, че без участието на 3D принтер или друго макроустройство, управляващо директно консумативния материал, той може да променя формата си в доста широк диапазон.

⇡#Навсякъде (самоорганизиращ се) живот

Суперминиатюризацията на основните елементи на съвременната електроника - полупроводникови транзистори - приближава изследователите все по-близо до физическото въплъщение на "интелигентния прах". Вярно е, че в наши дни отделните частици от такава програмируема материя са доста големи, така че по-скоро трябва да се наричат не прашинки, а, да речем, камъчета (в английската терминология - умни камъчета вместо умен прах). Това са напълно автономни устройства с характерен размер от порядъка на няколко милиметра, оборудвани с батерии, различни сензори, лазерни и/или радиокомуникационни модули, по-рядко електромеханични елементи ( MEMS ) - и, разбира се, процесор, RAM и хранилище за данни. Общувайки помежду си, такива монадипрограмируемата материя може да формира силно свързани мрежи, готови да изпълняват различни задачи - от формирането на сензорни облаци (при ниска гъстота на мрежата - в агрегатното състояние на "умен газ" - осигурявайки събирането на много по-подробна и структурирана информация от разпръснатата макросензори) до създаването на тактилни интерфейси за виртуална реалност (когато, да речем, хващайки дръжката на изваден меч в цифров свят, играчът стиска дланта си вътре в контейнер, пълен с „умен прах“ - и се образува плътна продълговата структура в хватката на юмрука си, възпроизвеждайки точно виртуалния обект).

Образуването на едно плодно тяло на Myxococcus xanthus със спори отнема около 100 хиляди едноклетъчни организми от този вид (източник: Wikimedia Commons)

Интересното е, че прототипът на „интелигентния прах“ - подобно на много други високотехнологични разработки - съществува в природата от стотици милиони, ако не и от милиарди години. Така myxobacterium Myxococcus xanthus , напълно уважаван едноклетъчен организъм, демонстрира колективно поведение при неблагоприятни условия. Когато храната стане сериозно оскъдна, огромен брой отделни миксобактерии се събират в доста макроскопични агрегати, образувайки така наречените плодни тела. По-голямата част от едноклетъчните организми в този случай умират - по-точно те престават да съществуват като отделен жив организъм; става фрагмент от здрава, но биологично инертна стена на общото плодно тяло. Най-щастливите миксобактерии, защитени от неприятности от защитната обвивка, създадена от телата на техните роднини, образуват спори - и по този начин получават шанс (когато външните обстоятелства се променят и храната отново е в изобилие) за себе си и за всички останали, да предадат нататък. гени на техния вид към следващите поколения.

Освен това няма външен разум, който да зададе на Myxococcus xanthus програмата „всички се събират и изграждат плодно тяло, но вие, вие и вие започвате да образувате спори“: тук самоорганизацията се е развила в хода на еволюцията в най-чистия си вид форма се осъществява. Миксобактериите, строго погледнато, дори не могат да се разглеждат като междинен етап по пътя от едноклетъчни към многоклетъчни организми: тяхното колективно поведение се проявява само при определени условия и те нямат еволюционен стимул да образуват по-сложна колективна структура, с изключение на оцеляването при особено неблагоприятно стечение на обстоятелствата. Въпреки това, способността на някои протозои за такава сложна временна самоорганизация може да се превърне в един от стимулите за учените и инженерите да излязат с идеята запрограмируема материя – вече не е пряко свързана с биологията.

Клетъчният автомат CoDi (от думите събирам и разпространявам) е създаден, за да симулира импулсна невронна мрежа - най-правилното приближение към биологичните невронни мрежи в момента (от гледна точка на физиологията) (източник: Wikimedia Commons)

Самият термин „програмируема материя“ се появи не толкова отдавна : през 1991 г. беше предложен от физика Норман Марголус и специалиста по компютърни системи Томазо Тофоли. В своята теоретична работа те описват клетъчните автомати CAM-8: съкращението означава „машина за клетъчни автомати“, а серийният номер 8 показва мястото му в дългата поредица от модели, разработени от тези изследователи. Когато обсъждаха възможните приложения на CAM-8, Марголус и Тофоли посочиха моделиране на флуиден поток и химични реакции - и използваха термина „програмируема материя“ в контекста на факта, че определена пространствена конфигурация на елементите на предложената от тях машина (заедно с правилата, по които работи) напълно определя неговите свойства. С други думи, тя не се нуждае от програмист като такъв.

