Kraj dugog dana u svom stanu srećete početkom 2040 -ih. Napravili ste dobar posao i odlučili ste uzeti pauzu. "Vrijeme za film!", Kažete. Dom reagira na vaše nagone. Stol se dijeli na stotine sićušnih komadića koji gmižu ispod vas i poprimaju oblik stolice. Zaslon računala na kojem ste radili širi se po zidu i pretvara se u ravnu projekciju. Opuštate se u naslonjaču i za nekoliko sekundi već gledate film u svom kućnom kinu, sve unutar ista četiri zida. Kome treba više od jedne sobe?

Ovo je san onih koji rade na "programabilnoj materiji".

U svojoj posljednjoj knjizi o umjetnoj inteligenciji, Max Tegmark razlikuje tri razine računalne složenosti organizama. Life 1.0 su jednostanični organizmi poput bakterija; za nju se hardver ne razlikuje od softvera. Ponašanje bakterije kodirano je u njezinoj DNK; ne može naučiti ništa novo.

Život 2.0 je život ljudi na spektru. Nekako smo zaglavili sa svojom opremom, ali možemo promijeniti vlastiti program, donoseći odluke u procesu učenja. Na primjer, možemo učiti španjolski umjesto talijanskog. Slično upravljanju prostorom na pametnom telefonu, hardver mozga omogućuje vam preuzimanje određenog skupa "džepova", ali u teoriji možete naučiti nova ponašanja bez promjene genetskog koda.

Life 3.0 odmiče se od ovoga: stvorenja mogu promijeniti i hardversku i softversku ljusku pomoću Povratne informacije... Tegmark ovo vidi kao pravu umjetnu inteligenciju - čim nauči promijeniti svoj osnovni kôd, doći će do eksplozije inteligencije. Možda bismo zahvaljujući CRISPR -u i drugim tehnikama uređivanja gena mogli koristiti vlastiti "softver" za izmjenu vlastitog "hardvera".

Programabilna materija donosi ovu analogiju objektima našeg svijeta: što ako bi vaš kauč mogao "naučiti" kako postati stol? Što bi bilo da ste umjesto vojske švicarskih noževa s desecima alata na vaše zapovijed imali jedan alat koji je "znao" postati bilo koji drugi alat za vaše potrebe? U prepunim gradovima budućnosti kuće bi se mogle zamijeniti stanovima s jednom sobom. Time bi se uštedio prostor i resursi.

U svakom slučaju, ovo su snovi.

Budući da je tako teško stvoriti i proizvesti pojedinačne uređaje, nije teško pretpostaviti da se gore opisane stvari mogu pretvoriti u mnoge različite predmete bit će izuzetno teško. Profesor Skylar Tibbits s MIT -a naziva to 4D tiskom. Njegov je istraživački tim identificirao ključne sastojke za samostalnu montažu kao jednostavan skup odgovarajućih gradivnih blokova, energija i interakcija iz kojih se može ponovno stvoriti gotovo svaki materijal i proces. Samo-montaža obećava proboje u mnogim industrijama, od biologije do znanosti o materijalima, računalnih znanosti, robotike, proizvodnje, prijevoza, infrastrukture, graditeljstva, umjetnosti i još mnogo toga. Čak i u kuhanju i istraživanju svemira.

Ti su projekti još u povojima, ali Tibbitsov laboratorij za samo-montažu i drugi već postavljaju temelje za svoj razvoj.

Na primjer, postoji projekt za samostalnu montažu mobitela. Padaju mi ​​na pamet jezive tvornice u kojima se mobilni telefoni 24 sata samostalno sastavljaju iz 3D ispisanih dijelova, bez potrebe za ljudskom ili robotskom intervencijom. Malo je vjerojatno da će takvi telefoni letjeti s polica poput vrućih kolača, ali troškovi proizvodnje u okviru takvog projekta bit će zanemarivi. Ovo je dokaz koncepta.

Jedna od glavnih prepreka koje treba prevladati pri stvaranju programabilne materije je odabir pravih temeljnih blokova. Ravnoteža je važna. Da biste stvorili male detalje, nisu vam potrebne velike "cigle", inače će konačni dizajn izgledati grubo. Zbog toga građevni blokovi mogu biti beskorisni za neke aplikacije - na primjer, kada trebate stvoriti alate za suptilne manipulacije. S velikim komadima može biti teško modelirati brojne teksture. S druge strane, ako su dijelovi premali, mogu se pojaviti drugi problemi.

Zamislite postavku u kojoj svaki detalj predstavlja mali robot. Robot mora imati izvor napajanja i mozak, ili barem neku vrstu generatora signala i procesor signala, sve u jednoj kompaktnoj jedinici. Možete zamisliti da se brojne teksture i napetosti mogu modelirati promjenom čvrstoće "veze" između pojedinih jedinica - stol bi trebao biti malo tvrđi od vašeg kreveta.

Prve korake u tom smjeru napravili su oni koji razvijaju modularne robote. Mnoge skupine znanstvenika rade na tome, uključujući MIT, Lausanne i Sveučilište u Bruxellesu.

U najnovijoj konfiguraciji, jedan robot djeluje kao središnji odjel za donošenje odluka (možete ga nazvati i mozgom), a dodatni se roboti mogu pridružiti ovom središnjem odjelu po potrebi ako je potrebno promijeniti oblik i strukturu cjelokupnog sustava. U sustavu sada postoji samo deset zasebnih jedinica, ali opet, ovo je dokaz koncepta da se modularnim robotskim sustavom može upravljati; možda će u budućnosti male inačice istog sustava biti temelj komponenti za Material 3.0.

Lako je zamisliti kako se koriste algoritmi strojno učenje ti rojevi robota uče svladavati prepreke i lakše i brže reagirati na promjenu okruženja od jednog robota. Na primjer, robotski sustav mogao bi se brzo obnoviti tako da metak prođe bez oštećenja, tvoreći tako neranjiv sustav.

