プログラマブルマター: 私たちが今音楽や映画を演奏するのと同じくらい簡単に、人々は物を想起させるでしょう

By Fouad Sabry

プログラマブルマターとは

プログラマブルマターとは、ユーザー入力または自律センシングに基づいて、プログラム可能な方法でその物理的特性を変更する能力を持つ物質です。したがって、プログラマブルマターは、本質的に情報処理を実行する能力を備えた素材の概念にリンクされています。

どのようにメリットがありますか

（I）次のトピックに関する洞察と検証：

第1章：プログラム可能な問題

第2章：メタマテリアル

第3章：永久電磁石

第4章：自己再構成モジュラーロボット

第5章：クレイトロニクス

第6章：セルオートマトン

第7章：量子井戸

第8章：合成生物学

（II）プログラマブルマターに関する一般的な質問への回答。

（III）多くの分野でのプログラマブルマターの使用に関する実例。

（IV）17の付録で、プログラマブルマターのテクノロジーを360度完全に理解するための各業界の266の新興テクノロジーについて簡単に説明します。

この本の対象者

専門家、学部生、大学院生、愛好家、愛好家、およびあらゆる種類のプログラム可能な問題に関する基本的な知識や情報を超えたい人。

• Language: 日本語
• Publisher: 10億人の知識があります [Japanese]
• Release date: Jan 27, 2022

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著者によるその他の本

1 - プラズマ推進

2 - パルスデトネーションエンジン

3 - 農業用ロボット工学

4 - クローズドエコロジカルシステム

5 - 培養肉

6 - 垂直農業

7 - 自律走行車

8 - 自律ドローン

9 - 自律型ロボット工学

10 - 自律兵器

11 - 考古学

12 - 4D印刷

13 - ドーム型都市

14 - 分散元帳

15 - デジタル通貨

16 - 分散型ファイナンス

17 - スマートマシン

18 - エアロゲル

19 - アモルファスメタル

20 - バイオプラスチック

21 - 導電性ポリマー

22 - 極低温治療

23 - ダイナミックアーマー

24 - フラーレン

25 - グラフェン

26 - チップ上のラボ

27 - 高温超伝導

28 - 磁性ナノ粒子

29 - 磁性流体

30 - マイクロ流体

31 - 超流動性

32 - メタマテリアル

33 - 金属フォーム

34 - 多機能構造

35 - ナノ材料

36 - プログラマブルマター

37 - 量子ドット

38 - シリセネ

39 - 超合金

40 - 合成ダイヤモンド

41 - タイムクリスタル

42 - 半透明コンクリート

43 - 脳のコンピュータインターフェイス

44 - 群れの知能

著者によるシリーズ

航空宇宙分野における新技術

1 - プラズマ推進

2 - パルスデトネーションエンジン

農業における新興技術

1 - 農業用ロボット

2 - クローズドエコロジカルシステム

3 - 培養肉

4 - 垂直農業

自律的なものにおける新たな技術

1 - 自律走行車

2 - 自律ドローン

3 - 自律型ロボット工学

4 - 自律兵器

建設における新興技術

1 - 考古学

2 - 4D印刷

3 - ドーム型都市

金融における新興テクノロジー

1 - 分散元帳

2 - デジタル通貨

3 - 分散型ファイナンス

情報技術の新技術

1 - スマートマシン

材料科学における新技術

1 - エアロゲル

2 - アモルファスメタル

3 - バイオプラスチック

4 - 導電性ポリマー

5 - 極低温治療

6 - ダイナミックアーマー

7 - フラーレン

8 - グラフェン

9 - チップ上のラボ

10 - 高温超伝導

11 - 磁性ナノ粒子

12 - 磁性流体

13 - マイクロ流体

14 - 超流動性

15 - メタマテリアル

16 - 金属フォーム

17 - 多機能構造

18 - ナノ材料

19 - プログラマブルマター

20 - 量子ドット

21 - シリセネ

22 - 超合金

23 - 合成ダイヤモンド

24 - タイムクリスタル

25 - 半透明コンクリート

神経科学における新技術

1 - 脳のコンピュータインターフェイス

ロボット工学における新技術

1 - 群れの知能

10億人の知識

プログラマブルマター

私たちが今音楽や映画を再生するのと同じくらい簡単にオブジェクトを想起させる人々

フアド・サブリー

著作権

プログラム可能な物質著作権 © 2021 フアド・サブリーによって.すべての権利予約。

すべての権利が予約されています。本書のいかなる部分も、著者の書面による許可なしに、情報保存および検索システムを含む電子的または機械的手段によって複製することはできません。唯一の例外は、レビューで短い抜粋を引用することができるレビュー担当者です。

