BANCA DATI: CLAYTRONICS, DALLA MATERIA PROGRAMMABILE AL TELETRASPORTO

Diversi dirigenti ascoltano attentamente un rappresentante di vendita ben vestito che fa il suo discorso. Improvvisamente, un'auto in miniatura emerge da una vasca di poltiglia grigia al centro del tavolo della conferenza. Il venditore procede a rimodellare questo modello usando nient'altro che le mani, appiattendo la linea del tetto dell'auto e regolando la geometria dei suoi fari. Infine, trasforma l'auto dal suo grigio foschia iniziale al rosso fuoco, i suoi "atomi" che scintillano in primo piano con la magia dei film Disney mentre cambiano colore.

Sì, è solo un video fatto con effetti speciali. Ma arriva dai ricercatori della Carnegie Mellon University , a Pittsburgh, che stanno sviluppando una tecnologia destinata a consentire non solo la creazione istantanea di oggetti complessi, ben oltre ciò che la stampa 3D di oggi può ottenere, ma anche la loro trasfigurazione a comando.

Una tale capacità potrebbe cambiare la società ancora più profondamente di quanto non abbia Internet. Se questa materia magica trasformabile fosse economica ed efficace, ci consentirebbe di inviare e scaricare copie di oggetti con la stessa facilità con cui facciamo i documenti digitali. Potremmo duplicare un oggetto e poi rimodellarlo secondo i nostri capricci. Anche se la tecnologia si rivelasse troppo costosa o gli oggetti troppo fragili per sostituire i prodotti fabbricati convenzionalmente, potrebbe comunque consentire alle persone di evocare un fac-simile della cosa che desiderano abbastanza a lungo per testarlo, provarlo, ridisegnarlo, o divertiti, senza più sforzo di quello che serve ora per vedere un film digitale o riprodurre un file MP3.

Ma tali nozioni selvagge hanno qualche relazione con ciò che potrebbe essere effettivamente possibile, diciamo, nei prossimi 50 anni? Per avere un'idea della risposta, è utile prima guardare indietro di un quarto di secolo alle radici di questo concetto audace.
Nel 1991, gli informatici del MIT Tommaso Toffoli e Norman Margolus specularono sulla stampa su una raccolta di piccoli computer disposti in modo che potessero comunicare con i loro vicini immediati mentre eseguivano calcoli in parallelo. Secondo Toffoli e Margolus, un gran numero di tali nodi di calcolo insieme costituirebbe "materia programmabile". Stavano parlando solo di un computer modulare altamente parallelo, uno che potrebbe simulare la fisica della materia reale. Ma presto altri hanno applicato questo stesso termine a un'idea molto più ambiziosa: un assemblaggio di minuscoli computer robotici che potrebbero riorganizzarsi per assumere forme diverse.

Il premio Nobel per la chimica Jean-Marie Lehn ha sviluppato indipendentemente idee correlate anche prima, ma provenienti da una direzione diversa. Lui e altri sostenevano che i chimici avrebbero usato i principi dell'auto-organizzazione per progettare molecole imbevute delle informazioni di cui avevano bisogno per assemblarsi spontaneamente in strutture complesse. Negli anni '80, Lehn iniziò a chiamare questa "materia informata", che sarebbe una sorta di materia programmabile costruita su scala atomica e molecolare.

L'ultimo decennio circa di ricerca nelle nanotecnologie, con il suo interesse per i sistemi auto-organizzati "dal basso verso l'alto", ha fornito un supporto crescente alle idee di Lehn. Ma creare molecole che possano assemblarsi in forme complesse e persino reattive è una cosa; progettare sistemi realizzati con minuscoli computer che si riconfigurano in qualsiasi cosa tu voglia con la semplice pressione di un pulsante è tutta un'altra sfida. Per questo, sono gli ingegneri che ora stanno prendendo l'iniziativa.

Il restringimento delle fonti di alimentazione e dei circuiti per le comunicazioni wireless ora consente ai robot, anche di dimensioni centimetriche, di comunicare facilmente tra loro. E realizzare macchine in miniatura che possono cambiare forma o orientamento senza richiedere delicate parti in movimento è sempre più pratico, grazie allo sviluppo di materiali intelligenti che rispondono agli stimoli esterni piegandosi o espandendosi, ad esempio.

In breve, nei tre decenni trascorsi da quando sono state formulate le idee di base della materia programmabile, le tecnologie necessarie per creare esempi concreti sono arrivate e vengono attivamente modificate.