Kad smo već kod robotike, oblik idealnog robota bio je predmet mnogih rasprava. Jedno od nedavnih velikih natjecanja u robotici čiji je domaćin DARPA, Robotics Challenge, pobijedio je robot koji se može prilagoditi. Pobijedio je slavnog humanoida Boston Dynamics ATLAS jednostavnim dodavanjem kotača koji mu je omogućio vožnju.

Umjesto izgradnje robota u obliku ljudi (iako je ponekad to korisno), možete im dopustiti da se razvijaju, razvijaju, pronađu idealan oblik za dovršetak zadatka. To će biti osobito korisno u slučaju katastrofe, kada skupi roboti mogu zamijeniti ljude, ali moraju biti spremni prilagoditi se nepredvidivim okolnostima.

Mnogi futuristi zamišljaju mogućnost stvaranja sićušnih nanobota koji od sirovina mogu stvoriti bilo što. Ali ovo nije obavezno. Programabilna tvar koja može reagirati i odgovoriti na okoliš bit će korisna u bilo kojoj industrijskoj primjeni. Zamislite cijev koja se po potrebi može ojačati ili oslabiti ili promijeniti naredbu smjera strujanja. Ili tkanina, koja može postati manje ili više gusta ovisno o uvjetima.

Još smo daleko od dana kada se naši kreveti mogu pretvoriti u bicikle. Možda će tradicionalno netehnološko rješenje, kao što se često događa, biti mnogo praktičnije i ekonomičnije. No, kako osoba pokušava ugurati čip u svaki nejestivi predmet, neživi će objekti svake godine postajati malo živahniji.

Rijetko tehnički projekt od vremena prvih koraka kozmonautike potaknuo je maštu novinara i futurologa. Nekoliko dizajnerskih ideja moglo bi nas natjerati da toliko vjerujemo u stvarnost tehno-noćne more "Transformersa" ili u materijalizaciju duhova koji su se spustili izravno s ekrana. Slike budućnosti crtaju se jedna po jedna primamljivije. Liječnik je pozvan na bolesnog polarnog istraživača (bušilica, astronaut, Indiana Jones-2050). Događa se, naravno, kamo će obična kola hitne pomoći otići u vječnost, ako uopće postoje. I pomoć je potrebna odmah. Pacijent ima samo računalo na koje je spojen vrlo čudan periferni uređaj, koji najviše nalikuje koritu pijeska. Širok satelitski komunikacijski kanal povezuje zimsku kolibu, kamp ili svemirsku postaju s uredom svjetiljke medicine. Ne, ne, gospodin profesor iz New Yorka ili Tokija uopće nije spreman na prvi poziv da pojuri na aerodrom ili na kozmodrom. Da, nije potrebno. Uostalom, sada će se dogoditi malo čudo. Pijesak u koritu počinje se miješati, pomicati, gomilati hrpe, koje se isprva doimaju bezobličnima, a na kraju se pretvaraju u ljudski lik. Vanjski izgled "pješčanog čovjeka" (kako se ovdje opet ne sjećati Hollywooda i njegove komične sage o Spider-Manu) ne razlikuje se od časnog liječnika koji je udaljen tisućama i tisućama kilometara. Lik točno ponavlja sve liječnikove pokrete, lice jedan na jedan reproducira izraze lica, a stisak ruke fantoma koji se uzdiže iz prašine pouzdano prenosi mekoću i elastičnost ljudskog dlana. Liječnikov dvojnik, naravno, nije ograničen na vizualni pregled pacijenta. Udaraljke, palpacija, auskultacija - ruke fantoma djeluju u skladu s manipulacijama glavnog grada Eskulapa. Nažalost, dijagnoza je bila ozbiljnija nego što se očekivalo. Bit će potrebna operacija. A iskusni liječnik spreman je pacijenta izrezati na daljinu. Naravno, uz pomoć dvojnika koji je nastao iz korita. Ako se pokaže da nema dovoljno kirurških instrumenata, morat će se "materijalizirati" na licu mjesta - još uvijek postoji zaliha čarobnog pijeska ...

"Ne mislite li da je ovo zanimljivo?" - upitao je dr. Mortimer Sherlock Holmes, nakon što je pročitao legendu o prokletstvu obitelji Baskerville. "Zanimljivo za ljubitelje bajki", odgovorio je veliki detektiv. Nije li tako, nakon priče o fantomskom kirurgu ove se riječi još uvijek vrte po jeziku? No, na Sveučilištu Carnegie Mellon (Pittsburgh, SAD) postoje ljudi koji ne samo da vjeruju da će prije ili kasnije takve bajke postati stvarnost, već već rade na tehnologijama zahvaljujući kojima će supermaterijal budućnosti jednog dana ući u naše živote.

Taktilni podaci

Već šest godina skupina vizionarskih istraživača predvođena pomoćnim profesorom Sveučilišta Carnegie Mellon Sethom Goldsteinom i direktorom Intelovog istraživačkog laboratorija u Pittsburghu, Toddom Mowryjem, razvija jedno od najuzbudljivijih područja modularne robotike.

Uz ostale projekte za stvaranje modularnih robota, dizajn skupine istraživača Sveučilišta Carnegie Mellon ističe se svojim najrevolucionarnim pristupom i izvornom ideologijom. Ovdje se ne radi samo o sastavljanju specijaliziranog robota od najjednostavnijih standardnih modula, već o pojavi jedinstvenog "inteligentnog" materijala sposobnog reproducirati opipljive, pa čak i pokretne trodimenzionalne slike gotovo svih čvrstih objekata. Takav materijal otvara put novoj vrsti elektroničke komunikacije koja će omogućiti povezivanje još jednog osjetila s percepcijom slika koje se prenose digitalnim mrežama - dodir. Osoba će moći komunicirati s tim slikama kao s objektima. materijalni svijet pa čak i kao sa živim bićima.