フアド・サブリーがデザインしたカバー。

この本はフィクションの作品です。名前、文字、場所、およびインシデントは、著者の想像力の産物であるか、架空に使用されます。実際の人、生きているか死んでいるか、出来事、またはロケールに似ている場合は、まったく偶然です。

ボーナス

あなたは、「プログラム可能な問題:人々は今、私たちは今、音楽や映画を再生するように簡単にオブジェクトを想起させる」という件名で [e-mail] に電子メールを送信することができ、あなたはこの本の最初のいくつかの章を含む電子メールを受信します。

フアド・サブリー

1BKのウェブサイトをご覧ください。

www.1BKOfficial.org

前書き

なぜ私はこの本を書いたのですか。

この本を書く物語は、私が中等学校の生徒だった1989年に始まりました。

それは、現在多くの先進国で利用可能になっているSTEM(科学、技術、工学、数学)の学校のようなものです。

STEMは、学際的かつ応用的なアプローチで、科学、技術、工学、数学の4つの分野で学生を教育するという考え方に基づくカリキュラムです。この用語は、通常、学校での教育方針やカリキュラムの選択に対処するために使用されます。これは、労働力開発、国家安全保障上の懸念、移民政策に影響を与えます。

図書館には毎週授業があり、各生徒は自由に本を選んで1時間読めます。授業の目的は、教育カリキュラム以外の科目を読むことを生徒に奨励することです。

図書館では、棚の本を見ている間に、5部に5,000ページの巨大な本に気づきました。本名は、私たちの周りのすべてを記述する「技術百科事典」で、半導体に絶対的なゼロをゼロ、ほぼすべての技術は、その時、カラフルなイラストと簡単な言葉で説明しました。百科事典を読み始めたのですが、もちろん週1時間の授業では終えることができなかった。

だから、私は父に百科事典を買うように説得しました。私の父は私の人生の初めに私のためにすべての技術ツールを買いました, 最初のコンピュータと最初の技術百科事典, そして両方が私と私のキャリアに大きな影響を与えます.

今年の同じ夏休みで百科事典全体を終え、宇宙の仕組みや日常の問題に対する知識の応用方法を見始めました。

技術に対する私の情熱は30年前より始まり、まだ旅は続いています。

この本は、私が高校生の時と同じ素晴らしい経験を読者に与えようとする「新興技術百科事典」の一部ですが、20世紀の技術の代わりに、21世紀の新興技術、応用、業界ソリューションにもっと興味を持っています。

「新興技術百科事典」は365冊の本で構成され、各書籍は1つの新興技術に焦点を当てます。本書の最後にある「近日公開」の一部で、新興技術とその業界別の分類のリストを読むことができます。

読者に1年の期間内に毎日1つの新興技術に関する知識を増やす機会を与えるために365冊の本。

紹介

どうやってこの本を書いたのですか。

「新興技術百科事典」の全ての本の中で、私は、新たな技術に関する彼らの質問に答えようと、人々の心から直接、即座に生の検索洞察を得ようとしています。

毎日30億件のGoogle検索があり、その20%がこれまでに見たことがありません。彼らは人々の考えに対する直接的な線のようなものです。

時にはそれは「紙詰まりを取り除く方法」です。他の時には、それは彼らがGoogleと共有するだけの痛烈な恐怖と秘密のハンカチです。

「プログラマブルマター」に関するコンテンツアイデアの未開拓の金鉱を発見するために、私はGoogleのような検索エンジンからのオートコンプリートデータを聞くために多くのツールを使用し、その後すぐにすべての有用なフレーズや質問をクランクアウトし、人々はキーワード「プログラマブルマター」の周りに尋ねています。