В ретроспекция, първият наистина успешен демонстратор на програмируема материя може да се счита за известната Игра на живота , описана от британския математик Джон Хортън Конуей през 1970 г. Тази игра е без играчи (това, което се случва на полето, се определя само от първоначално определени правила и първоначалната конфигурация на „живите“ клетки) ясно демонстрира как едно пространство, разделено на клетки, съчетано с ясно дефинирани закони, действащи в него, поражда, при определени условия, автомат на фон Нойман - машина, способна при липса на на подробни инструкции, дадени от жив операторпресъздайте себе си. Самият Джон фон Нойман теоретично разработи клетъчното поле и правилата за работа на самовъзпроизвеждащ се автомат още в края на 40-те години на миналия век, много преди появата на публично достъпни компютри, които биха направили възможно ясно да се демонстрира работата на такова устройство. Играта „Живот“, базирана на много по-прости правила и много по-малко взискателна към изчислителните ресурси (пълното внедряване на клетъчен автомат на фон Нойман ще изисква, според различни оценки, поле от 100-200 хиляди клетки , докато елементарните структури на „Животът“ е доста функционален и в рамките на решетка 3x3), по-голям късмет - той е получил много превъплъщения в програмния код и сега е обстойно проучен.

Пушките са специален вид клетъчни автомати в играта на Живота, които не само се повтарят циклично, но и генерират други автомати – в случая планери; Планерът Gosper е показан тук (източник: Wikimedia Commons)

Но и „Животът“, и CAM-8 не са нищо повече от математически абстракции, докато миксобактериите, действащи (понякога) на принципа на клетъчен автомат, са живи и здрави. Развивайки идеите на Марголус и Тофоли, някои изследователи на програмируемата материя вече създават доста сложни - и не най-миниатюрните - структури, които са готови да действат като елементарни клетки на програмируема материя; Нека използваме вече споменатите „умни камъчета“ като пример. Малко по-различен подход беше посочен от френския химик Жан-Мари Лен , който получи Нобелова награда през 1987 г. за създаването в лаборатория на синтетични молекули, способни да изпълняват в жив организъм същите функции като естествените (невротрансмитери, например) , а понякога дори и с по-голяма ефективност. Той въвежда термина „познаваема материя“ в научното обръщение (информирана материя ), което означава синтетични материали със свойства, предварително определени на атомно-молекулярно ниво, които биха им позволили, при определени условия, спонтанно да се самоорганизират в сложни структури - демонстрирайки координирана динамика, напомняща за колективното поведение на едноклетъчните организми.

⇡#Магнитът е ваш, нашите задачи

Практически демонстратор на идеите за програмируема материя на макро ниво беше предложен още през 2015 г. от изследователи от Масачузетския технологичен институт. Създаденият от тях оригами робот е не просто самоходен, но и управляем и дори способен да транспортира товари (два пъти повече от собственото си тегло!) с тегло приблизително 0,3 g с характерен размер от няколко сантиметра, в първоначалното си състояние прилича на квадрат от златисто лъскаво фолио , очертан с пресичащи се диагонални линии в триъгълници . В средата на конструкцията има малък постоянен магнит - и всъщност това е всичко: дизайнът не предвижда никакви чипове, автобуси или задвижващи механизми.

Оригами робот разгънат (вляво) с магнит отгоре; сглобени; натискане на тегло; постоянен магнит отделно (източник: MIT)

Принципът на работа на робота оригами е подобен на SMA: поливинилхлоридът, който образува средния слой на филма, се свива при нагряване. Не много, но достатъчно за такъв миниатюрен дизайн. От двете страни на PVC основата има друга пластмаса, без термомеханични свойства, като прорезите в нея са направени така, че от едната страна получените луфтове (те не са проходни - средният слой остава плътен) са по-широки, отколкото от другата. Когато поливинилхлоридът се свива при нагряване, неравномерността на напрежението от различните страни на основата води до факта, че трислойният материал естествено се огъва, така че от вътрешната страна на завоя се появява тясна междина, а отвън - широка. Редуват се широки и тесни прорези по външните слоеве на фолиото,