Čarobni pijesak, o kojem je bilo riječi na početku ovog članka, prema riječima programera neće postati ništa drugo do masa robotskih modula veličine milimetra. Svaki od ovih modula će, međutim, obavljati nekoliko važnih funkcija. Istovremeno će postati pokretač, prijemnik-odašiljač digitalnih podataka, vodič napajanja i senzor. U idealnom slučaju, za stvaranje najrealnijih slika reproduciranih objekata, površina modula bit će prekrivena mikroskopskim LED diodama, koje će u cijelosti djelovati kao svjetleći pikseli, prikladni za dobivanje tekstura u boji.

Naziv materijala koji se sastoji od modularnih robota i za cijeli projekt na engleskom jeziku zvuči kao Slaytronics, iz Engleske riječi glina i elektronika. Autori projekta dali su modularnom robotu samo ime catom (mačka; od claytronics i atom).

Kako izgleda trenutna faza rada na projektu Claytronics? Čak i sami očevi utemeljitelji priznaju da je prijenos pokretnih trodimenzionalnih slika na daljinu još uvijek jako, jako daleko. Dok su u tijeku istraživanja u području osnovnog dizajna katoma, metoda i algoritama za njihovu interakciju, za koje se koriste makromodeli koji djeluju u dvodimenzionalnom koordinatnom polju. Ravni (ravni) katomi cilindrični su uređaji promjera poprečnog presjeka 45 mm, postavljeni okomito i kreću se na ravnoj površini. Kao što vidite, zrnca pijeska još su daleko, a broj katoma u sklopovima broji se u jedinicama.

Istodobno, jedan od ključnih pojmova u znanstvenim publikacijama grupe Seth Goldstein je riječ "skalabilnost". To znači da će dizajni katoma i tehnologije njihove interakcije u danas razvijenom sklopu omogućiti da se u budućnosti lako i bezbolno promijeni razmjer cijelog modularnog sustava uz zadržavanje njegove upravljivosti i operativnosti. Katomi će poprimiti veličine submilimetara, broj modula u sklopu povećat će se na tisuće i milijune, a sam sustav će se iz ravnine projicirati u trodimenzionalni prostor.

Roboti s mjehurićima

Interes za dizajn robota koji će se jedva vidjeti golim okom je razumljiv, a ipak Seth Goldstein i njegovi kolege stalno ponavljaju: "hardver" nije najteža stvar. Mnogo ozbiljniji izazov su softverski algoritmi za upravljanje sustavom u cjelini i za interakciju između pojedinih katoma. Jedan od najvažnijih problema modularne robotike općenito, a posebno projekta Claytronics je upravljanje velikim brojem modula, od kojih svaki ima nisko napajanje i nizak računalni potencijal. Tradicionalna metoda stvaranja algoritama kretanja za skup modula uključuje opisivanje prostora stanja cijelog sustava, odnosno čitavog skupa kombinacija u kojima se mogu nalaziti pomični moduli. Naravno, prostor stanja linearno ovisi i o broju uključenih modula i o broju stupnjeva slobode pojedinog mini-robota. Ako govorimo o tisućama ili čak milijunima katoma, tada će razvoj algoritma za upravljanje njihovim kretanjem, izgrađenog prema tradicionalnoj metodi, vjerojatno dovesti do slijepe ulice. Učinkovit način ograničavanje kretanja pojedinih modula, svođenje na svojevrsne dinamičke primitive pod kontrolom relativno jednostavnog interakcijskog algoritma, može smanjiti prostor stanja.

Ovo je put kojim su krenuli sudionici projekta Claytronics, temeljen na principu pomicanja praznina, odnosno "rupa", kao osnova za konstruiranje obrazaca. Jasnu ilustraciju ovog principa dobivamo promatrajući kipuću viskoznu masu - na primjer, topljeni sir. Mjehurići zraka, izdižući se na površinu, prvo na njoj tvore izbočine, a zatim, pucajući, ostavljaju neko vrijeme jame, udubljenja. Kad bi se moglo utjecati na ovaj proces, u pravo vrijeme popravljajući rad mjehurića, ponekad u „konveksnom“, zatim u „konkavnom“ stupnju, dobili bismo alat za davanje ovoj površini željenog oblika.

Ulogu "mjehurića" u masi katoma igrat će "rupa", koja je u znanstvenim publikacijama grupe Seth Goldstein definirana kao "kvant negativnog volumena". U dvodimenzionalnom modelu "rupa" je šupljina u obliku šesterokuta koja zauzima volumen jedne središnje katode i šest okolnih "susjeda". Po obodu praznine poredano je 12 katoma koji su označeni izrazom "pastiri". Za pomicanje "rupe" u masi katoma, dovoljno je da moduli "pastira" u svoju memoriju pohrane dva parametra: prisutnost "rupe" koju okružuju i jedan od nasumično dodijeljenih pravaca kretanja, čiji je ukupan broj šest - prema broju šesterokutnih uglova. Pokret počinje činjenicom da se "avangardni" katomi počinju pomicati prema stražnjoj strani "rupe". Zatim se obnavljaju drugi moduli "pastirske" grupe, pa se kao posljedica toga praznina pomiče za jedan korak naprijed, djelomično obnavljajući sastav svojih "pastira". Dva su važna uvjeta: prvo, u procesu kretanja, "rupa" ne smije uništiti "pastirsku" skupinu druge "rupe", i drugo, ne može napraviti pokrete koji će dovesti do gubitka dijela vlastitu “pastirsku” skupinu. Potonje će se dogoditi ako "rupa" probije granicu između mase katoma i okolnog prostora. Ako se oba ova uvjeta ne mogu ispuniti, odabire se drugačiji smjer kretanja.