それは人々の洞察力の金鉱であり、私は新鮮な、超有用なコンテンツ、製品やサービスを作成するために使用することができます。親切な人々は、あなたのような、本当にしたいです。

人々の検索は、人間の精神で収集された最も重要なデータセットです。したがって、この本はライブ製品であり、常に「プログラマブルマター」に関する新しい質問のためのより多くの答えによって更新され、あなたと私のように、あなたと同じように人々が尋ね、この新しい新しい技術について疑問に思い、それについてもっと知りたいと思います。

本書を書くアプローチは、人々が「プログラム可能な問題」を探し回る方法を深く理解し、私が頭の上から考えるとは限らない質問や質問を明らかにし、これらの質問に超簡単で消化可能な言葉で答え、簡単な方法で本をナビゲートすることです。

だから、この本を書くことに関しては、私はそれが可能な限り最適化され、ターゲットにされていることを確認しました。本書の目的は、人々が「プログラム可能な問題」についての知識をさらに理解し、成長させるのを助けることです。私は人々の質問にできるだけ密接に答え、より多くのことを示そうとしています。

人々が抱える質問や問題を探求し、それらに直接答え、本の内容に洞察力、検証、創造性を加え、ピッチや提案さえも提供する素晴らしい、そして美しい方法です。この本は、私がそうでなければ到達しない豊かで、混雑しておらず、時には驚くべき研究需要の領域を明らかにしています。このアプローチを使って本を読んだ後、潜在的な読者の心の知識を高めることが期待されているのは間違いありません。

私はこの本の内容を常に新鮮にするためにユニークなアプローチを適用しました。このアプローチは、検索リスニングツールを使用して、人々の心に耳を傾けることによって異なります。このアプローチは、私が助けになりました:

読者がどこにいるか正確に知ることができるので、和音を打ち、トピックをより理解できる関連コンテンツを作成できます。

脈拍にしっかりと指を置いておくので、人々がこの新しい技術について新しい方法で話すときに最新情報を入手し、時間の経過とともにトレンドを監視することができます。

疑問の隠された宝物を発見するコンテンツの関連性を高め、それに勝利の優位性を与える予期しない洞察と隠されたニッチを発見するために、新興の技術についての答えが必要です。

読者が望むコンテンツに関するガットフィールと推測に時間を無駄にするのをやめ、人々が必要とするもので本の内容を埋め、憶測に基づいて無限のコンテンツアイデアに別れを告げます。

確かな意思決定を行い、リスクを減らして、人々が読みたいこと、知りたいもの(リアルタイム)に最前列の座席を取得し、検索データを使用して大胆な意思決定を行い、どのトピックを含めるか、どのトピックを除外するかを決定します。

コンテンツ制作を合理化して、日々、数週間の時間を節約するために個々の意見を手動でふるいにかけずにコンテンツのアイデアを特定します。

質問に答えるだけで、人々が簡単な方法で知識を増やすのを助けるのは素晴らしいことです。

この本を書くアプローチは、照合し、検索エンジンで読者が尋ねている重要な質問を追跡するほどユニークだと思います。

確認

本を書くことは想像以上に難しく、想像以上にやりがいがあります。一流の研究者による作業がなければ、いずれも不可能であり、この新しい技術に関する国民の知識を高めるための彼らの努力を認めたいと思います。

献身

悟りを開いた人には、物事を異なる方法で見て、世界をより良くしたいと思う人は、現状や既存の状態が好きではありません。あなたは彼らにあまりにも多くの反対をすることができますし、あなたは彼らとさらに議論することができますが、あなたはそれらを無視することはできませんし、彼らは常に物事を変えるので、それらを過小評価することはできません.彼らは人類を前進させ、狂ったものやアマチュアと見なす人もいれば、世界を変えることができると思うほど啓発されている人は、人々を啓発に導くものなので、天才やイノベーターを見る人もいます。

