プログラム可能な物質

プログラム可能な物質とは、ユーザーの入力や自律的な感知に基づいて、物理的特性（形状、密度、弾性率、伝導性、光学特性など）をプログラム可能な方法で変更する能力を持つ物質です。したがって、プログラム可能な物質は、本質的に情報処理を実行する能力を持つ材料の概念に関連しています。

プログラマブル マターとは、もともと 1991 年にトフォリとマーゴラスによって造られた用語で、空間に配置された細粒度のコンピューティング要素の集合を指します。^[1] 彼らの論文では、空間全体に分散され、最近傍の相互作用のみを使用して通信する細粒度のコンピューティング ノードで構成されるコンピューティング サブストレートについて説明しています。この文脈では、プログラマブル マターとは、セル オートマトンや格子ガス オートマトンに似たコンピューティング モデルを指します。^[2] CAM-8 アーキテクチャは、このモデルのハードウェア実現の例です。^{[3]この機能は、}自己複製マシンサイエンス の一部の形式では「デジタル参照領域」(DRA) としても知られています。^[4]

1990年代初頭には、プログラム可能な物質に似た哲学を持つ再構成可能なモジュール式ロボットに関する研究が盛んに行われました。^[4]

半導体技術、ナノテクノロジー、自己複製機械技術が進歩するにつれて、プログラム可能な物質という用語の使用法は、シミュレーションだけでなく現実でも物理的特性を変えるように「プログラム」できる要素の集合体を構築することが可能になったという事実を反映するように変化しました。したがって、プログラム可能な物質は「物理的特性を変えるようにプログラムできるバルク物質」を意味するようになりました。

1998 年の夏、人工原子とプログラム可能な物質に関する議論の中で、ウィル・マッカーシーと G. スナイダーは、この仮説的だが妥当な形態のプログラム可能な物質を説明するために「量子ウェルストーン」(または単に「ウェルストーン」) という用語を作り出した。マッカーシーは、この用語を自身の小説の中で使用している。

2002 年、セス・ゴールドスタイン氏とトッド・モウリー氏は、カーネギーメロン大学でクレイトロニクス プロジェクトを開始し、プログラム可能な物質を実現するために必要な基礎となるハードウェアとソフトウェアのメカニズムを調査しました。

2004 年、DARPA情報科学技術グループ (ISAT) は、プログラム可能な物質の可能性を調査しました。その結果、2005 ～ 2006 年に「プログラム可能な物質の実現」という研究が行われ、プログラム可能な物質の研究開発のための複数年にわたるプログラムが策定されました。

2007年、プログラム可能な物質はDARPAの研究募集とその後のプログラムの対象となった。^{[5] [6]}

2016年から2022年にかけて、ANRは、インテルとカーネギーメロン大学が開始したクレイトロニクスプロジェクトを主導しているFEMTO-ST研究所のジュリアン・ブルジョワとブノワ・ピランダが調整するいくつかの研究プログラムに資金を提供してきました。^[7]

ある学派では、プログラミングは物質の外部で行われ、「光、電圧、電場、磁場などの適用」によって実現される可能性があると考えられています (McCarthy 2006)。たとえば、液晶ディスプレイはプログラム可能な物質の一種です。2 つ目の学派では、アンサンブルの個々のユニットが計算を実行でき、その計算結果がアンサンブルの物理的特性の変化になると考えられています。このより野心的なプログラム可能な物質の一例がクレイトロニクスです。

プログラム可能な物質の実装は数多く提案されている。規模は、プログラム可能な物質のさまざまな形態を区別する重要な要因の 1 つです。スペクトルの一方の端では、再構成可能なモジュール式ロボットが、個々のユニットがセンチメートル サイズの範囲にあるプログラム可能な物質の形態を追求しています。^{[4] [8] [9]} スペクトルのナノスケールの端には、形状を変える分子^[10]から量子ドットに至るまで、プログラム可能な物質のさまざまな基盤が多数あります。量子ドットは、実際には人工原子と呼ばれることがよくあります。マイクロメートルからサブミリメートルの範囲の例には、MEMSベースのユニット、合成生物学を使用して作成されたセル、ユーティリティ フォグコンセプトなどがあります。

プログラム可能な物質の重要なサブグループとしてロボット材料があり、これは粒子の動きによる再構成を避けながら、 複合材料の構造的側面と、センサー、アクチュエーター、計算、通信の緊密な統合によって提供されるアフォーダンスを組み合わせます^{[11] 。}

プログラム可能な物質には多くの概念があり、したがってその名前を使用した研究のさまざまな分野が存在します。以下は、プログラム可能な物質の具体的な例です。

固体-液体相変化ポンピングにより、固体物体の形状変化と移動が可能になります。^[12]このアプローチにより、サブミリメートルの解像度で物体を任意の意図した形状に変形し、そのトポロジーを自由に変更することができます。