Seth Goldstein e il suo team di Carnegie Mellon, in collaborazione con altri presso Intel Research Pittsburgh , sono stati tra i primi a mettere insieme prototipi ed esplorare possibili applicazioni.

Goldstein e i suoi colleghi immaginano milioni di moduli robot cooperanti, ciascuno forse non più grande di un granello di polvere, che insieme imitano l'aspetto e la sensazione di qualsiasi cosa. Sperano che un giorno queste particelle intelligenti, chiamate Claytronics, saranno in grado di produrre una realtà sintetica che potrai toccare e sperimentare senza indossare occhiali o guanti fantasiosi. Da un pezzo di pasta argillosa, sarai in grado di evocare qualsiasi oggetto di scena che desideri: una tazza di caffè, un bisturi o (come illustra il loro video promozionale) un modello di automobile da utilizzare in una presentazione di vendita.

"Qualsiasi forma di materia programmabile che può superare il test di Turing per l'aspetto [sembra indistinguibile dalla cosa reale] consentirà un modo completamente nuovo di pensare al mondo", afferma Goldstein. Egli nutre anche l'idea che gli oggetti costruiti con materia programmabile potrebbero essere completamente funzionali, nel qual caso le possibilità per questa tecnologia diventano così illimitate da sbalordire la mente. "Applicazioni come strumenti chirurgici iniettabili, cellulari morphable e TV interattiva 3-D a grandezza naturale sono solo la punta dell'iceberg", afferma Goldstein.

Il team di Carnegie Mellon chiama i componenti di questa roba "catoms", abbreviazione di atomi claytronici, minuscoli robot sferici che sono in grado di muoversi, restare uniti, comunicare e calcolare la loro posizione in relazione agli altri. Realizzarli è un compito arduo, soprattutto se hai bisogno di milioni. Ma Goldstein pensa che sia realizzabile.

Dall'inizio degli anni 2000, lui e i suoi colleghi ricercatori di Pittsburgh hanno costruito approssimazioni modeste del loro obiettivo finale. I primi prototipi erano cilindri tozzi , ciascuno un po' più grande di una batteria a celle D, con i bordi rivestiti da file di elettromagneti, che permettevano loro di aderire l'uno all'altro e formare modelli bidimensionali. Accendendo e spegnendo vari magneti in sequenza, i ricercatori potrebbero far strisciare un catom intorno a un altro. Più di recente, il team ha utilizzato la fotolitografia per costruire catomi cilindrici di circa un millimetro di diametro, che possono ricevere energia, comunicare e aderire. Questi minuscoli catomi non possono ancora muoversi, ma lo faranno presto, promette Goldstein.

La sfida chiave non è nella produzione dei circuiti, ma nella programmazione del sistema massicciamente distribuito che risulterà dall'unione di tutte le unità, afferma Goldstein. Piuttosto che elaborare un progetto globale, i ricercatori sperano di utilizzare una serie di regole locali, in base alle quali ogni catom deve conoscere solo le posizioni dei suoi immediati vicini. L'ensemble, opportunamente programmato, troverà poi la giusta configurazione attraverso un processo emergente.

Alcuni organismi viventi sembrano funzionare in questo modo. La muffa unicellulare di melma Dictyostelium discoideum , ad esempio, si aggrega in un corpo multicellulare quando è sotto costrizione, senza alcun cervello centrale per pianificare la sua drammatica trasformazione o successivi movimenti coordinati.

Affinché i catom possano farlo, devono prima essere in grado di comunicare tra loro, se non anche con un controllore a distanza. I ricercatori della Carnegie Mellon stanno ora esplorando il rilevamento elettrostatico del vicino più vicino e le tecnologie radio per il controllo remoto.

Naturalmente, per essere pratico, il riposizionamento dei catomi deve avvenire rapidamente. Goldstein ei suoi colleghi pensano che un modo efficace per produrre cambiamenti di forma potrebbe essere quello di riempire il blob iniziale di catoms con un sacco di piccoli vuoti e poi passare li intorno per ottenere i contorni giusti. Piccoli movimenti locali di catomi adiacenti sarebbero sufficienti per spostare le cavità e, se si lasciassero gorgogliare in superficie, il volume complessivo si ridurrebbe. Al contrario, il materiale potrebbe espandersi aprendo tasche in superficie e inglobandole.

Al MIT, l'informatica Daniela Rus e i suoi collaboratori hanno una visione diversa di come i grani intelligenti e appiccicosi potrebbero riprodurre un oggetto. La loro "sabbia intelligente" sarebbe un mucchio di tali granelli che si uniscono selettivamente per formare l'oggetto bersaglio. I grani inutilizzati cadrebbero semplicemente via.

