Программируемая материя

Термин «программируемая материя» был впервые введён в 1991 году Тоффоли и Марголусом для обозначения ансамбля мелкогранулированных вычислительных элементов, размещённых в пространстве^[1]. В этой работе описывается вычислительная субстанция, состоящая из вычислительных узлов, распределённых в пространстве и взаимодействующих только с ближайшими соседями. В данном контексте программируемая материя относится к вычислительным моделям, подобным клеточным автоматам и автоматам на решётке^[2]. Аппаратная реализация этой модели реализована в архитектуре CAM-8^[3]. Функция, аналогичная программируемой материи, в некоторых областях саморазмножающихся машин также называется «цифровые референтные области» (DRA, digital referenced areas)^[4].

В начале 1990-х годов проводилось значительное количество исследований в области реконфигурируемой модульной робототехники, подход которой во многом совпадал с философией программируемой материи^[4].

С развитием технологий, таких как полупроводники, нанотехнологии и саморазмножающиеся машины, расширилось и трактование программируемой материи, включив в себя создание ансамбля элементов, которые в физической реальности, а не только в моделях, могут быть «запрограммированы» на изменение своих физических свойств. Таким образом, программируемой материей стали называть любое вещество, которое можно запрограммировать на изменение его физических характеристик.

Летом 1998 года, в ходе обсуждения искусственных атомов и программируемой материи, Маккарти и Г. Снайдер предложили термин «quantum wellstone» («квантовый уэллстоун») для обозначения подобной гипотетической, но реализуемой формы программируемой материи. Маккарти использовал этот термин в своих художественных произведениях.

В 2002 году Сет Голдштейн и Тодд Моври запустили проект claytronics в Университете Карнеги — Меллон, с целью изучения аппаратных и программных механизмов, необходимых для реализации программируемой материи.

В 2004 году группа информационных наук и технологий DARPA (ISAT) рассмотрела потенциал программируемой материи. Это привело к запуску в 2005–2006 годах исследовательской программы «Реализация программируемой материи», рассчитанной на несколько лет.

В 2007 году программируемая материя стала предметом специального запроса на исследования DARPA и последующей программы^[5][6].

С 2016 по 2022 год Национальное агентство научных исследований Франции (ANR) финансировало ряд исследований под руководством Жюльена Буржуа и Бенуа Пиранды в FEMTO-ST (Бесансон, Франция), который возглавил проект Claytronics, инициированный Intel и Университетом Карнеги — Меллон^[7].

Современные исследования в области программируемой материи сосредоточены на нескольких ключевых направлениях: открытие новых материалов с помощью искусственного интеллекта, разработка теоретических и алгоритмических основ для роботизированных систем, а также стратегические инициативы в сфере «умных материалов».

В 2023 году лаборатория Google DeepMind представила проект GNoME (Graph Networks for Materials Exploration), в рамках которого с помощью моделей глубокого обучения было предсказано 2,2 миллиона новых неорганических кристаллов^[8]. Из них 380 000 были определены как наиболее стабильные, что значительно расширило базу известных человечеству стабильных кристаллических структур^[8][9]. Эти материалы являются кандидатами для создания более эффективных аккумуляторов, сверхпроводников и полупроводников^[8]. Данные проекта были переданы в открытую базу данных Materials Project, а в рамках сопутствующего проекта A-Lab (автономная лаборатория) с помощью роботизированных систем был успешно синтезирован 41 новый материал из предсказанных GNoME^[10].

Параллельно продолжается работа над теоретическими основами программируемой материи, в частности в области клейтроники. В 2023 году состоялся семинар в Дагштуле (Германия), посвящённый алгоритмическим основам программируемой материи^[11]. Исследования ведутся в Падерборнском университете, где для анализа алгоритмов используется абстрактная «Амебот-модель»^[12], а в 2024 году в Технологическом университете Эйндховена были представлены методы управления множеством микророботов для построения структур^[13].

Стратегический интерес к этой области подтверждается инициативами DARPA. В 2024 году агентство включило «динамически программируемую материю» (Dynamically programmable matter) в список ключевых тем для исследовательских предложений в рамках своей программы для молодых учёных на 2025 год^[14].

Исследования также ведутся в рамках более широкой концепции «умных материалов». В 2025 году на Форуме будущих технологий в России обсуждались перспективы материалов, способных программируемым образом изменять свои свойства, таких как сплавы с эффектом памяти и самовосстанавливающиеся материалы, для применения в аэрокосмической, медицинской и других отраслях^[15].

В одном из подходов программирование осуществляется извне и достигается с помощью «облучения светом, приложением напряжения, электрических или магнитных полей и др.». Например, жидкокристаллический дисплей является разновидностью программируемой материи. Согласно другому направлению, отдельные элементы ансамбля способны вычислять, и итог их вычислений — изменения физических свойств всей структуры. Пример такого более сложного варианта — claytronics.

Существуют различные реализации программируемой материи, отличающиеся прежде всего масштабом. В одном конце спектра находятся реконфигурируемые модульные роботы (с отдельными модулями размером в сантиметры)^[4].^[16][17] На наномасштабе в качестве основы программируемой материи рассматриваются молекулы, изменяющие форму^[18], и квантовые точки, которые называют искусственными атомами. В диапазоне между микро- и субмиллиметрами встречаются элементы на основе микроэлектромеханических систем, клетки, созданные методами синтетической биологии, и концепция утилити-фога.

Особый класс программируемой материи — роботизованные материалы, сочетающие структурные свойства композитов с возможностями, обеспечиваемыми интеграцией сенсоров, приводов, вычислений и коммуникаций^[19], но не всегда предусматривающие перестройку структуры за счёт перемещения частиц.

