المادة القابلة للبرمجة

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

المادة القابلة للبرمجة هي مادة تتمتع بالقدرة على تغيير خصائصها الفيزيائية (الشكل، الكثافة، معامل المرونة ، الموصلية، الخصائص البصرية، إلخ) بطريقة قابلة للبرمجة، بناءً على مدخلات المستخدم أو الاستشعار الذاتي. وبالتالي، ترتبط المادة القابلة للبرمجة بمفهوم المادة التي تمتلك بطبيعتها القدرة على معالجة المعلومات.

تاريخ

المادة القابلة للبرمجة مصطلح صاغه توفولي ومارجولوس عام ١٩٩١ للإشارة إلى مجموعة من عناصر الحوسبة الدقيقة المرتبة في الفضاء. [ ١ ] تصف ورقتهم البحثية بنية حوسبة تتكون من عقد حوسبة دقيقة موزعة في الفضاء، تتواصل فيما بينها باستخدام تفاعلات الجوار الأقرب فقط. في هذا السياق، تشير المادة القابلة للبرمجة إلى نماذج حوسبة مشابهة للأتمتة الخلوية وأتمتة غاز الشبكة . [ ٢ ] تُعد بنية CAM-8 مثالًا على تجسيد هذا النموذج على مستوى الأجهزة. [ ٣ ] تُعرف هذه الوظيفة أيضًا باسم "المناطق المرجعية الرقمية" (DRA) في بعض فروع علم الآلات ذاتية التكاثر . [ ٤ ]

في أوائل التسعينيات، كان هناك قدر كبير من العمل في مجال الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التشكيل، والتي تنطلق من فلسفة مشابهة للمادة القابلة للبرمجة. [ 4 ]

مع تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات ، وتكنولوجيا النانو ، وتكنولوجيا الآلات ذاتية التكاثر، تغير استخدام مصطلح "المادة القابلة للبرمجة" ليعكس حقيقة إمكانية بناء مجموعة من العناصر التي يمكن "برمجتها" لتغيير خصائصها الفيزيائية في الواقع، وليس فقط في المحاكاة . وهكذا، أصبحت المادة القابلة للبرمجة تعني "أي مادة صلبة يمكن برمجتها لتغيير خصائصها الفيزيائية".

في صيف عام ١٩٩٨، وخلال نقاش حول الذرات الاصطناعية والمادة القابلة للبرمجة، صاغ ويل مكارثي وجي. سنايدر مصطلح "حجر البئر الكمومي" (أو ببساطة "حجر البئر") لوصف هذا الشكل الافتراضي، وإن كان معقولاً، من المادة القابلة للبرمجة. وقد استخدم مكارثي هذا المصطلح في أعماله الروائية.

في عام 2002، بدأ سيث غولدشتاين وتود مووري مشروع كلايترونيكس في جامعة كارنيجي ميلون للتحقيق في آليات الأجهزة والبرامج الأساسية اللازمة لتحقيق المادة القابلة للبرمجة.

في عام 2004، قام فريق علوم وتكنولوجيا المعلومات التابع لوكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة ( DARPA ) بدراسة إمكانات المادة القابلة للبرمجة. وقد أسفر ذلك عن دراسة 2005-2006 بعنوان "تحقيق المادة القابلة للبرمجة"، والتي وضعت برنامجًا متعدد السنوات للبحث والتطوير في مجال المادة القابلة للبرمجة.

في عام 2007، كانت المادة القابلة للبرمجة موضوع طلب بحث من وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) وبرنامج لاحق. [ 5 ] [ 6 ]

من عام 2016 إلى عام 2022، مولت الوكالة الوطنية للبحث العلمي (ANR) العديد من البرامج البحثية التي نسقها جوليان بورجوا وبينوا بيراندا في معهد FEMTO-ST ، الذي يقود مشروع Claytronics الذي أطلقته شركة إنتل وجامعة كارنيجي ميلون. [ 7 ]

في عام 2025، وكامتدادٍ للمادة القابلة للبرمجة، صاغ فريقٌ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بقيادة ديرك إنجلوند مصطلح "المادة الكمومية القابلة للبرمجة "، مقترحين بنيةً قابلةً للتطوير لإنشاء حالات عنقودية كمومية واسعة النطاق باستخدام الكيوبتات الصلبة. [ 8 ] ويجري تطوير المادة الكمومية القابلة للبرمجة أيضًا باستخدام الذرات المتعادلة لإنشاء محاكاة كمومية. [ 9 ] ويرتبط الربط بين المادة القابلة للبرمجة القائمة على الأوتوماتا الخلوية والحوسبة الكمومية القائمة على حالات العنقود ارتباطًا وثيقًا عبر حالات الرسم البياني، وهو اتجاه بحثي مثير للاهتمام.