Rezultat je nešto poput kaotičnog kretanja molekula u idealnom plinu. Krećući se nasumično odabranim smjerovima, "rupe" se sudaraju jedna s drugom, odbijaju se od granice mase katoma, u koju su zatvorene, bez uništavanja ove granice.

Postavlja se legitimno pitanje: ako se "rupe" kreću kaotično i ne krše granice mase katoma, kako onda daju sklopu željeni oblik? Činjenica je da je sve opisano u prethodna dva odlomka točno samo za "stanje ravnoteže". Kako bi uravnotežili rupe propisujući im drugačiji način rada, mogu ući u posebnu zonu transformacije. Cijelo polje koordinata u kojima katomi djeluju podijeljeno je u trokutaste zone jednakih veličina, nazvane "tri regije"-njihove koordinate se izvješćuju o svakom od radnih modula. Na isto polje koordinata ucrtan je geometrijski oblik objekta, koji se kao rezultat toga mora reproducirati pomoću modula. "Tri područja" kroz koja prolazi kontura budućeg objekta postaju aktivna. Jednom u njima, katomi se počinju ponašati u skladu s dvije vrste zadataka - "rast" ili "brisanje", što odgovara stvaranju izbočina ili udubljenja.

U "tri područja" programiranim za rast, catomas izgrađuju izbočinu preko postojećeg ruba mase, tvoreći novu "rupu". Naprotiv, u „tri područja“ programiranim za „brisanje“, „rupa“ koja je tamo došla dolazi do ruba mase i otvara se ostavljajući udubljenje. Postupno, konveksnost i udubljenje mijenjaju granicu mase, usklađujući je s zadanom konturom.

Ova vrsta upravljanja modularnim sustavima naziva se "stohastička rekonfiguracija". Za razliku od sustava "determinističke rekonfiguracije", u kojima je položaj svakog modula u bilo kojem trenutku vremena točno određen, ovdje se kretanje mini-robota procjenjuje i kontrolira statistički, a položaj određenog modula nije bitan. To je stohastička metoda koja je danas prepoznata kao najperspektivnija za modularne sustave s veliki iznos elementi veličine submilimetra. Slikovito rečeno, naučiti raditi s mjehurićima ključalog sira mnogo je lakše nego s pojedinim molekulama koje čine masu.

Odrežite sve nepotrebne i ... na nove horizonte

Pojava punopravne "elektroničke gline"-to jest mase katoma, koja će na zapovijed računala tvoriti pokretne trodimenzionalne slike obojene prirodnim bojama, pa čak i prenoseći svojstva površina izvorno - očevi utemeljitelji projekta Claytronics predviđaju neodređenu budućnost. Točnije, iako uz određene rezerve, određeno je vrijeme kada ćemo iz velikog broja submilimetarskih modula moći vidjeti trodimenzionalne sklopove. To bi se trebalo dogoditi za 5-10 godina. U međuvremenu, istraživači rade s makromodelima, kao i s simulacijskim programom, uz pomoć kojeg se razrađuju algoritmi za interakciju katoma. Tijekom sljedeće dvije godine planira se prelazak s dvodimenzionalnih na trodimenzionalne katome: nekoliko modula, isprva smještenih u ravnini, moći će se neovisno sastaviti u prostorni oblik-na primjer, u piramidu.

Znači li to da ne bismo trebali očekivati ​​praktične rezultate od rada grupe Seth Goldstein dok se ne pojavi potpuno funkcionalna granica? Jedan od uređaja koji se može pojaviti "na pola puta", programeri su nazvali "3D faks". U njemu će katomi moći učiniti mnogo, osim jedne stvari - neće se morati kretati relativno jedan prema drugom. Općenito načelo rada ovog uređaja je sljedeće. Predmet, čija se trodimenzionalna tiskana kopija mora prenositi na daljinu, bit će stavljen u spremnik, gdje će biti potpuno prekriven katomima. Montirajući površinu predmeta, moduli određuju svoj međusobni položaj i na taj način skeniraju parametre površine objekta, a zatim ih prenose na računalo. Na prijemnoj strani drugo računalo će izvijestiti o primljenim koordinatama spremnika s elektroničkim zrncima pijeska spojenim na njega. Unutar zadane konture, katomi će se zalijepiti jedan za drugi pod djelovanjem magnetske ili elektrostatičke sile privlačenja, dok će neiskorišteni dio mase ostati slobodan. Sada je dovoljno, prema riječima Augustea Rodina, "odrezati sve nepotrebno" - ili, točnije, otresati pijesak s gotovog oblika.

Većini nas se čini da su moderne tehnologije došle do takvih visoka razina da se jednostavno nema gdje dalje razvijati. Međutim, znanstvenici uvijek iznova opovrgavaju ovu zabludu.

Potvrda je programabilna materija koja će omogućiti dobivanje objekata s bitno različitim svojstvima iz iste strukture. Na primjer, radni stol od takvog materijala može se automatski pretvoriti u kauč i natrag na naredbu vlasnika. Slična je situacija i s ostalim stvarima, provedba ideje omogućit će kvalitativno novu razinu, olakšati život ljudima, oslobodivši ih svakodnevne rutine.

Kako bi se trebalo odvijati stvaranje materije?

Za provedbu koncepta programabilne materije moraju biti ispunjeni brojni uvjeti. Prvo, promatrati skup ispravnih temeljnih blokova: kako bi se osiguralo stvaranje velikih proizvoda, potrebne su minijaturne "cigle", inače gotova stavka neće imati geometrijski ispravan oblik.

