مواد رباتیک

مواد رباتیک مواد مرکبی هستند که حسگری، محرک، محاسبه و ارتباط را در یک الگوی تکرارشونده یا بی‌شکل با هم ترکیب می‌کنند.(https://www.science.org/doi/10.1126/science.1261689) M. A. McEvoy and N.Correll. Materials that couple sensing, actuation, computation, and communication, Science Vol. 347 no. 6228 DOI: 10.1126/science.1261689] مواد رباتیک را می‌توان فرامواد محاسباتی در نظر گرفت، زیرا تعریف اصلی فراماده را گسترش می‌دهند؛R. M. Walser, Electromagnetic metamaterials. Proc. SPIE 4467, Complex Mediums II: Beyond Linear Isotropic Dielectrics (San Diego, CA, 2001), pp. 1–15 (2001). یعنی «ترکیب‌های ماکروسکوپی با معماری سلولی سه‌بعدی ساخته دست بشر که برای تولید یک ترکیب بهینه طراحی شده‌اند، ترکیبی که در طبیعت یافت نمی‌شود و از دو یا چند پاسخ به یک تحریک ویژه تشکیل می‌شود» و این بار به‌طور کامل قابل برنامه‌ریزی‌اند. به این معنا که برخلاف یک فراماده مرسوم، رابطه بین یک تحریک مشخص و پاسخ آن توسط حسگری، محرک و یک برنامهٔ رایانه‌ای که منطق مورد نظر را پیاده‌سازی می‌کند تعیین می‌شود.

 تاریخچه 
ایدهٔ ساخت موادی که محاسبات را در خود جای دهند، به‌شدت به مفهوم ماده قابل برنامه‌ریزی نزدیک است؛ اصطلاحی که در سال ۱۹۹۱T. Toffoli, N. Margolus, Programmable matter: Concepts and realization. Physica D 47, 263–272 (1991). 10.1016/0167-2789(91)90296 توسط توفولی و مارگولوس مطرح شد. آن‌ها این مفهوم را برای آرایه‌های متراکم عناصر محاسباتی که می‌توانستند شبیه‌سازی‌های پیچیده اجزای محدود سامانه‌های مادی را حل کنند به کار بردند و بعدها برای توصیف موادی توسعه یافت که از بلوک‌های سازندهٔ یکسان و متحرک تشکیل شده‌اند و به‌طور کامل بازپیکربندی‌پذیرند، و بنابراین می‌توانند ویژگی‌های فیزیکی خود را به‌طور دلخواه تغییر دهند.

مواد رباتیک بر مفهوم اولیهٔ ماده قابل برنامه‌ریزی بنا شده‌اند، اما تمرکز آن‌ها بر ویژگی‌های ساختاری پلیمرهای دربردارنده است بدون آنکه ادعای تغییر همگانی ویژگی‌های ماده داشته باشند. در اینجا واژهٔ «رباتیک» به همگرایی حسگری، محرک و محاسبه اشاره دارد و نخستین بار توسط Nikolaus Correll و دانشجویانش در مقالهٔ Science با عنوان «موادی که حسگری، محرک و محاسبه را به هم می‌آمیزند» به‌کار رفت.

 کاربردها 
مواد رباتیک امکان برون‌سپاری محاسبات به درون خود ماده را فراهم می‌کنند، به‌ویژه پردازش سیگنال‌هایی که در کاربردهای حسگری با پهنای‌باند بالا پدید می‌آیند یا بازخورد‌ی که در محرک‌های توزیعی دقیق لازم است. نمونه‌هایی از این کاربردها شامل استتار، تغییر شکل، توزیع بار، و پوست‌های رباتیک[(http://phys.org/news/2015-03-robotic-materials-world.html) Robotic materials: Changing with the world around them, phys.org, March 19, 2015.] و همچنین مجهز کردن ربات‌ها به خودمختاری بیشتر با انتقال بخشی از پردازش سیگنال و کنترل‌ها به درون ماده است،[(http://www.popsci.com/future-robotic-will-have-autonomous-materials) Autonomous Materials will let future robots change color and shift shape, Popular Science, March 19, 2015.] و در نتیجه «موادی که ربات‌ها را هوشمند می‌سازند».

 چالش‌های پژوهشی 
پژوهش در زمینه مواد رباتیک از سطح دستگاه و ساخت تا الگوریتم‌های توزیعی که مواد رباتیک را هوشمند می‌کنند گسترده است.(http://cra.org/ccc/materials-that-couple-sensing-actuation-computation-and-communication/) Materials that Couple Sensing, Actuation, Computation and Communication, Computing Community Consortium (CCC) "Great Innovative Ideas", November 2, 2015.] از این رو با حوزه‌های [[ماده کامپوزیت|مواد مرکب]، شبکه حسگر بی‌سیم، الگوریتم توزیعی و به دلیل مقیاس محاسبات درگیر، هوش ازدحامی هم‌پوشانی دارد. برخلاف هر یک از این حوزه‌ها به‌طور جداگانه، طراحی ساختار، حسگرها، محرک‌ها، زیرساخت ارتباطی و الگوریتم‌های توزیعی به‌شدت درهم‌تنیده‌اند. برای نمونه، ویژگی‌های مادهٔ سازه‌ای بر چگونگی انتشار سیگنال‌های قابل حس در ماده، فاصلهٔ لازم بین عناصر محاسباتی، و نوع پردازش سیگنال تأثیر می‌گذارد. به همین شکل، ویژگی‌های ساختاری به‌طور نزدیک با جاسازی واقعی سامانه‌های محاسباتی و ارتباطی مرتبط‌اند. ثبت این اثرات نیازمند همکاری میان‌رشته‌ای میان علوم مواد، علوم رایانه و رباتیک است.

از دیدگاه علم مواد، چالشی ویژه در ساخت موادی است که امکان ایجاد فوری اشیای پیچیده و دگرریختی آن‌ها را بنا بر فرمان فراهم می‌آورند. مروری بر رویکردهای مختلف چنین موادی توسط کایا و همکاران ارائه شده است.

 منابع 

رده:رباتیک