الأساليب

مادة قابلة للبرمجة "بسيطة" حيث يكون العنصر القابل للبرمجة خارجيًا بالنسبة للمادة نفسها. سائل غير نيوتوني ممغنط، يشكل أعمدة داعمة تقاوم الصدمات والضغط المفاجئ.

يرى أحد الآراء أن البرمجة قد تكون خارجية عن المادة، ويمكن تحقيقها من خلال "تطبيق الضوء أو الجهد أو المجالات الكهربائية أو المغناطيسية، وما إلى ذلك" ( مكارثي ، 2006 ) . على سبيل المثال، تُعد شاشة الكريستال السائل شكلاً من أشكال المادة القابلة للبرمجة. بينما يرى رأي آخر أن الوحدات الفردية للمجموعة قادرة على إجراء عمليات حسابية، وأن نتيجة هذه العمليات هي تغيير في الخصائص الفيزيائية للمجموعة. ومن الأمثلة على هذا الشكل الأكثر طموحًا من المادة القابلة للبرمجة تقنية "كلايترونيكس".

توجد العديد من التطبيقات المقترحة للمادة القابلة للبرمجة. ويُعدّ الحجم أحد أهم الفروقات بين أشكالها المختلفة. ففي أحد طرفي الطيف، تسعى الروبوتات المعيارية القابلة لإعادة التشكيل إلى تحقيق شكل من أشكال المادة القابلة للبرمجة حيث تتراوح أحجام الوحدات الفردية في نطاق السنتيمتر. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] أما في الطرف النانوي من الطيف، فهناك عدد هائل من الأسس المختلفة للمادة القابلة للبرمجة، بدءًا من الجزيئات متغيرة الشكل [ 12 ] وصولًا إلى النقاط الكمومية . وغالبًا ما يُشار إلى النقاط الكمومية بالذرات الاصطناعية. وفي نطاق الميكرومتر إلى ما دون المليمتر، تشمل الأمثلة الوحدات القائمة على تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) ، والخلايا المُصنّعة باستخدام البيولوجيا التركيبية ، ومفهوم الضباب الخدمي .

تُعد المواد الروبوتية مجموعة فرعية مهمة من المواد القابلة للبرمجة ، والتي تجمع بين الجوانب الهيكلية للمواد المركبة والإمكانيات التي يوفرها التكامل الوثيق لأجهزة الاستشعار والمحركات والحوسبة والاتصالات، [ 13 ] مع التخلي عن إعادة التكوين عن طريق حركة الجسيمات.

أمثلة

توجد مفاهيم عديدة للمادة القابلة للبرمجة، وبالتالي توجد مسارات بحثية منفصلة عديدة تستخدم هذا المصطلح. فيما يلي بعض الأمثلة المحددة للمادة القابلة للبرمجة.

"ضخ تغيير الطور بين الحالة الصلبة والسائلة"

يُمكن تغيير شكل الأجسام الصلبة وتحريكها باستخدام تقنية ضخ تغيير الطور بين الحالة الصلبة والسائلة. [ 14 ] يتيح هذا النهج تشويه الأجسام إلى أي شكل مطلوب بدقة تصل إلى أقل من ملليمتر وتغيير بنيتها بحرية.

"بسيط"

وتشمل هذه المواد التي يمكنها تغيير خصائصها بناءً على بعض المدخلات، ولكنها لا تملك القدرة على إجراء عمليات حسابية معقدة من تلقاء نفسها.

السوائل المعقدة

يمكن تعديل الخصائص الفيزيائية للعديد من السوائل المعقدة عن طريق تطبيق تيار أو جهد كهربائي، كما هو الحال مع البلورات السائلة .