Svaka je cigla zapravo punopravni robot, koji ima svoj izvor energije i kontrolu. Izravnu kontrolu omogućuju sustavi umjetne inteligencije. Zahvaljujući algoritmima strojnog učenja, populacije mini-robota moći će učinkovitije prevladati prepreke i prilagoditi se promjenama u okruženju. Odnosno, mikro-cigle moći će sami odrediti najprikladniji oblik za izvršavanje određenog zadatka, jer se za to ne moraju pretvoriti u humanoidni uređaj.

Opseg primjene

Iako novost postoji samo u obliku obećavajuće ideje, međutim, futurolozi tvrde da provedba može biti korisna u različitim područjima:

• u industriji;
• tijekom izgradnje zgrada i građevina;
• u svakodnevnom životu i na drugim područjima.

Već je dat primjer korištenja programabilnog materijala za domaće potrebe. Što se tiče industrijske primjene ovog koncepta, u tekstilnoj industriji, ideja se može koristiti za razvoj tkanine koja može promijeniti svoju gustoću na naredbu. U teškoj industriji princip se može utjeloviti u cijevi koja je, po naredbi, sposobna ojačati ili oslabiti, kao i promijeniti smjer protoka medija.

Budući da je tako teško projektirati i proizvoditi pojedinačne uređaje, nije teško zamisliti da će gore opisane stvari, koje se mogu pretvoriti u mnogo različitih objekata, biti izuzetno složene. Profesor Skylar Tibbits s MIT -a naziva to 4D tiskom. Njegov je istraživački tim identificirao ključne sastojke za samostalnu montažu kao jednostavan skup odgovarajućih gradivnih blokova, energija i interakcija iz kojih se može ponovno stvoriti gotovo svaki materijal i proces. Samo-montaža obećava proboje u mnogim industrijama, od biologije do znanosti o materijalima, računalnih znanosti, robotike, proizvodnje, prijevoza, infrastrukture, graditeljstva, umjetnosti i još mnogo toga. Čak i u kuhanju i istraživanju svemira.

Ti su projekti još u povojima, ali Tibbitsov laboratorij za samo-montažu i drugi već postavljaju temelje za svoj razvoj.

Na primjer, postoji projekt za samostalnu montažu mobitela. Padaju mi ​​na pamet jezive tvornice u kojima se mobilni telefoni 24 sata samostalno sastavljaju iz 3D ispisanih dijelova, bez potrebe za ljudskom ili robotskom intervencijom. Malo je vjerojatno da će takvi telefoni letjeti s polica poput vrućih kolača, ali troškovi proizvodnje u okviru takvog projekta bit će zanemarivi. Ovo je dokaz koncepta.

Jedna od glavnih prepreka koje treba prevladati pri stvaranju programabilne materije je odabir pravih temeljnih blokova. Ravnoteža je važna. Da biste stvorili male detalje, nisu vam potrebne velike "cigle", inače će konačni dizajn izgledati grubo. Zbog toga građevni blokovi mogu biti beskorisni za neke aplikacije - na primjer, kada trebate stvoriti alate za suptilne manipulacije. S velikim komadima može biti teško modelirati brojne teksture. S druge strane, ako su dijelovi premali, mogu se pojaviti drugi problemi.

Zamislite postavku u kojoj svaki detalj predstavlja mali robot. Robot mora imati izvor napajanja i mozak, ili barem neku vrstu generatora signala i procesor signala, sve u jednoj kompaktnoj jedinici. Možete zamisliti da se brojne teksture i napetosti mogu modelirati promjenom čvrstoće "veze" između pojedinih jedinica - stol bi trebao biti malo tvrđi od vašeg kreveta.

Prve korake u tom smjeru napravili su oni koji razvijaju modularne robote. Mnoge skupine znanstvenika rade na tome, uključujući MIT, Lausanne i Sveučilište u Bruxellesu.

U najnovijoj konfiguraciji, jedan robot djeluje kao središnji odjel za donošenje odluka (možete ga nazvati i mozgom), a dodatni se roboti mogu pridružiti ovom središnjem odjelu po potrebi ako je potrebno promijeniti oblik i strukturu cjelokupnog sustava. U sustavu sada postoji samo deset zasebnih jedinica, ali opet, ovo je dokaz koncepta da se modularnim robotskim sustavom može upravljati; možda će u budućnosti male inačice istog sustava biti temelj komponenti za Material 3.0.

Lako je zamisliti kako ovi rojevi robota uče svladavati prepreke i lakše i brže reagirati na promjene u okolišu od jednog robota koji koristi algoritme strojnog učenja. Na primjer, robotski sustav mogao bi se brzo obnoviti tako da metak prođe bez oštećenja, tvoreći tako neranjiv sustav.

Kad smo već kod robotike, oblik idealnog robota bio je predmet mnogih rasprava. Jedno od nedavnih velikih natjecanja u robotici čiji je domaćin DARPA, Robotics Challenge, pobijedio je robot koji se može prilagoditi. Pobijedio je slavnog humanoidnog ATLASA jednostavnim dodavanjem kotača koji mu je omogućio vožnju.

Umjesto izgradnje robota u obliku ljudi (iako je ponekad to korisno), možete im dopustiti da se razvijaju, razvijaju, pronađu idealan oblik za dovršetak zadatka. To će biti osobito korisno u slučaju katastrofe, kada skupi roboti mogu zamijeniti ljude, ali moraju biti spremni prilagoditi se nepredvidivim okolnostima.

Mnogi futuristi zamišljaju mogućnost stvaranja sićušnih nanobota koji od sirovina mogu stvoriti bilo što. Ali ovo nije obavezno. Programabilna tvar koja može reagirati i odgovoriti na okoliš bit će korisna u bilo kojoj industrijskoj primjeni. Zamislite cijev koja se po potrebi može ojačati ili oslabiti ili promijeniti naredbu smjera strujanja. Ili tkanina, koja može postati manje ili više gusta ovisno o uvjetima.

