Fig. 1: Imagem Representacional de Matéria Programável
À medida que a computação se torna mais barata e mais rápida, as máquinas tornam-se mais rápidas e mais inteligentes. No século anterior, os computadores eram acessíveis apenas a uma pequena fração da sociedade, como grandes instituições empresariais ou educacionais, e só podiam ser operados por especialistas, mas, à medida que o tempo avançava, o mesmo acontecia com a tecnologia. Os computadores de hoje são tão baratos quanto o aluguel médio mensal e podem ser usados até por uma criança de 5 anos. Quando estão disponíveis para uma parcela tão grande da população, mais pessoas encontram melhores maneiras de integrar a computação com outros setores para estabelecer um sistema global mais eficiente. Uma das indústrias que foi afetada por isso é a Indústria Transformadora, que passou a fabricar peças para uso pessoal. A “Fabricação Pessoal” ganhou impulso com a invenção das impressoras 3D, onde você pode projetar suas próprias peças em um software CAD (Computer Aided Design) e então criar uma réplica física de seu modelo usando ferramentas guiadas por computador. As impressoras 3D pessoais estão se tornando muito populares atualmente, tornando-as uma visão comum em instituições educacionais. Mas isso para aqui? Se não, o que mais podemos fazer para avançar esta tecnologia?
Como costumamos fazer, olhamos para a natureza em busca de uma resposta. Os dados genéticos presentes em cada célula viva fornecem à célula todas as informações necessárias para formar um organismo vivo inteiro, formando partes totalmente diferentes usando blocos de construção semelhantes. E se as moléculas da matéria pudessem ser programadas de maneira semelhante para alterar as suas propriedades de acordo com o que é exigido delas? Como propriedades ópticas, densidade, elasticidade, estrutura cristalina, etc. E se moléculas individuais pudessem se construir usando as informações que lhes são fornecidas? Matéria que pode construir-se, curar-se e mudar quando necessário. Isto é o que o conceito de “Matéria Programável” tenta alcançar.
Fig. 2: Imagem Simbólica Mostrando Conceito de Matéria Programável
Matéria Programável – Introdução
Matéria programável é uma forma de matéria digital ou 'matéria inteligente' que tem a capacidade de realizar funções como detecção, computação e atuação, permitindo-lhe alterar a dinâmica de suas propriedades. Um bloco de matéria programável conteria milhares de minúsculos microrobôs que interagiriam entre si para funcionar como uma entidade unitária. Imagine toda a caixa de ferramentas de um mecânico integrada em um único dispositivo, uma chave inglesa que pode se transformar em uma chave de fenda e depois em um alicate, tudo isso permanecendo na mão do mecânico. As capacidades que este conceito poderia alcançar são ilimitadas e poderiam ajudar a atingir um estágio de maturidade nesta era de semicondutores em que vivemos hoje. A matéria programável não precisa necessariamente estar no estado sólido, pode até ser um líquido que pode responder ao código, como fluidos ferromagnéticos não newtonianos ou mesmo matéria sólida programável misturada em fluidos viscosos para ser usada como spray em mistura inteligente.
A abordagem deste problema pode ser abordada em duas direções:
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Os estímulos necessários para causar a mudança na matéria podem vir de uma fonte externa, ou seja, através da aplicação de calor, pressão, voltagem, luz, campos elétricos ou magnéticos; pode-se manipular a relação que a mudança tem com os estímulos com a propriedade de interesse.
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A segunda forma é programar as unidades individuais (estímulos internos) com capacidade computacional para que possam calcular a sua própria mudança e implementá-la por si próprios. O comando pode ser pré-alimentado neles ou receber o comando dinamicamente do usuário ou do ambiente. Um bom exemplo desta abordagem é “Claytronics”.
Figura 3: Fotos mostrando matéria de programação dobrável DARPA Origami
Na matéria programável, o tamanho é um fator importante que desempenha um papel na determinação da resolução tridimensional do objeto. Uma unidade básica de matéria programável
deve ter uma fonte de energia, capacidade de processamento, módulos de comunicação, detecção e atuação, etc. Tudo isso cabendo em um pequeno objeto depende dos tamanhos dos elementos individuais e, portanto, são diferenciados da escala centimétrica às escalas micrométrica e nanométrica. A escala nanométrica está muito à frente do conceito de pontos quânticos, que são átomos artificiais que podem confinar a carga elétrica em todas as três dimensões. A escala micrométrica envolve a utilização de unidades baseadas em MEMS, que são pequenos robôs construídos com dispositivos Nano.
Claytrônica
Claytrônica
Uma combinação de nano-robótica e ciência da computação, a Claytronics combina tudo isso em minúsculos nanômetros (10-9m) escalar robôs que podem interagir entre si para formar objetos físicos conforme exigido pelo usuário. Cada Nano robô individual se comporta como um átomo ou um bloco de construção básico do objeto e, portanto, são chamados de átomos claytrônicos ou “Catoms”. Cada Catom faz parte de uma grande rede informatizada que se comunica com os outros catoms e se identifica com base na função atribuída. Com a ajuda dos átomos, a matéria pode assumir qualquer forma imaginável. O anel no seu dedo pode se transformar em um abridor de garrafas e uma espátula na cozinha pode se transformar em uma faca. Se a Claytronics for implementada através de matéria biológica, você pode até transformar sua comida no que quiser. Claytronics é um tema atual de pesquisa, grande parte da qual está sendo feita na Universidade Carnegie Melon, nos Laboratórios de Pesquisa da Intel e na DARPA (Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa), que esperam trazer esse conceito à realidade nas próximas décadas. A DARPA, entretanto, está tentando desenvolver claytronics para fins de defesa e combate, sendo o mais popular deles o projeto de robôs que mudam de forma, que podem fluir como mercúrio através das menores aberturas (muito parecido com os malignos robôs T-1000 de liquefação do Terminator – 2) .
