Представьте, что вы сидите перед телевизором в гостиной и засыпаете под очередной эпизод любимого сериала. Идти в спальню не хочется, поэтому по щелчку пальцев кресло под вами превращается в мягкую кровать. Звучит как фантастика, но именно над этим сейчас работают учёные — и совсем не «британские» из мемов.
Программируемая материя
Программируемая материя — это материал, физические свойства которого могут изменяться в соответствии с поставленной человеком задачей или автономно, под воздействием внешних факторов.
Помните, как Роберт Патрик в роли Т-1000 в фильме «Терминатор 2: Судный день» восстанавливался после повреждений, перенимал образы других людей, а его руки превращались в острые лезвия? Это воплощение программируемой материи.
Впервые о ней заговорили в 1991 году Томмазо Тоффоли и Норман Марголус — исследователи Массачусетского технологического института.
Более чем за 30 лет в этой области сформировалось несколько направлений. Одно из них — синтетическая биология, направленная на создание клеток с биологическими функциями, которые можно запрограммировать на изменение цвета и формы. Другой путь связан с управлением роботами: это сфера клэйтроники.
Что такое клэйтроника
Клэйтроника — программируемая материя, состоящая из множества крошечных роботов, взаимодействующих друг с другом для физического отображения трёхмерных форм.
В 2005 году представители Университета Карнеги — Меллона и исследовательского центра Intel в Питтсбурге опубликовали статью, посвящённую клэйтронике. Идея заключается в создании физического артефакта, способного имитировать форму, движение, внешний вид, звук и тактильные характеристики исходного объекта.
Люди смогут прикоснуться к самоизменяющейся «глиняной» модели, реагирующей на команды человека и формирующей физические объекты, подержать её в руках или воспользоваться при решении повседневных задач. В основе материи — клэйтронные атомы, или к-атомы, программируемые микророботы.
К-атомы должны уметь:
-
перемещаться в трёх измерениях по отношению к другим к-атомам;
-
присоединяться к другим к-атомам с сохранением трёхмерной формы;
-
взаимодействовать с другими к-атомами в ансамбле (группе);
-
вычислять информацию о текущем состоянии с возможной помощью других к-атомов.
В предварительном проекте каждый к-атом содержал процессор, сетевое устройство связи, однопиксельный дисплей, один или несколько датчиков, средство передвижения и механизм присоединения к другим к-атомам.
Первые прототипы к-атомов были диаметром 44 мм, оснащались 24 электромагнитами и могли двигаться только в двух измерениях.
Задача разработчиков — создание клэйтронных атомов размером меньше миллиметра (как песчинка) без движущихся элементов и с соответствием перечисленным условиям. Учитывая размеры, количество к-атомов для воспроизведения одного объекта может достигать миллионов, если не миллиардов.
Как организуют работу к-атомов
Чтобы организовать к-атомы для выполнения общей задачи, исследователи создали два языка программирования: Meld и Locally Distributed Predicates (LDP).
Meld — декларативный язык, предназначенный для программирования массивных ансамблей, а не отдельных к-атомов. По словам исследователей, программы на этом языке дают результаты, сравнимые с программами, написанными на С++, но при этом выполняются в 20–30 раз быстрее.
Этот язык управляет движением как непрерывным процессом выработки правил. Каждый робот движется или готов к перемещению до тех пор, пока не будут выполнены все правила, регулирующие местоположение, а ансамбль не займёт конечное положение.
Если вы знаете C++, можете поиграть с визуальным симулятором с помощью опенсорсной библиотеки для микророботов DiMEMS. Это пока что «гигантская клэйтроника»: каждый робот размером с монетку. Зато их можно создать уже сейчас, это несложно и недорого.
LPD — язык программирования, управляющий локальными группами модулей. Он использовался на ранних стадиях исследования, программируя локально и фокусируясь на ограниченном количестве модулей в контактных группах.
Что будет, когда учёные достигнут цели
При переходе от исследований к практической реализации клэйтроника может прийти в нашу жизнь в различных формах.
Одна из таких форм — физическое присутствие людей, фактически находящихся за сотни или тысячи километров от нас. Представьте, что у вас дома будет стоять некая ёмкость с миллионами к-атомов. Подключив её к специальной программе и созвонившись с другом, вы сможете дать ансамблю команду, и через несколько мгновений нанороботы соберутся в реальную, осязаемую и говорящую копию собеседника.
Специалистам разных отраслей — например, хирургам или педагогам — для проведения сложных операций или школьных уроков будет достаточно материи, способной превращаться в любой необходимый инструмент. Применение клэйтроники ограничивается лишь воображением. Вопрос в том, когда мы узнаем, насколько реалистичны наши фантазии.
Сколько ещё ждать
Основные задачи, которые нужно решить для реализации технологии, упираются в миниатюризацию, коммуникации, энергетику и материаловедение.
-
Размер и форма. Первые прототипы к-атомов перемещались в двухмерном пространстве, толкая и притягивая друг друга. Их размер — 44 мм, а нужно не больше 1 мм, то есть уменьшение минимум в 44 раза. И это должны быть не просто песчинки, а устройства, способные выполнять необходимые функции. Причём форму нужно изменить с цилиндрической на сферическую, чтобы нанороботы могли перемещаться качением.
-
Коммуникация и координация. Мало того что нужна автономная работа нанороботов — они должны взаимодействовать, координируя своё поведение в пределах ансамбля. Для этого необходимы надёжные алгоритмы и средства связи.
-
Питание. К-атомы должны иметь надёжные и долговечные источники питания — и проблема их создания тоже связана с размером.
-
Материал. Превращение гаечного ключа в отвёртку, кажется, не вызывает особых трудностей. Но что с необходимостью превратить набор к-атомов в реального человека, который кроме твёрдых костей имеет мягкие ткани?
Исследователь Intel Джейсон Кэмпбелл в 2008 году предположил, что ждать придётся от двух лет до полувека. Треть максимального срока уже позади. Ну что, потерпим?