Još smo daleko od dana kada se naši kreveti mogu pretvoriti u bicikle. Možda će tradicionalno netehnološko rješenje, kao što se često događa, biti mnogo praktičnije i ekonomičnije. No, kako osoba pokušava ugurati čip u svaki nejestivi predmet, neživi će objekti svake godine postajati malo živahniji.

Njegov logičan nastavak bila je revolucionarna tehnologija - 4D ispis temeljen na konceptu programabilne tvari(Programabilna materija, RM). To je materija, a ne materijali - tako se to može percipirati, jer ovdje možemo vidjeti prijelaz u polje filozofskih kategorija. 4D ispis ima potencijal podići 3D ispis na potpuno novu razinu uvođenjem druge dimenzije samoorganizacije - vremena. Razvoj tehnologije u budućnosti donosi svijetu nove aplikacije u svim područjima života, pružajući neviđene mogućnosti u pretvaranju digitalnih informacija virtualnog svijeta u fizičke objekte materijalnog svijeta. To - nova tehnologija na razini magije.

Programiranje pitanja (PM) spoj je znanosti i tehnologije u stvaranju novih materijala koji stječu zajedničko, dosad neviđeno svojstvo - da mijenjaju oblik i / ili svojstva (gustoća, modul elastičnosti, vodljivost, boja itd.) U svrsishodno put.

Do sada se razvoj programabilne materije odvija u dva smjera:

1. Proizvodnja proizvoda pomoću 4D metoda ispisa- ispisivanje praznina na 3D pisačima, a zatim njihova samopreobrazba pod utjecajem određenog faktora, poput vlage, topline, tlaka, struje, ultraljubičastog svjetla ili drugog izvora energije (slike 1 i 2).
2. Izrada voksela(doslovno - volumetrijski pikseli) na 3D pisačima, koji se mogu spojiti i odspojiti kako bi oblikovali veće programabilne strukture.

Za postojanje ogromne biološke raznolikosti na našem planetu dovoljna su 22 gradivna bloka - aminokiseline. Stoga se životinje i biljke, međusobno konzumirajući, ponovno koriste gotovo istim biomaterijalom. Život je stalno u procesu samoizlječenja i samoorganizacije.

Ovakav pristup programiranju ima veliki potencijal. Dakle, piksel je elementarna jedinica virtualne slike objekta, a voksel može biti materijalna jedinica samog objekta u materijalnom svijetu. Oboje imaju analogiju s aminokiselinom. Atom je elementarna jedinica materije, ali elementarne jedinice tiskane i programirane tvari mogu biti mnogo veće po sastavu, strukturi i veličini. Kako su Hod Lipson i Melba Kurman rekli u svojoj novoj knjizi Fabricated: The New World of 3D Printing: “Koristeći samo dvije vrste voksela - tvrdi i meki - možete stvoriti širok izbor materijala. Dodajte im vodljive voksele, kondenzatore, otpornike i nabavite elektroničku ploču. A uključivanje aktivatora i senzora već će nam dati robota ".

Primjeri 4D ispisa

Agencija DARPA pokrenula je program za razvoj tehnologije programiranja još 2007. godine. Cilj programa bio je razvoj novih materijala i načela njihove proizvodnje, obdarujući materijale potpuno novim svojstvima. Izvješće DARPA pod naslovom Shvaćanje programabilne stvari višegodišnji je plan za projektiranje i izgradnju mikro-robotskih sustava koji se mogu pretvoriti u velika vojna postrojenja.

Primjer takvih postignuća je „ milimotein"(Mehanički protein), osmišljen i sintetiziran na Tehnološkom institutu u Massachusettsu. Komponente veličine milimetra i motorizirani dizajn, stvoreni po analogiji s proteinima, omogućili su razvoj sustava koji se može sam preklopiti u složen oblik.

Tim Sveučilišta Cornell također je razvio samoreplicirajući i samokonfiguracijski robotski sustav. Kasnije su izgrađeni sustavi mikrorobota (M-kutije) u kojima pojedini M-kutije imaju mogućnost samostalnog kretanja i obnove unutar sustava.

Druga tehnologija 4D ispisa uključuje izravno uključivanje ("utiskivanje") vodiča ili vodljivih dijelova tijekom ispisa posla u 3D. Nakon što je objekt ispisan, dijelovi se mogu aktivirati vanjskim signalom kako bi se aktivirao cijeli uređaj. To je pristup s velikim potencijalom u područjima poput robotike, graditeljstva i proizvodnje namještaja.

Ostalo 4D tehnologije su za korištenje kompozitni materijali, koji mogu poprimiti različite složene oblike na temelju različitih fizičkih i mehaničkih svojstava. Transformacija se pokreće protokom topline ili svjetlosti određene valne duljine.

Ugrađivanje senzora u 3D tiskane uređaje također obećava. Umetanjem nanomaterijali možete stvoriti multifunkcionalni nanokompoziti koji mogu mijenjati svojstva u skladu s promjenama u okolišu. Na primjer, senzori se mogu ugraditi u medicinske mjerne uređaje - mjerače krvnog tlaka (za mjerenje krvnog tlaka), glukometre (za mjerenje razine šećera u krvi) itd.

Programirani i tiskani svijet budućnosti

No, svi su ti primjeri iz jučerašnje tehnologije. Komplikacija pojedinih čvorova, uporaba alternativnih nanomaterijala i sirovina, kao i raznih izvora aktivacija (voda, toplina, svjetlo itd.) - ovo je već prošao fazu.

Zamislite svijet u kojem materijalni predmeti - od krila zrakoplova do namještaja i zgrada - mogu promijeniti oblik ili svojstva na zapovijed osobe ili programiranu reakciju na promjenu. vanjskim uvjetima kao što su temperatura, tlak ili vjetar, kiša. U ovom svijetu nema potrebe za novim sirovinama - sječom drva, taljenjem metala, vađenjem ugljena i nafte. Proizvodnja budućnosti neće imati otpada, nećete morati brinuti o recikliranju plastike ili sakupljanju starog metala.