これらには、何らかの入力に基づいて特性を変更できるが、それ自体では複雑な計算を行う能力を持たない材料が含まれます。

いくつかの複雑な流体の物理的特性は、液晶の場合のように、電流または電圧を印加することによって変更できます。

メタマテリアルは、自然界では起こらないような反応をするように制御できる人工複合材料です。デビッド・スミス氏、その後ジョン・ペンドリー氏とデビッド・シュリ氏によって開発された一例は、屈折率を調整して、材料内の異なるポイントで異なる屈折率を持つことができる材料です。適切に調整すれば、透明マントを実現できます。

プログラム可能な機械的メタマテリアルのさらなる例は、Bergamini らによって発表されています。^[13]ここでは、Wu らの研究と同様に、アルミニウム スタブをアルミニウム プレートにリンクする圧電素子の可変剛性を利用してフォノニック クリスタルを作成することで、フォノニック バンドギャップ内に通過帯域が導入されています。^[14]圧電素子は、合成インダクタを介して接地されています。圧電素子とインダクタによって形成される LC 回路の共振周波数付近では、圧電素子の剛性はほぼゼロになり、スタブはプレートから効果的に切り離されます。これは、プログラム可能な機械的メタマテリアルの例と見なされています。^[13]

2021年、チェンらは、ハードディスクドライブ内のビットに類似したバイナリ数字を各ユニットセルに保存できる機械的メタマテリアルを実証しました。^[15]同様に、これらの機械的ユニットセルは、マクスウェル構成の2つの電磁コイルと埋め込まれた磁性流体エラストマーとの相互作用を通じてプログラムされます。異なるバイナリ状態は、材料の異なる応力-ひずみ応答に関連付けられています。

活発に研究されている分野は、外部刺激に応じて形状やその他の特性を変化させることができる分子です。これらの分子は、個別に、または大量に使用して新しい種類の材料を形成できます。たとえば、 UCLAのJフレイザー・ストッダート氏のグループは、電気的特性を変化させることができる分子を開発しています。^[10]

電磁永久磁石は、電磁石と二重材料永久磁石の両方から構成される磁石の一種であり、電磁石によって生成される磁場を使用して永久磁石の磁化を変更します。永久磁石は、磁気的に硬い材料と柔らかい材料で構成されており、そのうちの柔らかい材料のみが磁化を変更できます。磁気的に柔らかい材料と硬い材料の磁化が反対の場合、磁石には正味の磁場がなく、それらが整列すると磁石は磁気的挙動を示します。^[16]

電気永久磁石は、電気エネルギーを継続的に供給しなくても磁気効果を維持できる制御可能な永久磁石を作成することができます。これらの理由から、電気永久磁石は、自己構築構造を生み出すことができるプログラム可能な磁石の構築を目指す研究に不可欠な要素です。^{[16] [17]}

自己再構成モジュラーロボットは、プログラム可能な物質と同様に、一連の基本ロボットモジュールが連携して動的に形状を形成し、多くのタスクに適した動作を作成します。SRCMRは、多くの新しい可能性を導入することで、多くの種類のオブジェクトまたはシステムを大幅に改善することを目指しています。たとえば、1. 最も重要なのは、モジュールを制御するソフトウェアを変更することで、ソリューションの物理的構造と動作を変更できることから得られる信じられないほどの柔軟性です。2. 壊れたモジュールを自動的に交換することで自己修復する機能により、SRCMRソリューションは信じられないほど回復力があります。3. 同じモジュールをさまざまなソリューションで再利用することで、環境への影響を削減します。自己再構成モジュラーロボットは、活気に満ちたアクティブな研究コミュニティを楽しんでいます。^[18]

クレイトロニクスは、はるかに大規模な機械や機構を形成するように設計された再構成可能なナノスケールのロボット(「クレイトロニックアトム」またはcatoms )に関する新しい工学分野です。 catoms は、最終的には動き回ったり、他のコンピューターと通信したり、色を変えたり、他の catoms と静電的に接続してさまざまな形状を形成できる 機能を持つ、サブミリメートル コンピューターになります。

セルオートマトンとは、相互作用して望ましい全体的な動作を実現する個別のユニットの概念の一部を抽象化するのに役立つ概念です。

量子井戸は 1 つ以上の電子を保持できます。これらの電子は人工原子のように動作し、実際の原子と同様に共有結合を形成できますが、その結合は非常に弱いです。サイズが大きいため、他の特性も大きく異なります。

合成生物学は、「新しい生物学的機能」を持つ細胞を設計することを目的とした分野です。^[要出典] このような細胞は通常、遺伝子トグルスイッチなどの合成遺伝子ネットワークを使用して「プログラム」して色や形などを変更できる、より大きなシステム（例：バイオフィルム）を作成するために使用されます。このような生物に触発された材料生産アプローチは、基質接着、ナノ粒子テンプレート、タンパク質固定化などの特定の機能のためにプログラムできる自己組織化細菌バイオフィルム材料を使用して実証されています。^[19]

• コンピュトロニウム
• ナノテクノロジー
• 自己組織化
• スマートマテリアル
• スマートダスト
• ユビキタスコンピューティング
• ユニバーサルチューリングマシン
• ユーティリティフォグ

• 「DARPA（米軍）プログラマブル マター スラスト」。Afcea International。2009年 5 月 26 日。
• 「プログラマブル・マター・コンソーシアム」。2022年4月20日。