エピグラフ

プログラマブル・マターは、ユーザー入力または自律センシングに基づいて、プログラム可能な方法で物理特性を変更する能力を持つ問題です。プログラム可能な物質は、情報処理を実行する能力を本質的に有する材料の概念にリンクされています。

目次

プログラマブルマター

著者によるその他の本

著者によるシリーズ

プログラマブルマター

著作権

ボーナス

前書き

紹介

確認

献身

エピグラフ

目次

第1章:プログラマブルな問題

第2章 メタマテリアル

第3章 電永久的磁石

第4章:モジュラーロボットの自己再構成

第5章 クレイトロニクス

第6章:オートマトン

第7章 量子井戸

第8章 合成生物学

エピローグ

著者について

もうすぐです

付録:各業界の新しい技術

第1章:プログラマブルな問題

プログラマブル物質は、ユーザー入力や自律センシングに応じて、その物理的特性(形状、密度、変調、導電性、光学特性など)をプログラム可能な方法で変更できる物質として定義されます。したがって、プログラム可能な物質は、情報処理を生来実行する能力を持つ物質の概念と関連している。

歴史

トフォリとマーゴルスは、宇宙に配列されたきめ細かいコンピュータユニットのアンサンブルを記述するために、1991年に「プログラム可能な物質」というフレーズを作成しました。彼らの研究は、最も近い隣人の相互作用を介してのみ通信する空間全体に散在するきめ細かい計算ノードで構成されたコンピューティング基板を提供しています。プログラマブルマターは、この文脈において、細胞オートマトンおよび格子ガスオートマタに匹敵する計算モデルを指す。CAM-8 アーキテクチャは、このモデルのハードウェア実装の例です。自己複製機技術の一部の形態では、この機能は「デジタル参照領域」(DRA)とも呼ばれます。

1990年代初頭には、プログラマブルマターに匹敵する考え方を持つ再構成可能なモジュラーロボットにはかなりの作業がありました。

半導体技術、ナノテクノロジー、自己複製機技術が進歩する中で、「プログラム可能な物質」という用語は、シミュレーションだけでなく、現実に物理的特性を変えるために「プログラム」できる要素のアンサンブルを構築することができるという事実を反映して進化しました。その結果、「プログラム可能な物質」という用語は、「その物理的特性を変更するようにプログラムすることができるバルク物質」を指すようになりました。

ウィル・マッカーシーとG・スナイダーは、人工原子とプログラマブルな物質に関する会話の中で、1998年の夏にこの投機的だが可能性の高い種類のプログラム可能な物質を特徴付けるために、「量子 ウェルストーン」(または単に「ウェルストーン」)という名前を作りました。マッカーシーは彼の文章の中でこのフレーズを使いました。

セス・ゴールドスタインとトッド・モウリーは、プログラミング可能な問題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技術を調べるために、2002年にカーネギーメロン大学のクレイトロニクスプロジェクトを設立しました。

DARPA情報科学技術グループ(ISAT)は、2004年にプログラム可能な問題の可能性を調査しました。これは、2005年から2006年の研究「プログラマブル・マターの実現」で、プログラム可能な物質の研究開発に対する複数年にわたるアプローチを概説しました。

DARPAの研究勧誘とその後のプログラムに関するプログラムは、2007年に発行されました。

アプローチ

File:Adaptnetic Structures.webm

プログラム可能な要素 が材料自体の外部にあるという意味で、単純なプログラム可能な問題。非ニュートン流体は磁化され、衝撃や急激な圧力に耐える支持柱を作り出す。

ある思考の学校によると、プログラミングは材料の外で起こり、「光、電圧、電界、磁場などの適用」によって達成される可能性があります。(マッカーシー、2006)液晶ディスプレイは、例えば、プログラム可能な物質の一種である。第2の思考の学校は、アンサンブルの個々の単位が計算することができ、その計算の結果がアンサンブルの物理的属性の変化であることを保持しています。 クレイトロニクス は、プログラム可能な材料のこのより野心的な形の一例です。