Novi materijali spontano ili po naredbi raspasti će se u programabilne čestice ili komponente, koje se zatim mogu ponovno upotrijebiti za oblikovanje novih objekata i obavljanje novih funkcija.

Dugoročni potencijal programabilna materija i tehnologija 4D ispisa osmišljena je kako bi stvorila održiviji svijet u kojem će biti potrebno manje resursa za pružanje proizvoda i usluga rastućoj svjetskoj populaciji.

Jedan od obećavajućih pravaca u razvoju 4D ispisa i programiranja tvari je razvoj prilagođenih setova od nekoliko voksela različitih oblika i s različitim funkcijama, a zatim i njihovo programiranje za još specijalizirane aplikacije. U teoriji, vokseli mogu biti izrađeni od metala, plastike, keramike ili bilo kojeg drugog materijala. Osnovni principi ove tehnologije slični su funkcioniranju DNK i samoorganizaciji bioloških sustava.

Povijest je puna primjera novih tehnologija koje narušavaju temelje svjetske trgovine i geopolitike (na primjer, telegraf i Internet). 3D ispis već je imao utjecaja, a uvođenje 4D tehnologije imat će još veće implikacije.

Programabilna materija imat će širok raspon primjena u vojne svrhe. Američka vojna industrija već razvija 3D ispis dijelova na terenu, a također dizajnira jeftinije, prikladnije i lakše "tiskano oružje". Postaje nepotrebno transportirati i skladištiti tisuće rezervnih dijelova u blizini bojišta ili na ratnim brodovima. "Kanta voksela" dovoljna je za izradu slomljenog dijela, štoviše, bit će moguće koristiti predmete koji trenutno nisu potrebni za izradu novih dijelova, jer su izrađeni od standardnih voksela.

Rezultat se vidi samo-transformirajući robot s nanomjeromčija je provedba toliko blizu da Terminator više ne izgleda kao fikcija.

Međutim, na putu do takve ružičaste budućnosti potrebno je odgovoriti na nekoliko pitanja:

Dizajn Kako programirati CAD sustav za rad s programabilnom materijom, koja uključuje višerazmjerne komponente s više elemenata, ali najvažnije, statičke i dinamičke dijelove? Razvoj novih materijala Kako stvoriti materijale s višenamjenskim svojstvima i ugrađenim logičkim sposobnostima? Voxel veze Kako osigurati pouzdanost voxel veza? Može li se usporediti s trajnošću tradicionalnih proizvoda, a opet dopustiti rekonfiguraciju ili recikliranje nakon uporabe? Izvori energije Koje se metode trebaju koristiti za proizvodnju energije u izvorima koji moraju biti i pasivni i vrlo snažni? Kako se ta energija može pohraniti i upotrijebiti za aktiviranje pojedinih voksela i cijelog programabilnog materijala proizvoda? Elektronika Kako učinkovito ugraditi elektroničko upravljanje ili stvoriti kontrolirana svojstva same materije na nanometarskoj ljestvici? Programiranje Kako programirati i raditi s zasebnim vokselima - digitalnim i fizičkim? Kako mogu programirati promjene stanja? Standardizacija i certifikacija Postoji li potreba za razvojem posebnih standarda za voxel za PM proizvode? Sigurnost Kako jamčiti sigurnost PM dijelova i proizvoda?

Prijetnje i rizici novog svijeta

Unatoč činjenici da PM može imati značajne prednosti za društvo u cjelini, ali, kao i svaka nova tehnologija, izaziva određene zabrinutosti. Internet je zauzeo cijeli svijet, pa su kao rezultat čitavi slojevi masovne aktivnosti izmakli kontroli vlasti. Zamislite sada da se materijalni svijet može promijeniti na najnepredvidljivije načine koji mogu predstavljati prijetnju po sigurnost ljudi.

Što čeka osobu u svijet programabilne materije? Što ako bi se programirana krila aviona mogla hakirati, što bi rezultiralo katastrofom, programirani građevinski materijal bi se srušio na naredbu, zatrpavši stanovnike unutra. Stoga već sada morate razmisliti kako programirati i "ušiti" sigurnosne kodove u materijale kako biste spriječili takve incidente.

Neki stručnjaci tvrde da se strukturna ranjivost interneta mogla predvidjeti od samog početka. Sigurnosni problemi PM -a slični su onima koji nastaju pri razmatranju kibernetičke sigurnosti u okviru koncepta "Interneta stvari". Ista razmatranja vrijedi razmotriti o još hitnijoj prijetnji - hakiranju programabilnih objekata napravljenih od PM -a.

Koncept intelektualno vlasništvo(IP) također bi mogao postati složeniji, jer bi proizvodi koji mogu promijeniti svoj oblik i svojstva predstavljali izravan izazov instituciji patentnih prava. Kao i 3D ispis, programibilna materija otežat će identifikaciju vlasnika određenog proizvoda. No, zahvaljujući 4D ispisu i PM-u, možete kopirati objekte istih oblika i funkcija ili aktivirati samoproizvodnju proizvoda. Pravne posljedice u slučaju kvara komponente odnose se i na jučerašnje probleme. Tko će biti odgovoran ako se komponenta izrađena od programabilnog materijala, poput krila aviona, iznenada slomi u zraku? Proizvođač, programer, razvijač novog dizajna ili tvorac "pametnog" materijala?

Svjedoci smo raspada još jedne paradigme - znanstvene, tehnološke, ekonomske, društvene i filozofske. Kao i kod drugih remetilačkih tehnologija, glavno pitanje koje treba postaviti jest: Je li društvo spremno za tako lijep i opasan svijet koji se može programirati?