Роботът се движи под въздействието на магнитно поле, което се генерира по определен начин под подлежащата повърхност. Ако постоянният магнит в центъра на структурата изпитва привличане с изместване (спрямо локалния вертикал), тогава „краката“ на структурата, които са разположени по-близо до източника на полето, стоят стабилно на място поради сила на триене, докато тези отзад леко се повишават. След това е достатъчно леко да преместите източника на поле по-близо до постоянния магнит, така че адхезията на предните „крака“ да отслабне леко - и тъй като самостоятелно сглобената пластмасова оригами структура има достатъчна твърдост, това ще доведе до леко изместване на целия робот „напред“ (т.е. посоката, в която източникът на магнитното поле първоначално е бил изместен под повърхността спрямо постоянния магнит на самия робот). Допълнителна модификация на този метод включва поставяне на четири променливи магнита в ъглите на квадратната платформа, върху която е инсталиран роботът. Координираната промяна в величините на генерираните от тях полета води до факта, че структурата прави прецизни и бързи движения - приблизително четири дължини на собственото си тяло в секунда. Можете да се насладите на бързите движения на това устройство във видеототук _

Оригами роботът на Масачузетския технологичен институт е малък - но не достатъчно малък, за да бъде от реална полза (източник: MIT)

Роботът оригами в оригиналната си форма не е много полезен: да, той е в състояние да премества малки предмети от място на място и дори да действа като динамично движещ се сензор за електромагнитни полета - струва си да покриете повърхността му с проводим филм и внимателно да измерите отклонения от очакваната скорост и траектория на движение под въздействието на външно поле, но това е всичко. Но ако изследователите успеят да приложат същия принцип, за да създадат устройства с характерни размери от части от милиметър,това ще отвори безпрецедентни възможности - за микрохирургия, например. Отпечатани на специален принтер подобни субминиатюрни роботи под формата на тънки и плоски квадрати могат да бъдат вкарани например в кръвоносен съд на пациент. Под въздействието на топлината те ще се самосглобят, с притока на кръв ще стигнат до определената точка - и там под въздействието на променливи магнитни полета ще изпълнят определена задача; Да кажем, че го разделят на фрагменти и постепенно отстраняват получения кръвен съсирек. Ако изберете материали, които се биоразграждат с течение на времето, за изграждането на такива роботи, дори няма да се налага да се притеснявате за последващото отстраняване на чужди тела.

⇡#Рисуване на аналогии

По-сложен демонстратор на (само)програмируема материя – също в съответствие с концепцията за „интелигентен прах“, а не „познаваема материя“ – беше създаден през 2021 г. в Университета на Пенсилвания. Една доста проста електрическа верига, която обаче се простира на почти цял метър дължина, е по същество аналогов персептрон - и е в състояние да класифицира обекти и такива, които не всеки може да различи на пръв поглед. Машинната дискриминация се извършва по същата схема, по която работят биологичните неврони и техните изкуствени аналози като част от цифровите невронни мрежи - с обратно разпространение на грешки.

Аналогова невронна мрежа, базирана на варистори (източник: Университет на Пенсилвания)

Основният елемент на описания дизайн е двойка електрически вериги, които включват варистори (променливи съпротивления). Към двете вериги се прилага същото напрежение, така че силите на тока в тях, в съответствие със закона на Ом, също се оказват равни. След това започва "обучението": експериментаторите променят съпротивлението на един от варисторите, за да постигнат определена стойност на изходния ток. Тъй като силите на тока в двете оригинални вериги вече са различни, можете да добавите още една към тях - и зарядът също ще започне да се движи по тази поради наличието на потенциална разлика. Обратната връзка от третата верига към втората (варисторът, в който остава в първоначалното си положение) ви позволява автоматично да регулирате стойността на съпротивлението, така че силата на тока в двете оригинални вериги да се изравни отново.

Основният елемент на такава верига изглежда тривиален - но чрез изграждане на мрежова структура от подобни блокове с три вериги (в които контролната верига на първата двойка вериги служи като основа за втората и т.н.), изследователите получиха, всъщност най-простата невронна мрежа на напълно аналогова основа. И дори я научиха да различава цветята на ириса, класифицирайки ги като една от трите разновидности, изборът между които се прави въз основа на сравнение на четириизмерните параметри на дадено цвете. Поради липсата на оптична система, описаната структура, разбира се, не може да „види“ самите ириси - тя работи с база данни, събрана от ботаници за 150 такива цветя. Обучена на 30 цветя (когато операторът задава параметри на размерите чрез завъртане на варистори и след това ръчно посочва коя разновидност на ириса описва всяка от въведените комбинации от стойности на съпротивление), аналоговата електрическа невронна мрежа независимо класифицира останалите 120 с 95% точност , Сериозно предимство на такава мрежа може да се счита за нейната висока устойчивост на повреди. Срязвайки отделни жици и повтаряйки цикъла на обучение, изследователите успяха да постигнат почти същите резултати като

Най-добрият роботизиран космически изследовател е този, който е способен на самолечение (източник: AI поколение, базирано на модел SDXL 1.0)