プログラム可能な問題の実装に関する提案は数多くありました。スケールは、さまざまなタイプのプログラマブル・マターの基本的な違いです。スペクトルの一端で、再構成可能なモジュラーロボティクスは、センチメートルの範囲の個々の単位を持つプログラム可能な物質の一種を提案する。形状を変える分子から量子ドットに至るまで、スペクトルのナノスケールの端には、プログラマブル物質の可能な塩基がたくさん存在します。実際、量子ドットは人工原子と呼ばれることが多い。MEMSベースの単位、合成生物学を利用して作られた細胞、およびユーティリティフォグの概念は、マイクロメーターからサブミリ波までの範囲のすべてのインスタンスです。

複合材料の構造的特性と、センサー、アクチュエータ、計算、通信の緊密な統合によって得られるアフォーダンスを組み合わせたロボット材料は、プログラマブルな物質の重要なサブグループです。

例

プログラム可能な物質には多くの異なる解釈があり、したがって、この用語を使用する多くの異なる問い合わせ行があります。プログラム可能な問題の特定のインスタンスを以下に示します。

「シンプル」

これらは、入力に基づいてプロパティを変更できるが、独自に複雑な計算を行うことができない材料です。

複雑な流体

液晶のようないくつかの複雑な流体の物理的特性は、電流または電圧を加えることによって変化させることができます。

メタマテリアル

メタマテリアルは、予期しない方法で反応するようにプログラムすることができる人工複合材料です。後にジョン・ペンドリーとデビッド・スリによって作成されたデビッド・スミスによって作成された1つの例は、屈折率を変更して、材料内の異なるサイトで異なる屈折率を持つことができる材料です。正しく調整すると、不可視のマントが発生する可能性があります。

ベルガミニら、プログラマブル-機械的-メタマテリアルのもう一つの例を挙げる。このフォノニックバンドギャップ内のパスバンドを、アルミニウムスタブをアルミニウム板に結び付ける圧電素子の様々な剛性を利用して、ここで加えられ、このとき、Wuらのようにフォノニック結晶を生成する。合成インダクタの上に、圧電元素は地面にシャントされます。圧電成分は、圧電とインダクタによって生成されるLC回路の共振周波数を中心に、ほぼゼロ剛性を表示し、それによってプレートからスタブを除去する。これは、プログラマブルな機械的メタマテリアルの1つのタイプです。

Chenらは、2021年にハードディスクドライブ内のビットに相当する2進数字を個別に保存できるユニットセルを持つ機械的メタマテリアルを実証した。同様に、Maxwell構成における2つの電磁コイルと組み込み 磁気学的エラストマーとの相互作用は、これらの機械的ユニット細胞を訓練するために使用される。材料の応力-ひずみ応答は、そのバイナリ状態によって異なります。

形を変える分子

外部刺激に反応して形やその他の特性を変化させる分子は、研究のホットな話題です。これらの分子は、1人で、あるいは大量に利用して、新しい材料を作り出すことができます。例えば、UCLAのJフレイザー・ストッダートのグループは、電気的特性を変える可能性のある分子に取り組んできました。

永久磁石

電磁磁石と二重材料永久磁石を組み合わせた磁石であり、電磁石によって生み出される磁場を利用して永久磁石の磁化を調整します。永久磁石は、磁気的に硬く、柔らかい材料で構成され、柔らかい材料の磁化だけが変化します。磁気的に柔らかく硬い材料が対磁化を有する場合、磁石はネットフィールドを持たない。それらが整列すると、磁石は磁気的な挙動を示す。

それらは電気エネルギーの一定した供給を必要としないで維持することができる磁気効果の制御可能な永久磁石の作成を可能にする。これらの理由から、 電磁磁石 は、自己構築構造を生成できるプログラムされた磁石の開発を目的とした研究プロジェクトの重要な構成要素です。