المواد الفائقة

المواد الفائقة هي مركبات اصطناعية يمكن التحكم بها لتتفاعل بطرق لا تحدث في الطبيعة. ومن الأمثلة على ذلك، مادة طورها ديفيد سميث، ثم جون بندري وديفيد شوري، يمكن ضبط معامل انكسارها بحيث يكون لها معامل انكسار مختلف في نقاط مختلفة من المادة. وإذا تم ضبطها بدقة، فقد ينتج عن ذلك عباءة إخفاء .

قدم بيرغاميني وآخرون [ 15 ] مثالاً آخر على المواد الفوقية الميكانيكية القابلة للبرمجة. في هذا المثال، تم إدخال نطاق تمرير ضمن فجوة النطاق الصوتي، وذلك باستغلال الصلابة المتغيرة للعناصر الكهروإجهادية التي تربط أطرافًا من الألومنيوم بلوحة الألومنيوم لإنشاء بلورة صوتية، كما في عمل وو وآخرون [ 16 ] . يتم توصيل العناصر الكهروإجهادية بالأرض عبر محاثات اصطناعية. عند تردد الرنين لدائرة LC المتكونة من العناصر الكهروإجهادية والمحاثات، تُظهر العناصر الكهروإجهادية صلابة شبه معدومة، مما يؤدي فعليًا إلى فصل الأطراف عن اللوحة. يُعتبر هذا مثالاً على المواد الفوقية الميكانيكية القابلة للبرمجة. [ 15 ]

في عام 2021، عرض تشن وزملاؤه مادةً ميكانيكيةً فائقةً، حيث يمكن لكل خليةٍ من خلاياها تخزين رقمٍ ثنائيٍّ مماثلٍ للبت داخل محرك الأقراص الصلبة. [ 17 ] وبالمثل، تتم برمجة هذه الخلايا الميكانيكية من خلال التفاعل بين ملفين كهرومغناطيسيين في تكوين ماكسويل، ومطاطٍ مغناطيسيٍّ انسيابيٍّ مُدمج. وترتبط الحالات الثنائية المختلفة باستجابةٍ مختلفةٍ للإجهاد والانفعال في المادة.

جزيئات متغيرة الشكل

يُعدّ مجال البحث النشط دراسة الجزيئات القادرة على تغيير شكلها، بالإضافة إلى خصائص أخرى، استجابةً للمؤثرات الخارجية. ويمكن استخدام هذه الجزيئات بشكل فردي أو جماعي لتكوين أنواع جديدة من المواد. فعلى سبيل المثال، يعمل فريق جيه فريزر ستودارت في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس على تطوير جزيئات قادرة على تغيير خصائصها الكهربائية. [ 12 ]

المغناطيس الدائم الكهربائي

المغناطيس الكهرومغناطيسي الدائم هو نوع من المغناطيس يتكون من مغناطيس كهربائي ومغناطيس دائم ثنائي المادة ، حيث يُستخدم المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الكهربائي لتغيير مغنطة المغناطيس الدائم. يتكون المغناطيس الدائم من مادتين مغناطيسيتين، إحداهما صلبة والأخرى لينة، ولا يمكن تغيير مغنطة المادة اللينة إلا في هذه الحالة. عندما تكون مغنطة المادتين اللينّة والصلبة متعاكسة، لا يُنتج المغناطيس مجالًا مغناطيسيًا صافيًا، وعندما تتراصف المادتان، يُظهر المغناطيس سلوكًا مغناطيسيًا. [ 18 ]

تتيح هذه التقنية إنشاء مغناطيسات دائمة قابلة للتحكم، حيث يمكن الحفاظ على التأثير المغناطيسي دون الحاجة إلى إمداد مستمر بالطاقة الكهربائية. ولهذه الأسباب، تُعدّ المغناطيسات الكهروضوئية الدائمة مكونات أساسية في الدراسات البحثية التي تهدف إلى بناء مغناطيسات قابلة للبرمجة قادرة على إنشاء هياكل ذاتية البناء. [ 18 ] [ 19 ]

