Claytronics es un concepto abstracto del futuro, que consiste en combinar robots a nanoescala e informática para crear computadoras individuales de tamaño atómico llamadas átomos Claytron o k-átomos. Pueden entrar en contacto entre sí y crear objetos tridimensionales tangibles con los que el usuario puede interactuar. Esta idea se incluye en la idea más general de crear una materia programable [1] . Numerosos estudios y experimentos con claytronics están siendo llevados a cabo por un grupo de científicos de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh , Pensilvania , que consiste en los profesores Todd Mowry, Seth Goldstein [2] , estudiantes graduados y estudiantes, así como un grupo de investigación de la Laboratorio Intel en Pittsburgh [3] , por Sheffield Robotics [4] [2] . Claytronics tiene el potencial de tener un impacto significativo en muchas áreas de la vida diaria, como las telecomunicaciones , la interfaz hombre-computadora y la industria del entretenimiento .
La investigación actual se centra en la creación de robots reconfigurables modulares y el desarrollo de los sistemas de software necesarios para controlar robots de "forma". Los predicados distribuidos localmente (LRP) son un lenguaje de programación distribuido de alto nivel para diseñar sistemas de robots reconfigurables modulares (MRR). Hay muchos problemas asociados con la programación y gestión de un gran número de sistemas modulares discretos debido a los muchos grados de libertad a los que corresponde cada módulo. Por ejemplo, la reconfiguración de una estructura a otra puede requerir una ruta de viaje larga impulsada por una cadena compleja de comandos, incluso si las dos estructuras difieren solo ligeramente [5] .
En 2005, los esfuerzos de los investigadores para desarrollar un concepto de hardware en el rango milimétrico de la escala de tamaño tuvieron éxito. Se crearon prototipos cilíndricos de 44 mm de diámetro que interactúan entre sí a través de un campo electromagnético . Estos experimentos ayudaron a los investigadores a establecer una relación entre la masa y la fuerza de enlace potencial entre los objetos, que se puede formular de la siguiente manera: "La reducción de 10 veces en el tamaño conduce a un aumento de 100 veces en la fuerza en relación con la masa" [1] . Los últimos logros en el desarrollo de tales prototipos son robots cilíndricos con un diámetro de aproximadamente un milímetro, fabricados con tecnología de película delgada mediante fotolitografía . Interactúan entre sí utilizando un software complejo que controla la atracción y repulsión electromagnética entre los módulos [6] .
El incentivo activador para el desarrollo de software es la disponibilidad de dispositivos que se modifican a sí mismos en una dirección determinada. Claytronics, por definición, es una colección de componentes individuales llamados átomos Claytron o k-átomos. Para ser viables, los k-átomos deben satisfacer una serie de criterios. Primero, los k-átomos deben poder moverse en el espacio tridimensional entre sí y conectarse entre sí, formando estructuras tridimensionales. En segundo lugar, los k-átomos deben poder comunicarse entre sí y poder procesar información sobre la estructura de la estructura, posiblemente con la ayuda de los demás. Esencialmente, los k-átomos consisten en procesadores , dispositivos de comunicación de red , una pantalla de un solo píxel , múltiples sensores , una batería integrada y medios para conectarse entre sí [1] .
Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han desarrollado varios prototipos de k-átomos. Van desde pequeños cubos hasta globos gigantes llenos de helio [7] . El prototipo que más esperan los desarrolladores como futuro k-átomo es un k-átomo plano. Tiene la forma de un cilindro con un diámetro de 44 mm, que está equipado con 24 electroimanes ubicados alrededor de su circunferencia. El movimiento de los k-átomos se lleva a cabo de forma conjunta encendiendo y apagando electroimanes para rodar sobre la superficie del otro. En cada momento del tiempo, solo se suministra energía a un electroimán de cada k-átomo. Estos prototipos pueden reconfigurarse con bastante rapidez. Desconectar dos bloques, pasar a otro punto de contacto y una nueva conexión tarda unos 100 ms . La energía se suministra a los k-átomos a través de patas especiales en la parte inferior del cilindro. Las cintas conductoras sobre la mesa suministran la energía necesaria [8] .
Los diseños actuales de k-átomos solo permiten el movimiento en dos dimensiones entre sí, pero los futuros k-átomos deberán moverse en tres dimensiones. El objetivo de los científicos es desarrollar k-átomos de tamaño milimétrico sin piezas móviles para garantizar una alta capacidad de fabricación. Millones de estos microrobots podrán emitir luz de intensidad variable y colores diferentes, lo que les permitirá utilizarlos para la representación física dinámica (creación de pinturas). Para implementar tales estructuras, el objetivo local del desarrollo se transfirió a la creación de k-átomos bastante simples que funcionan solo como parte de un conjunto y, junto con el conjunto como un todo, son capaces de realizar funciones más complejas [9] .
A medida que los k-átomos se reduzcan de tamaño, la batería integrada necesaria para hacerlo funcionar pronto superará el tamaño del propio k-átomo, por lo que se necesitarán soluciones alternativas para resolver los problemas energéticos. Actualmente se investiga sobre la nutrición de todos los k-átomos del conjunto, sobre el uso del contacto de un k-átomo con un k-átomo como medio de transporte de energía. En una de las opciones se estudia la posibilidad de utilizar una mesa especial con electrodos positivos y negativos y transferir energía a k-átomos mediante "cables virtuales".