ロボット工学ベースのアプローチ

モジュラーロボットの自己再構成

自己再構成モジュラーロボットは、基本的なロボットモジュールのセットが協力して形状を構築し、プログラム可能な問題に匹敵する幅広いアプリケーションに適した行動を生み出すロボット工学のブランチです。SRCMRは、多くの新しい可能性を導入することで、多くの異なる種類のアイテムやシステムを大幅に改善する予定です。例: 1. モジュールを制御するソフトウェアを変更することで、システムの物理的な構造と動作を変更する能力は、大きな柔軟性を提供します。2. 壊れたモジュールを交換して自己修復する能力は、SRCMRソリューションを非常に弾力性のあるものにします。3. 複数のソリューションで同じモジュールを再利用することで環境負荷を低減モジュラーロボットを自己再構成するための活気に満ちた活発な研究コミュニティが存在します。

クレイトロニクス

クレイトロニクスは、再構成可能なナノスケールロボット(「粘土原子」またはカトム)に焦点を当てた新しい工学部門であり、大規模な機械やプロセスを構築するために組み合わされる可能性があります。カトムは、移動し、他のコンピュータと通信し、色を変更し、他のカトムに静電的に取り付けて多様な形状を形成できるサブミリ波コンピュータになります。

セルオートマトン

セルオートマトンは、所望の全体的な動作を生成するために相互作用する離散単位の概念の一部に適した抽象化です。

量子井戸

1つ以上の電子を量子井戸に保持することができる。これらの電子は偽の原子のように振る舞い、実際の原子のように、非常に弱いものではあるが共有結合を形成する可能性がある。その他の機能は、大きなサイズの結果として大きく異なります。

合成生物学

リボソームは、ナノスケールでタンパク質のダイナミクスを利用してタンパク質を合成する生物学的機械です。

合成生物学は、「新しい生物学的機能」を持つ細胞を作ろうとする生物学の分野です。このような細胞は、通常、遺伝的トグルスイッチなどの合成遺伝子ネットワークを利用して、色、形態などを変化させる「訓練」を受ける可能性のあるより大きなシステム(例えばバイオフィルム)を構築するために採用される。基板の付着、ナノ粒子のテンプレート、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され得る自己集合性細菌バイオフィルム材料は、このような生物に触発された材料の作成アプローチを示すために使用されてきた。

{章 1} の終了

See also

Claytronics

Computronium

Nanotechnology

Smart material

Smartdust

Ubiquitous computing

Universal Turing machine

Utility fog

References

Toffoli, Tommaso; Margolus, Norman (1991). Programmable matter: concepts and realization. Physica D. 47 (1–2): 263–272. Bibcode:1991PhyD...47..263T. doi:10.1016/0167-2789(91)90296-L.

Rothman, D.H.; Zaleski, S. (2004) [1997]. Lattice Gas Cellular Automata. Cambridge University Press. ISBN 9780521607605.

CAM8: a Parallel, Uniform, Scalable Architecture for Cellular Automata Experimentation. Ai.mit.edu. Retrieved 2013-04-10.

http://www.geocities.com/charles_c_22191/temporarypreviewfile.html?1205202563050

DARPA research solicitation. Archived from the original on July 15, 2009.

DARPA Strategic Thrusts: Programmable Matter Archived December 12, 2010, at the Wayback Machine

Research

[1]

UCLA Chemistry and Biochemistry. Stoddart.chem.ucla.edu. Archived from the original on 2004-10-12. Retrieved 2013-04-10.

M. A. McEvoy and N. Correll. Materials that couple sensing, actuation, computation, and communication. Science 347(6228), 2015.

Bergamini, Andrea; Delpero, Tommaso; De Simoni, Luca; Di Lillo, Luigi; Ruzzene, Massimo; Ermanni, Paolo (2014). Phononic Crystal with Adaptive Connectivity. Advanced Materials. 2 (9). pp. 1343–1347. doi:10.1002/adma.201305280. ISSN 0935-9648.

Wu, Tsung-Tsong; Huang, Zi-Gui; Tsai, Tzu-Chin; Wu, Tzung-Chen (2008). Evidence of complete band gap and resonances in a plate with periodic stubbed surface. Applied Physics Letters. 93 (11). p. 111902. doi:10.1063/1.2970992. ISSN 0003-6951.

Chen, Tian; Pauly, Mark; Reis M., Pedro (2021). A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory. Nature. 589 (7842). pp. 386–390. doi:10.1038/s41586-020-03123-5. ISSN 1476-4687.