Existem muitas complexidades envolvidas no emprego da claytrônica. A implementação complexa de software é uma delas. Para dar as instruções aos Catoms, devemos primeiro criar a lógica do comando e a lógica para criar um objeto 3D a partir de milhões de elementos idênticos não é tão simples. Um dos problemas é que os cátomos identificam sua função individual. Tomando um martelo, por exemplo, como os cátomos decidirão quais formam a cabeça e quais formam o cabo. Isto constitui uma complicação de atribuição de função e terá de ter em conta as localizações espaciais de todos os átomos, a orientação do produto final e os caminhos envolvidos (para evitar interferência de caminho). A pesquisa atual está focada no conceito de Robótica Modular Reconfigurável (MRR) combinada com uma programação complexa de alto nível chamada “Predicados Distribuídos Localmente”. Em 2005, os pesquisadores desenvolveram cátomos cilíndricos de 44 mm de diâmetro que se ligariam uns aos outros por meio da atração eletroímã. Mas, com o encolhimento da corrente eletrônica, é possível fabricar cátomos cilíndricos de 1 mm de diâmetro produzidos pelo processo de fotolitografia e controlados por atração e repulsão eletromagnética. Os eletroímãs são colocados ao longo da circunferência do cilindro (24 em número). Pesquisadores da Carnegie Melon University desenvolveram vários protótipos de catoms em diferentes formatos, cubos, cilindros, esferas, balões, etc.
Fig. 4: Um exemplo de matéria programável
Figura 5: Imagens mostrando unidades MEMS Clatom
Destaques da aplicação – Fax 3D, interface de vídeo
Vamos tentar imaginá-los através de exemplos. Suponha que sua empresa, localizada na Índia, criou um novo projeto para uma válvula de injeção de combustível e deseja apresentá-lo ao seu cliente, uma empresa automobilística no Japão. A maneira convencional seria enviar-lhes pelo correio os rascunhos do projeto e o modelo CAD que eles teriam novamente que analisar e recriar em seu ambiente. Mas, com o fax 3D, você poderia colocar o modelo 3D do produto em uma massa lamacenta de Catoms, na Índia, que escanearia a informação espacial do objeto e a comunicaria ao aparelho de fax no Japão. A máquina no Japão recriaria o objeto 3D usando a integração dos átomos na extremidade receptora formando uma réplica física exata do modelo.
Agora imagine, em vez de um objeto inanimado, imaginar que seus próprios movimentos são escaneados por diferentes sensores e os dados são comunicados ao receptor. Os catoms criariam uma réplica do seu corpo e rastreariam seus movimentos ao vivo para imitar a réplica Claytronic. Isso dá uma dimensão totalmente nova ao bate-papo por vídeo. Os soldados destacados em estações distantes podem agora testemunhar os seus bebés recém-nascidos, dos quais de outra forma sentiriam falta, ou os professores das cidades terem aulas para os menos privilegiados nas zonas rurais (se ainda existirem zonas rurais nessa altura) ou dar vida aos videojogos.
Fig. 6: Implementação de matéria programável em robôs SwarmAplicativo
Conclusão
Matéria Programável é um conceito distante que há uma década era apenas um conceito de ficção científica. Agora que a investigação está a colmatar esta lacuna, é importante compreender as implicações que terá na sociedade. Será tão importante quanto a invenção do computador ou da internet. Observando as semelhanças que possuem, ambos encontram aplicação em praticamente qualquer campo que exista, ambos podem ser programados para sincronizar com as necessidades específicas do usuário. Portanto, podemos presumir o futuro da matéria programável comparando-a com o caminho que a computação tomou. Embora os desenvolvimentos estejam a ocorrer a um ritmo rápido (de acordo com a Lei de Moore), levará algum tempo para se tornarem uma realidade comercial. Os computadores também levaram algumas décadas para passar de equipamentos de laboratório grandes e caros a equipamentos domésticos indispensáveis.
Assim como a informática, sendo os prós numerosos, há sempre uma grande preocupação, a Segurança! Hackear computadores representa grandes problemas, mas e se um sistema de catoms for invadido? Sua própria cadeira poderia mantê-lo como refém. Isto representará um problema, mas não imediatamente, e tal problema não impediu o crescimento da computação. À medida que esta tecnologia cresce, também crescem as medidas de segurança que impedem a pirataria informática. O próximo problema que pode surgir é o do desemprego, não por falta de qualificação, mas porque não haverá mais nada para fazer por pessoa.
Estamos na Terra há uma pequena fração de sua existência e agora estamos à beira de criar uma forma de vida digital. Realmente retrata a verdadeira capacidade do que podemos alcançar se apenas pudermos imaginar. A maturidade da matéria programável pode ou não acontecer durante a nossa geração, mas, sempre que surgir, será para melhor e impulsionará o desenvolvimento humano para uma nova dimensão.
Fig. 7: Imagem mostrando palha autodobrável