الأساليب القائمة على الروبوتات

الروبوتات المعيارية ذاتية إعادة التكوين

تعتمد الروبوتات المعيارية ذاتية إعادة التكوين على مجموعة من وحدات الروبوت الأساسية التي تعمل معًا لتشكيل أشكال ديناميكية وإنشاء سلوكيات مناسبة للعديد من المهام، على غرار المادة القابلة للبرمجة. يهدف هذا النوع من الروبوتات إلى إحداث تحسينات كبيرة في العديد من أنواع الأجهزة أو الأنظمة من خلال تقديم إمكانيات جديدة. على سبيل المثال: 1. الأهم من ذلك كله هو المرونة الفائقة الناتجة عن القدرة على تغيير البنية المادية وسلوك الحل عن طريق تغيير البرنامج الذي يتحكم في الوحدات. 2. ستجعل القدرة على الإصلاح الذاتي عن طريق الاستبدال التلقائي للوحدة المعطلة حل الروبوت المعياري ذات إعادة التكوين مرنًا للغاية. 3. تقليل الأثر البيئي من خلال إعادة استخدام الوحدات نفسها في العديد من الحلول المختلفة. تتمتع الروبوتات المعيارية ذاتية إعادة التكوين بمجتمع بحثي نشط وحيوي. [ 20 ]

كلايترونيكس

يُعدّ علم الكلاترونيات مجالًا هندسيًا ناشئًا يُعنى بالروبوتات النانوية القابلة لإعادة التشكيل ( ذرات الكلاترونيات ، أو كاتومات ) المصممة لتكوين آلات أو آليات أكبر حجمًا. ستكون هذه الكاتومات عبارة عن حواسيب دون المليمتر، وستمتلك في نهاية المطاف القدرة على الحركة والتواصل مع حواسيب أخرى وتغيير اللون والاتصال الكهروستاتيكي بكاتومات أخرى لتشكيل أشكال مختلفة.

الأوتوماتا الخلوية

تُعد الأوتوماتا الخلوية مفهومًا مفيدًا لتجريد بعض مفاهيم الوحدات المنفصلة التي تتفاعل لإعطاء سلوك عام مرغوب فيه.

الآبار الكمومية

يمكن للآبار الكمومية أن تستوعب إلكترونًا واحدًا أو أكثر. تتصرف هذه الإلكترونات كذرات اصطناعية ، والتي، مثل الذرات الحقيقية، يمكنها تكوين روابط تساهمية ، لكن هذه الروابط ضعيفة للغاية. وبسبب أحجامها الكبيرة، تختلف خصائصها الأخرى اختلافًا كبيرًا أيضًا.

البيولوجيا التركيبية

الريبوسوم هو آلة بيولوجية تستخدم ديناميكيات البروتين على نطاق النانو لتخليق البروتينات .