Come Goldstein, Rus e i suoi colleghi finora hanno costruito solo prototipi piuttosto grandi - " sassi intelligenti " - che funzionano in due dimensioni, non in tre. Queste unità hanno le dimensioni di zollette di zucchero, con microprocessori integrati ed elettromagneti su quattro facce. Un insieme di cubi può duplicare una forma inserita nel mezzo di un gruppo di cubi. Quelli che confinano con l'oggetto target riconoscono di essere accanto ad esso e inviano segnali a una raccolta di altri cubi altrove per replicarne la forma.

Il team di Rus ha trovato un modo ingegnoso per far muovere i grani intelligenti, dimostrando la strategia usando cubi più grandi che chiamano blocchi M , che sono 5 centimetri di lato. Ciascuno sfrutta lo slancio dei volani che girano fino a 20.000 rotazioni al minuto per ribaltarsi, arrampicarsi uno sopra l'altro e persino saltare in aria. Quando entrano in contatto, i blocchi possono essere fissati magneticamente per formare la configurazione desiderata. Al momento, gli sperimentatori devono fornire le istruzioni per restare uniti. Il loro piano, tuttavia, è sviluppare algoritmi che permettano ai cubi stessi di decidere quando devono collegarsi.



Video: Laboratorio di robotica distribuito del MIT
L'obiettivo finale dei ricercatori è creare un sistema di moduli delle dimensioni di granelli di sabbia in grado di formare strutture arbitrarie con una varietà di proprietà dei materiali, il tutto su richiesta. Ridurre i ciottoli e i blocchi robotici di oggi alla scala submillimetrica presenta un'enorme sfida tecnica, ma non è irragionevole immaginare che i progressi nei sistemi microelettromeccanici potrebbero consentire tale miniaturizzazione tra qualche decennio. Ciò consentirebbe quindi a qualcuno di riprodurre istantaneamente un facsimile di qualsiasi oggetto, a seconda di cosa sia, forse anche uno che funzioni bene come l'originale.

Mentre il Santo Graal è un mare di minuscole macchine che lavorano insieme per eseguire tale magia, Goldstein vede le idee di base della materia programmabile applicate a oggetti a tutte le scale, dagli atomi ai mattoni delle case, o forse anche più grandi. È quasi una filosofia: una determinazione tra i ricercatori di oggi a rendere le loro creazioni più intelligenti, più obbedienti e più sensibili, dotandole di qualità che alla fine li faranno agire quasi come esseri viventi, come la materia con una mente propria.

CHE COSA POTREBBE ANDARE STORTO?
Aiuto, la mia sedia ha un virus!
GLI HACKER POTREBBERO RIVOLTARTI CONTRO LA TUA MATERIA PROGRAMMABILE



C'è qualcosa di un po' sinistro in questa idea di materia che si trasforma e persino muta. Possiamo essere sicuri di poter controllare questa roba? Qui le nostre paure sono sicuramente plasmate da antichi miti come il golem del folklore ebraico , un essere modellato dall'argilla che minacciava di sopraffare il suo creatore.

La malevolenza della materia che è infinitamente proteiforme è evidente anche nella cultura popolare, ad esempio il “robot liquido” T-1000 di Terminator 2: Judgment Day (1991). La prospettiva di creare una materia programmabile così sofisticata rimane tuttavia così remota che tali pericoli non possono essere valutati in modo significativo. Ma in ogni caso, Seth Goldstein di Carnegie Mellon insiste che "non c'è uno scenario grigio qui", riferendosi a un termine che il visionario della nanotecnologia K. Eric Drexler ha coniato nel suo libro del 1986 Engines of Creation .

Drexler ha ipotizzato la possibilità di nanobot che potrebbero auto-replicarsi in modo esponenziale mentre consumavano le materie prime intorno a loro. Ciò ha suscitato alcuni primi timori che la nanotecnologia fuori controllo potesse trasformare il mondo in una gigantesca massa di fango grigio, un tema che è apparso ripetutamente in opere successive di fantascienza, tra cui il romanzo di Wil McCarthy del 1998 Bloom , il compianto Michael Crichton ' s 2002 thriller Prey , e anche in modo ironico in un episodio del 2011 della sitcom televisiva animata "Futurama".

Le vere minacce possono essere quelle associate più genericamente al pervasive computing, soprattutto quando funziona tramite Wi-Fi. E se un sistema del genere venisse violato? Una cosa è che i dati vengano manipolati online in questo modo, ma quando il substrato informatico è qualcosa di tangibile che si riconfigura da solo, gli hacker otterranno un'enorme leva per creare scompiglio.