И това е изключително важно за междупланетни мисии, например, когато една високоенергийна частица от космически лъчи може да повреди всеки полупроводников контролер - дори защитен с олово или друг изключително плътен корпус. В такава ситуация аналогова изкуствена невронна мрежа, загубила част от вътрешните си връзки (да кажем, че са толкова миниатюрни, че космическите лъчи започват директно да им вредят), ще може автономно да се реорганизира, за да продължи да работи. Дори изглежда като „програмируема материя“ - в смисъл, че доста плътна електрическа невронна мрежа от елементи с малък размер ще изглежда като парче тъкан с голямо тъкане и изисква програмиране за решаване на определени проблеми. „Обучавайки“ такава структура на земен или близо до земята тестов полигон в условия, възможно най-близки до работещите,

Строго погледнато, една изчислителна система не трябва непременно да се състои от електрически вериги. Концепцията за „логиката на пръчката “, предложена от пионера и популяризатора на нанотехнологиите Ерик Дрекслър, е добре позната.Първоначално тя възниква в приложение към молекулярни структури, но може да бъде приложена и на макроскопично ниво. Молекулите, до известно приближение, могат да се считат за механични системи - топки (атоми) с пружинни (ковалентни) връзки между тях. Специфичен вид въглеродна молекула, карбини, са верига от въглеродни атоми, в които една и три ковалентни връзки се редуват последователно. Тази верига е изключително тънка (всъщност с дебелина от един C атом) и има значителна напречна твърдост поради силни междуатомни връзки - и следователно, от механична гледна точка, тя е почти идеален прав прът (пръчка, щифт; пръчка).

Принципът на работа на наномащабния инвертор на пръти на Drexler: два щифта с издатини, разположени перпендикулярно на равнината на фигурата (сеченията им са показани в кръгове под цифрите 1 и 0) позволяват или забраняват хоризонталното движение на прът с подобни издатини - в зависимост от независимо дали са изместени така, че да преминат покрай неговите издатини или да ги блокират (източник: NanoCon)

Ако хетероциклична структура с три флуорни атома се постави между два определени въглеродни атома в състава на такъв прът, ще получите малка издатина, стърчаща отстрани на основния прът, но също така твърда в механичен смисъл. Пръчките с издатини, разположени в перпендикулярни равнини, точно образуват механична изчислителна система с нано размери: надлъжният прът може да се движи само ако напречният е монтиран така, че издатините на надлъжния да минават свободно покрай неговите издатини, в противен случай преместването е блокирано . Всъщност се внедрява аналог на полупроводников инвертор: сигнал, разпространяващ се в надлъжна посока (преместване на надлъжния прът с определена величина) позволява или блокира разпространението на сигнала в напречна посока (преместване на съответния прът). С инверторите можете да създавате логически схеми с всякаква сложност. Докато стандартните компютри на молекулярно ниво продължават да си остават теоретични конструкции, тяхното сглобяване почти със сигурност ще изисква наномашини, чието развитие се насърчава активно отвсе същият Дрекслер. Въпреки това, по-големи структури от този вид - да речем, с микрометър - могат да станат основа за процесорните възли на вече споменатите „умни камъчета“ и, вероятно, първоначални реализации на „интелигентен прах“. В бъдеще, например, специално програмирани (на генетично ниво) ДНК ботове ще могат да задействат стоковата логика за извършване на изчисления - но това е напълно отделна тема за обсъждане.

⇡#От камъчета до глина

Исторически, както вече става ясно, могат да се разграничат два подхода за създаване на програмируема материя: „отдолу нагоре” и „отгоре надолу”. Първият се основава на използването на наночастици, отделни молекули и в бъдеще дори електрони за организиране не само на изчислителна (и следователно програмируема), но и на самореорганизираща се интелигентна материя. И тук отново няма магия: учените отдавна знаят, че „квазиживите“ колоидни структури са способни да демонстрират много сложно поведение, към които в известен смисъл могат да се отнесат дори добре познатите течни кристали - същите, благодарение на които днес работят дисплеите на по-голямата част от телевизорите и компютърните монитори на планетата. Създаването на програмируема материя чрез „плаване“ изглежда най-логично, с преход от прости компоненти към все по-сложни структури, но изисква толкова сериозно предварително развитие на нанотехнологиите, че осезаем напредък по този път не трябва да се очаква в близко бъдеще.