Deyle, Travis (2010). Electropermanent Magnets: Programmable Magnets with Zero Static Power Consumption Enable Smallest Modular Robots Yet. HiZook. Retrieved 2012-04-06.

Hardesty, Larry (2012). Self-sculpting sand. MIT. Retrieved 2012-04-06.

(Yim et al. 2007, pp. 43–52) An overview of recent work and challenges

Nguyen, Peter (Sep 17, 2014). Programmable biofilm-based materials from engineered curli nanofibres. Nature Communications. 5: 4945. Bibcode:2014NatCo...5.4945N. doi:10.1038/ncomms5945. PMID 25229329.

Further reading

Goldstein, Seth Copen; Campbell, Jason; Mowry, Todd C. (June 2005). Programmable Matter. IEEE Computer. 38 (6): 99–101. doi:10.1109/MC.2005.198.

McCarthy, Wil (2006). Programmable Matter FAQ. Nature. 407 (6804): 569. doi:10.1038/35036656. PMID 11034188. S2CID 5242445.

McCarthy, Wil (2003). Hacking Matter: Levitating Chairs, Quantum Mirages, and the Infinite Weirdness of Programmable Atoms. New York: Basic Books. ISBN 978-0-465-04428-3.

Yim, Mark; Shen, Wei-Min; Salemi, Behnam; Rus, Daniela; Moll, Mark; Lipson, Hod; Klavins, Eric; Chirikjian, Gregory (March 2007). Modular Self-Reconfigurable Robot Systems. IEEE Robotics & Automation Magazine. 14 (1): 43. doi:10.1109/MRA.2007.339623. S2CID 11100988.

External links

DARPA (US Military) Programmable Matter Thrust. 26 May 2009.

第2章 メタマテリアル

銅の分割リング共振器とワイヤがファイバーグラス回路基板の連動シートに取り付けられた負インデックスメタマテリアルアレイ構成。合計アレイは、全体寸法が10mm×100mm×100mm(×3.94で×3.94の0.39)の3×20×20単位セルで構成されています。

メタマテリアル(ギリシャ語のμετττmeta、つまり「超えた」とラテン語のマテリア語、「物質」または「材料」を意味する)は、天然の材料にはない特性を持つため設計された材料です。それらは金属およびプラスチックのような合成材料から作られた複数の要素のアセンブリからなされる。材料は、通常、影響を与える現象の波長よりも小さいスケールで、繰り返しパターンに配置されます。メタマテリアルは、基本マテリアルの特性からではなく、新しく設計された構造から派生します。その正確な形状、形状、サイズ、方向および配置は、電磁波を操作することができるスマートな特性を与える:遮断、吸収、強化、または曲げ波によって、従来の材料で可能なものを超えた利点を達成する。

適切に構築されたメタマテリアルは、バルク材料では不可能な方法で電磁放射や音波に影響を与える可能性があります。負のインデックスメタマテリアルは、これらの材料に与えられた名前です。

メタマテリアルは、光学フィルター、医療機器、遠隔航空宇宙アプリケーション、センサー検出とインフラ監視、スマート太陽光発電管理、クラウドコントロール、レイドーム、高周波戦場通信、高ゲインアンテナ用レンズ、地震からのシールド構造など、さまざまな用途に対応しています。