Otra tarea importante es desarrollar conectores únicos universales para k-átomos, de modo que el tiempo de reconfiguración se mantenga al mínimo. Las nanofibras proporcionarán una posible solución a este problema [10] . Las nanofibras permiten una alta cohesión en tamaños pequeños y proporcionan un bajo consumo de energía cuando los k-átomos están en reposo.
La organización de todas las conexiones e interacciones entre millones de k-átomos en una escala submilimétrica requiere el desarrollo de nuevos algoritmos y lenguajes de programación. Los investigadores e ingenieros del Carnegie Mellon-Intel Claytronics Lab han comenzado una amplia gama de proyectos de desarrollo de software para facilitar el desarrollo de interacciones entre k-átomos. Los proyectos más importantes incluyen el desarrollo de nuevos lenguajes de programación que permitan un uso más eficiente de las capacidades de Claytronics. El propósito de Claytron Matrix es formar dinámicamente objetos 3D. Pero la gran cantidad de k-átomos en este sistema distribuido aumenta la complejidad de la microgestión de cada k-átomo. Cada k-átomo debe recibir información precisa sobre su ubicación y ejecutar comandos para interactuar con sus vecinos. En este entorno, el lenguaje de programación para operaciones matriciales debe contener declaraciones concisas para comandos de alto nivel para que puedan propagarse rápidamente a través de la red. El lenguaje de programación matrix requiere una sintaxis y un estilo de instrucción más concisos que los lenguajes de programación convencionales como C++ o Java [11] .
Carnegie Mellon-Intel Claytronics Lab ha creado dos nuevos lenguajes de programación: Meld y Locally Distributed Predicates (LRP).
Meld es un lenguaje declarativo , un lenguaje de programación lógico originalmente destinado a la programación de redes superpuestas [12] . Con la programación lógica, el código de un conjunto de robots se puede interpretar desde una perspectiva global, lo que permite que el programador se concentre en el rendimiento general de Claytron Matrix en lugar de escribir instrucciones individuales para cada uno de los varios miles o millones de k-átomos en el conjunto. [13] Esto simplifica enormemente el proceso de pensamiento al programar el movimiento de Claytron Matrix.
LDP es un lenguaje de programación reactivo . Se utilizó para la depuración en investigaciones anteriores. Además de un lenguaje que permite al programador describir operaciones al diseñar una matriz de formas, LDP puede usarse para analizar condiciones locales distribuidas [14] . Puede funcionar con un grupo asociado de módulos de tamaño fijo, proporcionando varias funciones de gestión del estado de configuración. Los programas que apuntan a módulos de tamaño fijo en lugar de a toda la población permiten a los programadores trabajar con matrices Claytron con mayor frecuencia y eficiencia. LDP también proporciona medios para coordinar la interacción de estructuras distribuidas. Esto le permite al programador manipular un conjunto más amplio de variables lógicas booleanas , lo que permite que el programa busque objetos más grandes para una interacción activa y construya una estrategia de comportamiento entre grupos de módulos [5] .
La manifestación de errores entre miles y millones de k-átomos individuales es difícil de detectar y corregir, por lo tanto, las operaciones de matriz de Claytron requieren un procedimiento de detección y depuración de errores dinámico e independiente . Los investigadores de Claytronics han desarrollado puntos de interrupción distribuidos, un algoritmo de nivel de enfoque para detectar y corregir errores que no se detectan con los métodos de depuración tradicionales [15] . Este algoritmo determina los nodos que se monitorean para determinar la verdad de los estados distribuidos. [16] Este enfoque proporciona un conjunto simple y descriptivo de reglas para estimar estados distribuidos y es efectivo en la detección de errores.
Dos clases importantes de algoritmos de Claytronics son los algoritmos de creación y localización de formas. El objetivo final de la investigación de Claytronics es crear movimiento en tres dimensiones. Todos los estudios de desplazamiento de k-átomos, activación colectiva y control de movimiento jerárquico se basan en un algoritmo de creación de formas para llevar los k-átomos a la estructura requerida, lo que proporcionará fuerza y una transición suave a un conjunto dinámico. Los algoritmos de localización proporcionan k-átomos con la posibilidad de encontrar sus posiciones en el conjunto [17] . Además, los algoritmos de localización deben proporcionar un conocimiento relativo preciso de los k-átomos de toda la matriz como un todo, basándose en la observación de un sistema completamente distribuido en presencia de ruido.
A medida que se agoten las posibilidades de desarrollar módulos robóticos, Claytronics se volverá útil en muchas aplicaciones. Las futuras aplicaciones de Claytronics se relacionan con nuevos métodos de comunicación. Claytronics puede ofrecer una sensación realista de conexión a largas distancias, llamada "pario". Así como la información de audio y video crea efectos auditivos y visuales, pario proporciona sensaciones auditivas, visuales y físicas simultáneamente. El usuario podrá oír, ver y tocar el objeto de comunicación de una forma totalmente realista. Pario se puede utilizar con eficacia en muchas disciplinas profesionales desde el diseño de ingeniería, la educación y la salud, el entretenimiento y el ocio, por ejemplo, en los videojuegos [18] .
Es posible realizar los avances en nanotecnología e informática necesarios para Claytronics, pero requerirá resolver grandes problemas e introducir muchas innovaciones. En una entrevista de diciembre de 2008, Jason Campbell, líder del equipo de investigación en el laboratorio de Intel en Pittsburgh, dijo: “Mis estimaciones de cuánto tiempo llevaría un estudio oscilaron entre 50 años y sólo un par de años. Y esto es desde hace unos cuatro años que estoy trabajando en el proyecto” [19] .