Миниатюрен оригами робот с двигатели, който не изисква външно магнитно поле за движение, е пример за устройство, което се развива към програмируема материя по пътя отгоре надолу (източник: Wyss Institute)

Друго нещо е подходът на „потапяне“, който предполага постепенно миниатюризиране на доста сложни системи; от многократно споменаваните „умни камъчета“ до „умни прашинки“ – които всъщност в идеалния случай трябва да се състоят от програмируема материя, която има буквално магически свойства (според мнението на непосветен наблюдател). Ако в логиката отдолу нагоре организиращата роля се приписва на определени сили, външни за частиците на такава материя - законите на химичните взаимодействия, например, дори и да се проявяват по не най-тривиален начин поради уникалните свойства на самите частици - тогава миниатюризираните чрез „потапяне“ компоненти на интелигентната материя запазват способността за автономно действие, именно благодарение на което (а също и наличието на безжични комуникации помежду си, разбира се) те са в състояние да проявяват кохерентно колективно поведение.

Важно е да се отбележи, че програмируемата материя в подхода отгоре надолу обикновено не се нуждае от MEMS като един от ключовите си компоненти. Субминиатюрните сензори и механизми, разбира се, са нещо добро, но осигуряването на тяхната висока надеждност само по себе си не е най-тривиалната задача. А ремонтирането на някаква неработеща нанотурбина от „умна прашинка“ с диаметър микрон, улавянето й от безброй подобни устройства за тази цел, е повече от съмнително удоволствие. Ето защо разработчиците на програмируема материя чрез потапяне, като групата на Сет Голдщайн в университета Карнеги Мелън, залагат на толкова малки машини, че могат да променят формата и/или ориентацията си, без да разчитат на деликатни движещи се части за това .. Колкото по-прости (от чисто механична гледна точка) и по-надеждни са „умните камъчета“, създадени днес в лаборатории, толкова по-лесно ще бъде впоследствие да се миниатюризират, за да образуват наистина фино структурирана програмируема материя. Освен това, тъй като размерите на всяко такова „камъче“ намаляват, задачата, строго погледнато, става по-проста: манипулирането на малки обекти изисква по-малко енергия и се извършва по-бързо поради намаляване на инертната маса. Друго нещо е, че самата тази миниатюризация, при запазване на всички възможности на по-големите образци, е изключително нетривиална задача.

Един от първите прототипи на катомни демонстратори, заобиколен от електромагнити „пънове“ (източник: Carnegie Mellon)

Но перспективите в тази посока са повече от привлекателни: в крайна сметка проектът Claytronics (от английската глина - „глина“), разработван почти две десетилетия на базата на университета Карнеги Мелън, има за цел да създаде клейтронни атоми или катоми,сравними по размер с естествените молекули, които ще образуват триизмерни форми, определени от оператора. Всякакви. Операторът се нуждае от стол - и кокетната сивкава локва на пода на стаята му се превръща в стол, при това с определените параметри на еластичност на седалката и облегалката. Имате нужда от чаша - моля! Кухненски нож - няма проблем (само ако интелигентната система засече, че клейтронният нож опасно се приближава до човешкото тяло, тя ще може незабавно и независимо, без да иска потвърждение, да превърне заплашителния предмет обратно в сивкава локва - но това е въпрос на създаване на софтуерно обезпечение).

По същество claytronics възвестява интеграцията на виртуалния и физическия свят , когато формата, текстурата и цялостните механични свойства на обекти, създадени от компютърна система, се осигуряват от „умна глина“, а външният вид се осигурява от оцветяване и определен вид функционалност - очила или шлем с добавена реалност. Такава синтетична реалност, както очакват инженерите и учените, работещи по нея, лесно ще премине визуално-тактилния аналог на теста на Тюрингда имитират обекти от физическия свят - с едно изключение обаче: вътрешната структура на сложните системи ще бъде изключително трудна, ако не и невъзможна, за възпроизвеждане - поне за много, много дълго време. Столът Claytron може лесно да се превърне в рафт за книги или дори в почистващ робот, като редовно почиства „глупавия“ прах от по-традиционните мебели с метла Claytron, но не може да се превърне в компютър или смартфон - пълнежът им е прекалено сложен. Тук, между другото, идват на помощ очилата с добавена реалност: ако нещо прилича на лаптоп, усеща се точно като лаптоп на допир (включително по отношение на тактилната реакция на натиснатите от оператора клавиши) и чрез очилата също работи като лаптоп, показвайки резултатите от изчисленията на виртуален дисплей, дори ако са извършени някъде в облака, означава

