La materia programable es materia que puede cambiar sus propiedades físicas (forma, densidad, estructura, propiedades ópticas, etc.) de forma programable , a través de percepciones definidas por el usuario o autónomas. La materia programable se relaciona así con el concepto de un material que tiene una capacidad inherente para realizar el procesamiento de información . Consiste en computadoras moleculares .
El término "materia programable" fue acuñado originalmente en 1991 por Toffoli .y Margoluspara denotar un conjunto de componentes informáticos de grano fino ubicados en el espacio. [1] Su artículo describe una base computacional que consta de nodos computacionales de grano fino distribuidos espacialmente que se comunican interactuando solo con sus vecinos más cercanos. En este sentido, la materia programable se refiere a modelos computacionales similares a los autómatas celulares y los autómatas de gas de red. [2] La arquitectura CAM-8 es un ejemplo de una implementación de hardware de este modelo. [3] Esta función también se conoce como "campos de referencia digital" en algunas secciones de la ciencia de las máquinas autorreplicantes. [cuatro]
A principios de la década de 1990, apareció una cantidad significativa de trabajo en el campo de la robótica modular reconfigurable con una filosofía similar a la materia programable.
Cuando las nanotecnologías y las tecnologías de materiales semiconductores y máquinas autorreplicantes alcanzaron cierto nivel, el uso del término "materia programable" cambió, ya que se abrieron posibilidades completamente nuevas. Se hizo disponible para construir tales conjuntos de elementos que pueden "programarse" para que sus propiedades físicas cambien en la realidad, y no solo en el modelo. Así, bajo la materia programable se empezó a entender “cualquier conjunto de sustancias que pueden ser programadas para cambiar sus propiedades físicas”.
En el verano de 1998, en una discusión sobre átomos artificiales y materia programable, Wil McCarthy y G. Schneider acuñaron el término piedra de pozo cuántico del inglés. - "piedra de pozo cuántica" (o simplemente "piedra de pozo") para describir su forma hipotética pero plausible de materia programable. McCarthy usó el término en sus novelas.
En 2002, Seth Goldstein y Todd Mowry iniciaron el Proyecto Claytronics de la Universidad Carnegie Mellon para investigar los mecanismos subyacentes de hardware y software necesarios para implementar materia programable.
En 2004, el grupo de ciencia y tecnología de la información de DARPA exploró el potencial para crear materia programable. Los resultados de la investigación realizada en 2005-2006 se publicaron en el informe "Realización de materia programable", que sentó las bases para un plan de investigación de materia programable de varios años.
En 2007, la materia programable fue objeto de una licitación de DARPA para planes de investigación y desarrollo. [5] [6]
De acuerdo con una de las ideas del pensamiento creativo, la programación se considera externa a la materia, por lo que la materia puede cambiar de propiedades a propósito cuando se expone a la luz, campos eléctricos o magnéticos, etc. [7] Por ejemplo, dentro de esta escuela, una pantalla de cristal líquido es una de las formas de materia programable. Los defensores de la segunda escuela creen que si los elementos individuales de una determinada población pueden realizar cálculos, como resultado de estos cálculos, es posible cambiar las propiedades físicas de toda la población. Un ejemplo de esta dirección más ambiciosa en el desarrollo de materia programable es la arcillatrónica , en la que el resultado de los cálculos de los elementos de un agregado es un cambio en su forma .
Ahora se han propuesto muchas concretizaciones de materia programable, que pueden ubicarse condicionalmente en una cierta escala que tiene la dimensión de longitud. En un extremo del espectro estará la robótica modular reconfigurable, en la que los elementos individuales de las estructuras están dentro de un rango de centímetro de distancia entre sí. [8] [9] En el extremo nanométrico del espectro, hay una gran cantidad de concretizaciones diferentes de materia programable, que van desde métodos para cambiar moléculas hasta puntos cuánticos . [10] En realidad, los puntos cuánticos a menudo se denominan átomos artificiales. En el rango de micras a submilimétricas de nuestra escala se encuentran la arcillatrónica, los sistemas microelectromecánicos , las células creadas mediante biología sintética y el concepto de niebla utilitaria .
Dado que se han desarrollado muchos conceptos de materia programable, han surgido muchas áreas de investigación científica, utilizando el mismo nombre para su dirección. A continuación se muestran algunos ejemplos específicos de materia programable.
Incluye materiales que pueden cambiar sus propiedades en función de algunas señales de entrada, pero por sí mismos no hacen cálculos complejos.
Fluidos complejosLas propiedades físicas de algunos líquidos complejos se pueden modificar aplicando corriente o voltaje, como es el caso de los cristales líquidos .
Metamateriales - cristalesLos metamateriales son compuestos artificiales que tienen una interacción química tan controlada que no ocurre en la naturaleza. Un ejemplo es el material desarrollado por David Smith y posteriormente por John Pendry y David Shuri, que tiene su índice de refracción ajustado para que pueda tener diferentes valores en diferentes puntos del material. Si la configuración se realiza de manera adecuada, entonces se puede hacer una "capa de invisibilidad" a partir de dicha sustancia.
Moléculas que cambian de formaUn 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 usar solas o en masa para formar nuevos tipos de materiales. Por ejemplo, el grupo de Fraser Stoddart en la Universidad de California está desarrollando moléculas que pueden cambiar sus propiedades eléctricas. [once]
La robótica modular autoconfigurable (SMR) es un campo de la robótica cuyo objetivo es crear grupos de módulos robóticos que trabajen juntos, que deben cambiar dinámicamente de forma y crear un tipo de comportamiento adecuado para realizar tareas. Al igual que otro tipo de materia programable, CPM busca ofrecer algún tipo de mejora en objetos o sistemas de cualquier naturaleza introduciendo nuevas funcionalidades, por ejemplo:
La robótica modular autoconfigurable disfruta de un fuerte y activo apoyo por parte de la comunidad investigadora. Se puede encontrar más información y enlaces en el sitio web: [12]
ClaytronicsClaytronics es una nueva rama de las ciencias técnicas asociada con robots reconfigurables a nanoescala (átomos de arcilla o k-átomos) diseñados para crear máquinas y mecanismos más grandes. Los átomos K son computadoras de tamaño submilimétrico, y eventualmente deberían poder moverse, comunicarse con otras computadoras, cambiar de color y conectarse electrostáticamente con otros átomos K para formar varias formas predeterminadas.
Autómatas celularesLos autómatas celulares son un concepto abstracto útil que le permite generalizar algunos de los conceptos de objetos discretos que interactúan y darles el comportamiento general deseado.
Un pozo cuántico puede contener uno o más electrones. Estos electrones, junto con el pozo cuántico, se comportan como átomos artificiales, que, como los átomos reales, pueden formar enlaces covalentes , aunque son extremadamente débiles. Otras propiedades de los pozos cuánticos también varían en un amplio rango, debido a su gran tamaño en comparación con los átomos reales.
La biología sintética es un campo de investigación destinado a crear células con "nuevas funciones biológicas". Tales células se usan comúnmente para crear sistemas grandes (como biopelículas) que pueden "programarse" para usar redes de genes sintéticos (como interruptores biestables genéticos) para que puedan cambiar su color, forma, etc.
En la ciencia ficción, la materia programable es hasta ahora principalmente el objeto de una visión del futuro. Las ideas que hay detrás se exploran en muchas obras de ciencia ficción . Por ejemplo (esta lista está lejos de ser completa):