Существует множество концепций программируемой материи, что обусловило различные направления исследований. Приведены некоторые конкретные примеры программируемой материи.

Изменение формы и передвижение твёрдых объектов возможно с помощью фазовых переходов между твёрдой и жидкой фазой^[20]. Такой подход позволяет деформировать объекты в любую форму с субмиллиметровой точностью и свободно менять их топологию.

К ним относятся материалы, способные изменять свои свойства в ответ на внешнее воздействие, но не обладающие способностью к сложной внутренней вычислительной обработке данных.

Физические свойства ряда комплексных жидкостей можно изменять с помощью приложенного тока или напряжения, как, например, у жидких кристаллов.

Метаматериалы — искусственные композиты, которые могут быть запрограммированы для реакций, не встречающихся в природе. Например, Дэвид Смит, а затем Джон Пендри и Дэвид Шуери создали материал, показатель преломления которого можно изменять локально вплоть до создания эффекта плаща-невидимки.

Другой пример программируемого механического метаматериала представлен в работе Bergamini и соавт^[21]. В данной работе в зоне запрещённых частот (phononic bandgap) создаются проходные полосы за счёт переменной жёсткости пьезоэлектрических элементов, соединяющих алюминиевые стержни с пластиной, как у Wu и соавт^[22]. Пьезоэлементы подключены к земле через синтетические индуктивности; около резонансной частоты LC-цепочки жёсткость пьезоэлемента становится практически нулевой, разъединяя стержни от пластины^[21]

В 2021 году Tian Chen и соавт. продемонстрировали механический метаматериал, элементарные ячейки которого могут хранить по одному биту информации (аналогично магнитному жёсткому диску).^[23]. Программирование осуществляется путём взаимодействия электромагнитных катушек (в конфигурации Максвелла) и встроенного магнито-реологического эластомера. Каждое бинарное состояние соответствует своей механической кривой «напряжение–деформация».

Ведётся активное исследование молекул, способных изменять форму и другие свойства в ответ на внешние стимулы. Такие молекулы могут применяться как по отдельности, так и массово, позволяя создавать новые материалы. Например, группа Фрейзера Стоддарта (UCLA) разрабатывает молекулы с изменяемыми электрическими характеристиками^[18].

Электроперманентный магнит сочетает в себе электромагнит и постоянный магнит, выполненные из материалов с разной магнитной жёсткостью: только в мягком компоненте возможно изменение намагниченности. Если жёсткая и мягкая составляющие намагничены встречно — магнитного поля нет; если сонаправленно — прибор ведёт себя как постоянный магнит^[24].

Электроперманентные магниты позволяют создавать управляемые постоянные магниты, сохраняющие эффект без подачи внешнего питания. Благодаря этим свойствам они применяются в исследованиях по созданию программируемых магнитов для самосборных структур^[24][25].

Самоконфигурируемая модульная робототехника подразумевает группу базовых модулей—роботов, совместно формирующих структуры и поведение, пригодные для самых разных задач, как и в программируемой материи. Ключевые преимущества — исключительная гибкость (изменение формы и функций благодаря изменению программного кода модулей), возможность самовосстановления путём автоматической замены вышедших из строя элементов, а также экологическая универсальность за счёт многоразового использования одного и того же набора модулей. Сообщество SRCMR активно и постоянно развивается^[26].

Клейтроника — это направление в инженерии, посвящённое созданию реконфигурируемых роботов («клейтронические атомы» или catoms), способных объединяться для формирования крупномасштабных динамических объектов и механизмов^[27]. Катомы представляют собой миниатюрные компьютеры, которые могут передвигаться, обмениваться информацией, менять цвет и соединяться друг с другом электростатически. Хотя долгосрочной целью является создание катомов субмиллиметрового или нанометрового размера^[28], существующие прототипы, разработанные в Университете Карнеги — Меллон, имеют миллиметровые размеры (например, цилиндры диаметром 44 мм)^[29]. В 2023 году компания Claytronics, Inc. также сообщила о создании прототипа катома миллиметрового размера^[30].

Клеточные автоматы — важная абстракция для моделирования взаимодействия дискретных модулей, приводящих к формированию желаемого поведения всей системы.

Квантовые ямы способны удерживать один или несколько электронов, которые ведут себя как искусственные атомы, подобно реальным атомам, образуя ковалентные связи, хотя и очень слабые. Из-за больших размеров их характеристики существенно отличаются от настоящих атомов.

Синтетическая биология — область, в которой разрабатывают клетки с «новыми биологическими функциями». Такие клетки используют для построения макроскопических систем (например, биоплёнок), способных быть «запрограммированными» с помощью синтетических генных сетей, таких как генетические переключатели, чтобы менять цвет, форму и др. Подобные подходы в материаловедении уже демонстрировались — например, с использованием самоорганизующихся бактериальных биоплёнок для целенаправленного сцепления с субстратом, формирования наночастиц и иммобилизации белков^[31].

В 2024 году DARPA анонсировало программу «Switch», направленную на создание перепрограммируемых микроорганизмов для нужд биопроизводства^[32]. Концепция предполагает возможность «переключать» функции организма для синтеза различных веществ по команде, что перекликается с идеями программируемой материи^[32].

В смежной области «умных материалов» были созданы биорезорбируемые медицинские имплантаты с программируемым сроком растворения. Учёные НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из МФТИ и Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) разработали метод обработки магниевого сплава, который позволяет имплантатам дольше сохранять необходимую форму и растворяться в организме равномерно. Такая технология позволяет регулировать скорость растворения, что минимизирует необходимость повторных хирургических операций для удаления имплантата.