⇡#Пясък, който (още?) не пада

Катомите, за чието създаване групата на Голдщайн и нейните сътрудници работиха усилено, в бъдеще трябва да бъдат сферични обекти с максимални микронни размери, способни да се движат чрез търкаляне (например поради изместване на центъра на масата вътре в тялото), здраво закрепени един към друг в определени точки и притежаващи основни изчислителни възможности и развити средства за взаимна комуникация - което ще им позволи, ако е необходимо, да обединят своите ресурси за решаване на сложни математически проблеми в клъстер: формиране на изчислителна среда за стартиране на локален AI, за пример. Първите прототипи на тези футуристични дизайни бяха „ клекналите цилиндри “, създадени в началото на 2000-те) малко по-голям от батерия с размер D и с редици електромагнити по ръбовете. Благодарение на селективното активиране на магнитите, „пъновете“ са в състояние да се прилепват един към друг, образувайки двуизмерни конфигурации с почти произволни форми в равнина, или да се отблъскват един друг, като по този начин покриват определено разстояние в отсъствието на механичен задвижващо устройство. Задавайки определена последователност от координирано включване на електромагнитите, изследователите постигнаха изпълнението на доста сложни движения на катомите един спрямо друг. До средата на 2010 г. новите версии на тези макромонади с програмируема материя, вече произведени с помощта на фотолитография, са се свили в диаметър до около един милиметър.

Командата „Събирайте се!“, дадена на шепа контролирана от AI програмируема материя, ще има изключително буквално значение (Източник: AI поколение, базирано на модел SDXL 1.0)

Въпреки това, с миниатюризирането на котомите и нарастването на броя им, нов проблем започна да се появява с пълна сила: софтуерът. Би било трудно да се нарече система самоорганизираща се , ако, за да се образува някаква проста чаша от шепа „умни прашинки“, ще е необходим мощен компютър, стоящ наблизо, готов да се справи с пространственото позициониране на всеки катом индивидуално. Голдщайн и колегите му са склонни да възприемат принципа на познатата материя - и се ограничават до директни комуникации само между съседни монади (индивидуални катоми), вместо централно да разпространяват команди директно към всеки. Всъщност същият подход се прилага еволюционно в Myxococcus xanthus и други едноклетъчни организми, които демонстрират колективно поведение: реагирайки на промените във външните условия, организмите се събират, прилепват и докато някои (тези, които продължават да изпитват неблагоприятните въздействия на околната среда) изграждат здрава обвивка, други (тези, които се „чувстват“ в безопасност) започват да образуват спори. Разпределението на ролите се случва, очевидно, по най-естествения начин.

Въз основа на същите принципи на предварително програмиране на сценарии, катомите неизбежно ще бъдат ограничени в своите възможности: липсата на централизиран контрол няма да позволи формирането на произволни макрообекти от тях - а само тези, чиито принципи на изграждане са били включени в системата първоначално . Въпреки това, никой не забранява динамично да се променят програмите (например в процеса на товарене/разтоварване на коти от транспортен контейнер, в гърлото на който съответният програмист би изглеждал много органично) или включването на местен изкуствен интелект за тази задача - това със сигурност ще можете да промените изходния код, който контролира взаимодействието на catoms, директно в реално време и в доста широк диапазон.

Мечтаят ли наноботите за електрически петъци? (Източник: AI поколение на базата на модел SDXL 1.0)

Вярно е, че в допълнение към новите творчески възможности, препрограмирането на монадите на „умната материя“ отваря естествена кутия на Пандора по отношение на сигурността - не само информационна, но и самата физическа. Ние дори не говорим за хипотетичната заплаха от превръщането на всичко, което е на повърхността на планетата, в „сива слуз“ от основни елементи ( сива слуз - термин и сценарий, предложен от същия Ерик Дрекслер) поради факта, че свръхразвити и освободени под контрола на човечеството, наноботите ще разглобяват всичко, до което могат да достигнат, на компоненти за свое собствено самовъзпроизвеждане- и ще продължи да прави това, докато материята, която по принцип може да бъде разглобена, свърши. Прихващането на контрола на програмиста на кататома ще бъде достатъчно, за да може чаша, донесена до устата на жертвата, да изхвърли, например, тесен и остър шип - това едва ли ще зарадва щастливия собственик на система за синтетична реалност. Засега такива сценарии във всеки случай са фантастични, но тъй като разработчиците на програмируема материя се приближават към планираните цели, подобни заплахи ще трябва да бъдат взети под внимание най-сериозно.