علم الأحياء التركيبي هو مجال يهدف إلى هندسة الخلايا بوظائف بيولوجية جديدة. تُستخدم هذه الخلايا عادةً لإنشاء أنظمة أكبر (مثل الأغشية الحيوية ) يمكن "برمجتها" باستخدام شبكات جينية اصطناعية ، مثل مفاتيح التبديل الجينية ، لتغيير لونها وشكلها، وما إلى ذلك. وقد تم إثبات هذه المناهج المستوحاة من علم الأحياء لإنتاج المواد، باستخدام مواد الأغشية الحيوية البكتيرية ذاتية التجميع، والتي يمكن برمجتها لوظائف محددة، مثل الالتصاق بالركائز، وتشكيل الجسيمات النانوية ، وتثبيت البروتينات. [ 21 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ توفولي، توماسو ؛ مارغولوس، نورمان (1991). "المادة القابلة للبرمجة: المفاهيم والتطبيق" . فيزيكا د . 47 ( 1-2 ): 263-272 . Bibcode : 1991PhyD...47..263T . doi : 10.1016/0167-2789(91)90296-L .
  2. ↑ روثمان، د.هـ؛ زاليسكي، س. (2004) [1997]. الأوتوماتا الخلوية لغاز الشبكة . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-60760-5.
  3. ↑ "CAM8: بنية متوازية وموحدة وقابلة للتوسع لتجارب الأتمتة الخلوية" . Ai.mit.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 أبريل 2013 .
  4. 1 2 3 http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050
  5. ↑ "طلب بحث من داربا" . مؤرشف من الأصل في 15 يوليو 2009.
  6. ↑ التوجهات الاستراتيجية لوكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA): المادة القابلة للبرمجة. مؤرشف في 12 ديسمبر 2010 على موقع Wayback Machine.
  7. ↑ " الأجهزة والبرامج لإنشاء مادة قابلة للبرمجة - ProgrammableMatter" . anr.fr.
  8. ↑ https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/kb8s-sffj
  9. ↑ https://www.nature.com/articles/s41586-023-06927-3
  10. ↑ بحث
  11. ↑ "مارك ييم - مختبر GRASP في جامعة بنسلفانيا" . www.robotics.upenn.edu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 نوفمبر 2005. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يناير 2022 .
  12. ١ ٢ "قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس" . Stoddart.chem.ucla.edu. مؤرشف من الأصل بتاريخ ١٢ أكتوبر ٢٠٠٤. تم الاطلاع عليه بتاريخ ١٠ أبريل ٢٠١٣ .
  13. ↑ ماك إيفوي، م.أ.؛ كوريل، ن. (2015-03-20). "مواد تجمع بين الاستشعار والتشغيل والحساب والاتصال" . مجلة ساينس . 347 (6228). الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS). رمز Bibcode : 2015Sci...34761689M . doi : 10.1126/science.1261689 . ISSN 0036-8075 . PMID 25792332. S2CID 206563151 .   
  14. ↑ كايا، كيريم؛ كرافتشينكو، ألكسندر؛ سكاربليني، كلوديا؛ إيسيري، إمري؛ كراجيتش، دانيكا؛ فان دير وينجارت، ووتر (2023). "مادة قابلة للبرمجة مع تحول وحركة حرة وعالية الدقة" . مواد وظيفية متقدمة . 34 (14). doi : 10.1002/adfm.202307105 .
  15. 1 2 بيرجاميني، أندريا؛ ديلبيرو، توماسو؛ دي سيموني، لوكا؛ دي ليلو، لويجي؛ روزيني، ماسيمو؛ إرماني، باولو (2014). “البلورة الصوتية ذات الاتصال التكيفي”. مواد متقدمة . 2 (9): 1343–1347 . بيب كود : 2014AdM....26.1343B . دوى : 10.1002/adma.201305280 . ISSN 0935-9648 . بميد 24734298 . S2CID 23402889 .   
  16. ↑ وو، تسونغ تسونغ؛ هوانغ، زي غوي؛ تساي، تزو تشين؛ وو، تسونغ تشين (2008). "دليل على وجود فجوة نطاق كاملة ورنين في صفيحة ذات سطح متقطع دوريًا" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 93 (11): 111902. Bibcode : 2008ApPhL..93k1902W . doi : 10.1063/1.2970992 . ISSN 0003-6951 . 
  17. ↑ تشين، تيان؛ باولي، مارك؛ ريس، م.، بيدرو (2021). "مادة ميكانيكية فائقة قابلة لإعادة البرمجة ذات ذاكرة مستقرة". مجلة نيتشر . 589 (7842): 386-390 . Bibcode : 2021Natur.589..386C . doi : 10.1038/s41586-020-03123-5 . ISSN 1476-4687 . PMID 33473228. S2CID 231665050 .   
  18. 1 2 ديل، ترافيس (2010). "المغناطيسات الكهروضوئية الدائمة: مغناطيسات قابلة للبرمجة باستهلاك طاقة ساكنة صفري تُمكّن من صنع أصغر الروبوتات المعيارية حتى الآن" . هايزوك . تم الاسترجاع في 6 أبريل 2012 .
  19. ↑ هارديستي، لاري (2012). "الرمل ذاتي التشكيل" . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . تم الاسترجاع في 6 أبريل 2012 .
  20. ↑ ( ييم وآخرون، 2007 ، ص 43-52) نظرة عامة على الأعمال والتحديات الحديثة 
  21. ↑ نغوين، بيتر (17 سبتمبر 2014). "مواد حيوية قابلة للبرمجة مصنوعة من ألياف نانوية كيرلي مُهندسة" . نيتشر كوميونيكيشنز . 5 : 4945. Bibcode : 2014NatCo...5.4945N . doi : 10.1038/ncomms5945 . PMID 25229329 . 

للمزيد من القراءة