Ma Goldstein pensa che i pericoli reali siano più di natura sociologica. La materia programmabile sarà sicuramente piuttosto costosa, almeno inizialmente, e quindi le capacità che offre potrebbero solo ampliare il divario tra chi ha accesso alla nuova tecnologia e chi non ne ha. Vuoi rilassarti sul ponte ologrammi di casa? Divertiti se te lo puoi permettere. In caso contrario, dovrai accontentarti di giocare a Grand Theft Auto XXXVII .

E se la materia programmabile diventa in grado di produrre oggetti completamente funzionali, tale sviluppo, proprio come l'automazione pervasiva di oggi, minaccerà di rendere obsoleti i lavori nella produzione tradizionale. Quindi seri progressi nella materia programmabile renderanno probabilmente più persone disoccupate, non perché manchino di abilità utili ma perché non ci sarà nulla da fare per loro.

Naturalmente, le nuove potenti capacità comportano sempre il potenziale di abuso. Si possono vedere indizi di ciò già, ad esempio, nei piani per utilizzare la robotica dello sciame per la sorveglianza o nei robot riconfigurabili che vengono progettati per la guerra. Aspettatevi che i pericoli della materia programmabile siano molto simili a quelli di Internet: quando quasi tutto è possibile, non tutto ciò che accade sarà positivo. —PB .

Questo articolo è apparso originariamente in stampa come "Materiali infinitamente malleabili".

Circa l'autore
Philip Ball è laureato in chimica e fisica ed è stato per molti anni redattore di scienze fisiche presso la rivista Nature . Ha iniziato a trattare l'argomento della materia programmabile dieci anni fa mentre lavorava a un programma radiofonico per la BBC. "Nell'era dell'informazione, sembra inevitabile che alla fine inizieremo a costruire informazioni e calcoli negli elementi costitutivi della materia stessa", afferma Ball.

Il robot mutaforma si forma da uno sciame magnetico (2008)
www.newscientist.com/article/dn132...magnetic-swarm/



Video: guarda alcuni prototipi di sciami di robot creati dai ricercatori della Carnegie Mellon University

Sciami di robot che usano forze elettromagnetiche per aggrapparsi e assumere forme diverse sono in fase di sviluppo da parte di ricercatori statunitensi.

Il grande obiettivo è creare sciami di robot microscopici in grado di trasformarsi praticamente in qualsiasi forma aggrappandosi insieme.

Seth Goldstein , che guida il progetto di ricerca alla Carnegie Mellon University di Pittsburgh, negli Stati Uniti, ammette che questa è ancora una prospettiva lontana.


Tuttavia, il suo team sta utilizzando simulazioni per sviluppare strategie di controllo per futuristici robot mutaforma, o "claytronic", che stanno testando su piccoli gruppi di macchine più primitive e tascabili.

Questi prototipi di robot utilizzano forze elettromagnetiche per manovrare se stessi, comunicare e persino condividere il potere.

Nessuna parte in movimento
Una serie di prototipi Claytronic erano robot cilindrici a ruote con un anello di elettromagneti attorno al bordo, che usavano per afferrarsi l'un l'altro. Accendendo e spegnendo questi elettromagneti, i cosiddetti "atomi claytronici" o "catomi" potrebbero attaccarsi e rotolare saldamente l'uno intorno all'altro (vedi video, in alto a destra).

Le ruote del robot non erano alimentate, quindi hanno dovuto fare affidamento interamente sui loro magneti per manovrare. "Questi sono stati i primi robot mobili senza parti mobili", afferma Goldstein. Hanno anche usato i loro elettromagneti per condividere il potere, per comunicare e per il semplice rilevamento.

Poiché l'uso delle forze magnetiche è meno efficiente su scale più piccole, il team ha iniziato a sperimentare invece le forze elettriche.

Gli ultimi prototipi sono robot a forma di scatola soprannominati " cubi " che hanno sei bracci di plastica con appendici a forma di stella all'estremità di ciascuno.

Queste stelle hanno diversi elettrodi piatti di alluminio e si agganciano insieme, di fronte, usando l'elettricità statica. Agli elettrodi su stelle diverse vengono date cariche opposte, il che fa sì che le stelle si attraggano l'una con l'altra. Una volta collegato, non è necessaria alcuna alimentazione per tenere insieme le stelle.