Отляво е образец, изработен от тъмна пластмаса, чиято форма е копирана заедно от „умни камъчета“; вдясно е копие, компилирано от тях (източник: MIT)

Междувременно „умното камъче“ продължава да се развива на макро ниво, придобивайки способности, които са от съществено значение за бъдещата самоорганизираща се материя, като способността да копира дадена форма - и без предварително програмиране. През 2012 г. тя правеше това в Масачузетския технологичен институтпроцесорната група на Daniela Rus, използвайки доста големи „умни камъчета“ под формата на 12 mm кубчета със сензори за докосване по ръбовете като демонстратори на решения. Паметта и мощността на обработка на всяко от тези кубчета не са достатъчни, за да определят формата на обекта, около който са поставени. Въпреки това, веднага щом някое от „умните камъчета“ открие извънземен обект благодарение на своите сензори, той сигнализира за това на своите съседи - и по този начин записва определен участък от външната му граница. След това друго кубче наблизо също съобщава за контакт с обекта (и „запомня” позицията си спрямо него – както своето, така и непосредствения съсед), след това следващото...

Алгоритъм за самоорганизиращо се взаимодействие на „умни камъчета“ в процеса на копиране на предложен обект (източник: MIT)

И когато поредицата от монади, които са намерили границата на обекта, се затвори, информацията за формата на веригата, в която са се подредили, ще бъде предадена на съседните, свободни „умни камъчета“. И те от своя страна първо ще образуват кух контур наблизо, точно повтарящ оригиналния, и след това ще го напълнят, като леярска форма със стопилка, с други кубчета. Последната точка в тази схема е командата за разединяване на „умните камъчета“, които очертават границите, така че в резултат на това до оригиналния обект да остане негово копие, събрано от монади, закрепени заедно - а останалите остават свободно разпръснати наоколо. Алгоритъмът за генериране на копие позволява пропорционалното му увеличаване спрямо оригинала; Вече има разбиране как да копирате триизмерни обекти слой по слой в перспектива.

Препъникамъкът все още остава значително намаляване на размера на „умните камъчета“ (които групата Rus гордо нарече Smart Sand предварително, въпреки поразителната разлика в размера с песъчинките), като същевременно напълно запазва техните функционални свойства - но това е общ проблем за всички разработки на програмируема материя при подход отгоре надолу.

⇡#Затваряне на кръга

И така, създаването на изкуствена материя, способна на само(ре)организация, се сблъсква по пътя към „изкачването“ с бавното развитие на наномашините, а след „потапянето“ се сблъсква с трудности с по-нататъшното миниатюризиране на прототипни демонстратори под ограничение на размера от няколко милиметра. Съдейки по факта, че няма твърде много рецензионни материали за програмируема материя в откритата преса през последните десет години, а инвеститорите на ниво Intel Labs през 2010 г. започнаха да губят интерес към теми като claytronics поради прекомерното количество на инвестиции с неясни перспективи, програмируема материя Като област на високотехнологични изследвания днес, ако не е в състояние на криза, със сигурност не може да се счита за най-бързо развиващата се индустрия.

Време за хвърляне на прах и време за събиране на прах (източник: AI поколение, базирано на модел SDXL 1.0)

Въпреки това има известен напредък в тази насока и той е свързан, колкото и да е парадоксално, с SMA, споменат в самото начало на тази статия - по-точно с полимерни материали, които също са способни да демонстрират поведение, подобно на ефекта на паметта на формата на метала сплави. Използването на подобни материали в 3D принтирането си има име – неочаквано, нали? - „4D принтиране“ , като четвъртото измерение тук означава способността на многослойните обекти, произведени на принтер, да променят физическите си характеристики с течение на времето. Това, разбира се, не е познавателна материя в смисъла на Лен, а първото, най-често бинарно, приближение към нея. Такива обекти обикновено преминават само между две състояния при определено външно въздействие - светлинно излъчване, топлина, контакт с вода и др.

Отново, материали от този вид също съществуват в природата - вземете, например, сухо дърво; от гледна точка на органичната химия, това е доста сложен полимер (основата на структурата на дървото е целулоза) и дори многослоен композит, естествено образуван в процеса на биологично развитие. Парче дърво, поставено във вода, ще набъбне - но не равномерно във всички посоки, а по сложен и не винаги предвидим начин, в зависимост от това как точно са ориентирани влакната в него, както и от колко и от какви слоеве се състои . Така чрез 3D принтиране от няколко години е възможно чрез избор на специални видове полимери да се създават структури с програмируемо последващо поведение. Да, не от най-разнообразните: обикновено 4D обект при определени условия просто променя формата и/или размера си; по-рядко - след това може да се върне в първоначалното си състояние, ако условията са се променили. Но все пак, това е напредък - и, бих искал да вярвам, необходима стъпка към намаляване на разликата между стратегиите отгоре надолу и отдолу нагоре за изграждане на програмируемв широкия смисъл на думата материя.