Ili ćemo vidjeti sliku sličnu situaciji na suvremenom internetu? Samo masovni razvoj programiranih zgrada ne može se zatvoriti odjednom, poput piratskog mjesta.

Ništa manje opasna nije ni druga strana ove tehnologije, o kojoj autori koncepta skromno šute. Programabilni materijalni svijet- ovo je mogućnost apsolutne kontrole nad životom cjelokupnog stanovništva planeta. Kad se mikroskopski senzori šivaju posvuda - u odjeći, namještaju, zidovima, umjetnim unutarnjim organima - neće biti potrebe za policijom ili posebnim službama.

Kršitelj zakona (vrijedno je razmisliti o zakonima koje će novi svijet imati) rješavat će njegova vlastita stolica, a jetra će nježno slati signale u centar o svim opasnim pokretima svog vlasnika. Potpuna kontrola nad ogromnom masom stanovništva može biti koncentrirana u rukama "elite", kojoj će trebati najmanji mogući broj uslužnog osoblja.

O ovoj temi možemo dugo maštati, ali nadajmo se da takva distopija još uvijek ne čeka našu djecu i unuke.

Usporedba tradicionalnih tehnologija s 3D i 4D ispisom proizvoda

Prednosti novih tehnologija	3D ispis	4D ispis
Sposobnost proizvodnje proizvoda najsloženijih oblika	Selektivno slaganje materijala značajno smanjuje težinu proizvoda ispisivanjem žičanih okvira. Sloboda oblikovanja oblika proteže se i na unutarnju strukturu materijala.	Potpuna sloboda dizajna. Sposobnost proizvoda da svoj oblik prilagodi okolnim uvjetima, neovisno i na naredbu
Smanjeni troškovi proizvodnje	Za 3D pisače nema razlike u kojem obliku se ispisuju proizvodi, stoga se troškovi i vrijeme proizvodnje naglo smanjuju	Nakon pokretanja tehnološkog procesa, više vam nisu potrebni troškovi i vrijeme za ispravljanje pogrešaka i provjeru "otisnutih" izvora napajanja, žica i senzora, što je vrlo važno u proizvodnji elektronike i robota
Pojednostavljenje proizvodnih procesa - minimalno sudjelovanje ljudi	Budući da se u 3D ispisu proizvodnja proizvoda odvija u skladu sa standardiziranim programom, odnosno pod kontrolom računala, ljudsko sudjelovanje je svedeno na minimum, kao i vrijeme za proizvodnju proizvoda.	Korištenjem 4D ispisa stupanj pojednostavljenja proizvodnje još se više povećava - iznimna jednostavnost sastavnih elemenata omogućuje njihovo brzo ispisivanje i aktiviranje na ovaj ili onaj način. Štoviše, sastavni elementi mogu se prilagoditi uvjetima tijekom proizvodnje i transporta do krajnjeg potrošača.
Nestanak lanaca opskrbe i montažnih linija iz logistike	Konačni proizvod, čak i složen poput automobila, proizvodi se u jednoj fazi proizvodnog procesa, pa postaje nepotrebno dobavljati rezervne dijelove, skladištiti ih i sastavljati na linijama.	Situacija slična primjeni 3D ispisa
Proizvodnja bilo kojeg broja proizvoda - od masovnih do pojedinačnih	3D ispis omogućit će proizvodnju velikog broja proizvoda, a proizvodne linije mogu se jednostavno i brzo ponovno konfigurirati za proizvodnju drugog proizvoda. Nema potrebe za sastavljanjem rezervnih dijelova	Situacija je slična 3D ispisu jer će se ispisati sve komponente
Personalizacija proizvoda	Budući da su troškovi proizvodnje 3D ispisa neovisni o masovnoj proizvodnji, personalizacija proizvoda može se maksimalno povećati	Svestranost pojedinačnih elemenata, elektroničko punjenje koje se može mijenjati, reakcija proizvoda na želje korisnika i samoprilagodba okoliš podići će personalizaciju proizvoda na novu razinu. Izravno sudjelovanje budućeg korisnika u proizvodnji sasvim je moguće.
Distribucija ne proizvoda, već njihovih projekata u datotekama	Proizvodi se mogu ispisati iz dizajnerskih datoteka bilo gdje u svijetu na odgovarajućem pisaču. Štoviše, mogu se prenijeti na bilo koje mjesto putem Interneta.	U eri 4D bit će moguće digitalizirati cijeli materijalni svijet. Dovoljno je kupiti set voksela, preuzeti program iz oblaka, a zatim sami napraviti potrebnu stvar
Premošćivanje jaza između dizajnera i konačnog proizvoda dovest će do brisanja starih tehničkih zanimanja i pojave novih.	Odnos između dizajnera i konačnog proizvoda isti je kao i između programera i gotovog programa.	Dizajneri sada svoj rad gledaju kao stvaranje višenamjenskih dinamičkih objekata, stoga kompletno programiranje materijalnog svijeta potiče pojavu nove generacije stručnjaka - programera materije. Znanstveno i obrazovno modeliranje podiže se na novu razinu stvaranjem potpuno funkcionalnih "pametnih" fizičkih modela, razvojem novih oblika istraživački rad i učenje

Voxel Koncept "voxel" (također "voxel") ili "volume pixel" koristi se za definiranje osnovne jedinice u digitalnom prostoru i programabilnoj materiji. Vokseli mogu biti digitalni ili fizički. Digitalni vokseli koriste se za predstavljanje virtualnog 3D modela. Fizički vokseli mogu značiti elementarne količine homogenih materijala ili višekomponentnih smjesa, nanomaterijala, integriranih krugova, bioloških materijala i mikro-robota i još mnogo toga.

Materijal na temu "Samoorganizirani materijali" u časopisu "Prozor mogućnosti"