Robot in microscala
I test hanno dimostrato che è possibile inviare messaggi e alimentazione ad altri cubi tramite gli stessi collegamenti. "La nostra speranza è di assemblare circa 100 cubi per sperimentare idee", afferma Goldstein.

Rob Reid dell'US Air Force Research Lab sta collaborando con il team di Carnegie Mellon per sviluppare prototipi di robot ancora più piccoli. Reid e colleghi possono piegare forme piatte in silicone in forme 3D con un diametro di poche centinaia di micron.

"Guideremo anche coloro che utilizzano le forze elettriche, modellando circuiti e dispositivi nel design del silicio", afferma Goldstein. Prevede che entro l'estate del 2008 avranno prototipi in grado di muoversi in questo modo.

La modularità è un tema popolare tra i ricercatori di robotica di tutto il mondo. Altri design includono Swarm-bots , Superbot e M-TRAN .

Connessioni complesse
"Il meccanismo fisico per l'aggancio di pezzi diversi è davvero difficile da realizzare", afferma Alan Winfield , che lavora su sciami di intelligenza artificiale presso il Bristol Robotics Laboratory nel Regno Unito. "La maggior parte usa chiusure meccaniche con ganci." Sebbene queste connessioni fisiche siano complesse, non necessitano di alimentazione, sottolinea Winfield, a differenza delle connessioni magnetiche.

L'uso delle forze elettromagnetiche può avere più senso a dimensioni più piccole, aggiunge. "La mia ipotesi è che i connettori elettrostatici diventeranno importanti su microscala dove è necessaria meno energia per avere un grande effetto", afferma.

Ma il software, non l'hardware, potrebbe essere la sfida più grande per i ricercatori che lavorano su sciami di robot, dice: "In questo momento non sappiamo come progettare un sistema che produce comportamenti complessivi complessi da un gruppo di semplici agenti".

In definitiva, Goldstein crede che i suoi robot Claytronic un giorno possano raggiungere questo e molto altro: "Avrò finito quando produrremo qualcosa che possa superare un test di Turing per l'aspetto", dice. "Non saprai se stai stringendo la mano a me o a una mia copia Claytronics."

Robot – Scopri di più sulla rivoluzione della robotica nel nostro rapporto speciale continuamente aggiornato .

Scoperto un metallo liquido simile a quello di cui è composto il T-1000 di “Terminator 2”
www.reccom.org/scoperto-un-metallo...i-terminator-2/

Nel film Terminator 2, un robot malvagio è capace di trasformarsi in diverse forme e oggetti e di sciogliersi per passare in spazi molto ridotti, grazie al particolare “metallo liquido” di cui è composto. Sebbene i robot attuali non abbiano queste capacità, la tecnologia si sta avvicinando allo sviluppo di nuovi metalli liquidi che possono essere manipolati nello spazio 3-D grazie ai magneti. Questi materiali potrebbero un giorno trovare applicazioni nella robotica.

I metalli che sono liquidi a temperatura ambiente, come il gallio e alcune leghe, hanno proprietà uniche tra cui alta conduttività, basso punto di fusione e alta deformabilità. Queste proprietà li rendono attraenti per l’uso nei robot soft e nell’elettronica flessibile. Aggiungendo particelle magnetiche, come il nichel o il ferro, i ricercatori possono produrre metalli liquidi che possono manipolare con i magneti.


Tuttavia, a causa della loro elevata tensione superficiale, la maggior parte dei metalli liquidi magnetici può muoversi solo orizzontalmente, e devono essere immersi completamente nel liquido per evitare di formare una pasta. Liang Hu, Jing Liu e colleghi hanno creato un metallo liquido magnetico che potessero spostare e allungare sia orizzontalmente che verticalmente, senza la necessità di immergere completamente il materiale in un liquido.

Per fare ciò, i ricercatori hanno prima lavorato con il materiale immerso nel liquido. Hanno aggiunto particelle di ferro ad una goccia di gallio, indio e una lega di stagno immerse in acido cloridrico. Uno strato di ossido di gallio formato sulla superficie della gocciolina, che ha abbassato la tensione superficiale del metallo liquido. Quando il team ha applicato due magneti in direzioni opposte, hanno potuto allungare la gocciolina a quasi quattro volte la sua lunghezza in stato di riposo.

È possibile anche manipolare il metallo liquido collegando due elettrodi orizzontali immersi e, grazie alle sue proprietà conduttive, illuminare una lampadina a LED. Il metallo liquido potrebbe persino estendersi verticalmente e quindi muoversi orizzontalmente per collegare due elettrodi, quello superiore esposto all’aria e quello inferiore nell’acido cloridrico.