電気工学、電磁界、古典光学、固体物理学、マイクロ波、アンテナ工学、光電子工学、材料科学、ナノサイエンス、半導体工学は、すべてメタマテリアル研究に携わっています。

内容

1 歴史

2 電磁メタマテリアル

2.1 負の屈折率

2.2 単一の負

2.3 双曲

2.4 バンドギャップ

2.5 ダブルポジティブメディア

2.6 二等方性と対異方性

2.7 キラル

2.8 FSS ベース

3 その他のタイプ

3.1 弾性

3.2 音響

3.3 構造

3.4 非線形

3.5 ホールメタマテリアル

4 周波数帯域

4.1 テラヘルツ

4.2 フォトニック

4.3 チューニング可能

4.4 プラズモニック

5 アプリケーション

5.1 アンテナ

5.2 吸収材

5.3 スーパーレンズ

5.4 クロークデバイス

5.5 RCS(レーダー断面) メタマテリアルの低減

5.6 耐震保護

5.7 サウンドフィルタリング

6 理論モデル

7 機関ネットワーク

7.1 ミュリ

7.2 変態

8 参照も

9 参考文献

10 外部リンク

歴史

19世紀末、電磁波を操作する人工材料の実験が始まりました。1898年にキラル特性を持つ化合物を発見したジャガディッシュ・チャンドラ・ボースは、メタマテリアルと呼ぶ可能性のある初期の構造のいくつかを研究しました。20世紀初頭、カール・フェルディナンド・リンドマンは、人工キラルメディアとして金属ヘリクスとの波の相互作用を調査しました。

AT&Tベル研究所のウィンストン・E・コックは、1940年代後半にメタマテリアルに匹敵する特性を持つ材料を作成しました。人工誘電体は、1950年代と1960年代に軽量マイクロ波アンテナについて調査されました。マイクロ波レーダー吸収剤は、1980年代と1990年代に人工キラルメディアの用途として調査されました。

負のインデックスの材料は、1967年にビクター・ヴェセラゴによって理論的に記述されました。

2000年、ジョン・ペンドリーは、右手のルールに従わない材料である左利きのメタマテリアルを作成する実用的な方法を最初に特定しました。このような材料は、電磁波がその位相速度に対してエネルギーを伝える(グループ速度を有する)ことができます。ペンドリーの考え方は、波の方向に沿って整列した金属線が負の誘電率(誘電率ε <0)を提供できるということです。天然素材(強誘電体など)は負の誘電率を示します。課題は、負の透過性(μ <0)を達成することであった。1999年、ペンドリーは、波の伝播方向に軸を配置したスプリットリング(C形状)がそうできることを実証しました。同じ論文で、彼はワイヤーとリングの周期的な配列が負の屈折率を引き起こすことができることを示しました。ペンドリーはまた、関連する負の透過性の設計、スイスのロールを提案しました。

David R. Smith et al. は、2000 年にスプリットリング共振器と細線構造を周期的に積み重ねて機能する電磁メタマテリアルの実験的実証を報告しました。2002年には、マイクロストリップ技術で人工的な一括要素を搭載した送電線を用いた負指数メタマテリアルの製造方法が提案された。2003年には、錯体(実成分と虚数成分を含む)負の屈折率が導入されました。

電磁メタマテリアル

電磁メタマテリアルは、その構造特性に影響を与える、または相互作用する波長よりも小さい電磁波に影響を与えます。均質な材料の特徴は、有効屈折率によって正確に表される均質な材料として振る舞うためには、波長よりもかなり小さくなければなりません。

マイクロ波放射特性はミリメートル単位で測定されます。マイクロ波周波数メタマテリアルは、多くの場合、適切な誘導性および容量性特性を持つ導電性要素(ワイヤーループなど)のアレイとして構築されます。スプリットリング共振器は、多くのマイクロ波メタマテリアルに使用されています。

フォトニックメタマテリアルは、光周波数で光を修飾するナノメートルスケール構造です。サブ波長構造メタマテリアルは、フォトニック結晶や回折格子、誘電体ミラー、光学コーティングなどの周波数選択面に類似しています。しかし、その機能は回折や干渉から派生するため、同種の材料として近似できないため、メタマテリアルとは分離していると考えられます。しかし、フォトニック結晶などの材料構造は、可視光スペクトルにおいて有効である。可視スペクトルの中心の波長は約560nm(太陽光用)です。フォトニック結晶形成は、典型的には、このサイズの半分以下、または280nmである。

プラズモニックメタマテリアルは、金属表面の光周波数で一括して振動する電荷パケットである表面プラズモンを利用します。

周波数選択サーフェス(FSS)は、サブ波長特性を持ち、人工磁気導体(AMC)または高インピーダンス面(HIS)とも呼ばれます。FSSの誘導性および容量性特性は、そのサブ波長構造と密接に関連している。

電磁メタマテリアルは、次のように異なるクラスに分類できます。

負の屈折率