В началото на 2010 г. разработчиците на 4D печат експериментираха предимно с макро обекти. Десет години по-късно група изследователи, ръководени от Ева Бласко от университета в Хайделберг, създадоха 4D отпечатани микроструктури , които могат да увеличат размера си с почти един порядък и/или да променят своята твърдост – ставайки по-меки или по-твърди спрямо първоначалното си състояние. Екипът откри специални полимерни материали, способни да образуват динамични ковалентни връзки и използва 3D принтери за отпечатване на своите обекти, работещи на принципа на полимеризация, където лазерен лъч точка по точка излага полимера, който се втвърдява под въздействието на видима светлина на определен дължина на вълната.

Photo\smartdust-17 Микроскопични 4D отпечатани произведения променят формата си под въздействието на температурата (източник: Университет на Хайделберг)

Обикновено този метод, който е добре познат от дълго време, се използва в масовия 3D печат специално за производството на миниатюрни обекти. В макроскопичен мащаб това е просто неефективно - отнема твърде много време (като се има предвид малката площ на напречното сечение на лазерния лъч), за да се експонира последователно дори един квадратен сантиметър. На микро ниво обаче това не е проблем и тук са полезни веществата с динамични ковалентни връзки, открити от групата на Бласко. В присъствието на специални катализатори тези връзки се образуват или разкъсват, като по този начин се дава възможност на полимера, образуван в 3D принтер, да промени своите физически параметри: обем и твърдост.

Обекти, направени чрез лазерна полимеризация от смес, съдържаща вещества с динамични ковалентни връзки, след това бяха поставени в течност, съдържаща мономера стирен (стирен)., който от своя страна се превръща в полистирен. Когато при нагряване субстанцията в детайла освобождава ковалентни връзки, те се затварят от нишки от полистирен - което води до увеличаване на обема на оригиналната проба, и то доста равномерно във всички посоки (с изключение, разбира се, където е субстрата разположен). Обект с характерен размер от първоначалните десетки микрони увеличава обема си приблизително осем пъти за 4 часа и благодарение на добавянето на полистирол придобива по-голяма твърдост. Друг експеримент на групата на Бласко показа, че ако пробата се нагрява без потапяне в среда от стирол, разкъсването на ковалентните връзки, които в този случай остават незатворени, води до факта, че пробата запазва първоначалната си форма, но става по-мека - точно поради до намаляване на плътността на междумолекулните съединения в полимера.

По времето на Бабидж не би било по-лесно да си представим програмируема материя, способна да се самоорганизира, отколкото да позволим прякото участие на феите в мистерията на нейното самосглобяване (източник: AI поколение, базирано на модела SDXL 1.0)

4D печатът, който се развива активно от 2012 г. насам , постигна значителен успех в създаването на материали, които могат да променят едно от свойствата си под въздействието на определен външен фактор - еднократно или със способността да се върнат в първоначалното си състояние. Предимството на работата, извършена от групата на Blasko, е, че материалът и методът, които те предлагат, засягат два параметъра на пробата наведнъж, а именно обем и твърдост. Да, разбира се, това също е само демонстрация на възможности - такъв специално проектиран полимер все още далеч не е компетентен материал. Въпреки това, има шанс, че разработването на такива материали буквално ще преодолее празнината между „потапянето“ и „аварийните“ подходи към създаването на програмируема материя.

Може би, ако „умните прахови частици“ започнат да взаимодействат не директно, а чрез слой от вещество, получен чрез 4D печат, и променят свойствата си локално, действайки като центрове за кристализация в стопилка, това ще направи възможно да се задоволите с монадите налични днес - далеч от нанотехнологиите - за създаване на програмируема материя с доста широка функционалност. Достатъчно , за да привлече отново вниманието на инвеститори и/или бюджетни програми за финансиране на напреднали ИТ области – и по този начин да даде нов тласък на тази, без съмнение, вълнуваща посока в развитието на високите технологии.

 

 

==================================================================================

 

⇣ Съдържание

• Навсякъде (самоорганизиращ се) живот
• Магнитът е ваш, нашите задачи
• Рисуване на аналогии
• От камъчета до глина
• Пясък, който (още?) не пада
• Затваряне на кръга