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Programmierbarer Materialalgorithmus löst universelles Beschichtungsproblem
Die Welt ist voll von komplexen Bauwerken wie Brücken, Straßen, Windturbinen, Kraftwerken usw., die sorgfältig überwacht werden müssen, um ihre Unversehrtheit zu gewährleisten.
Heute muss ein Großteil dieser Arbeit von Ingenieuren vor Ort erledigt werden. Das ist nicht so einfach bei Objekten, die sich über Hunderte oder sogar Tausende Kilometer erstrecken, wie Straßen oder abgelegene Strukturen wie Offshore-Windkraftanlagen.
Eine Möglichkeit, dies aus der Ferne zu tun, wäre also äußerst wertvoll. Offensichtlich ist eine Art unabhängiger Sensor erforderlich, der die erforderliche Eigenschaft wie Temperatur oder Säuregehalt oder Rissbildung usw. messen kann.
Und tatsächlich gibt es zahlreiche Gadgets dafür. Beispielsweise können optische Fasern, die an Objekten befestigt oder darin eingebettet sind, die auf sie einwirkenden Kräfte messen, und an diesen Fasern angebrachte Sensoren können Temperatur, Säuregehalt usw. überwachen.
Aber diese Art von Sensoren bieten keine globale Abdeckung – sie können Ihnen nicht die Temperatur an irgendeinem Punkt des Objekts anzeigen. Dafür brauchen Sie etwas Ehrgeizigeres.
Der Traum wäre eine intelligente Beschichtung, die diese Aufgabe übernimmt. Dies wäre ein programmierbares Material, das ein Objekt vollständig mit einer dünnen Schicht überzieht. Es würde winzige Partikelsensoren enthalten, die Informationen über die Oberfläche sammeln, beispielsweise ihre Temperatur, und sie an ihre nächsten Nachbarn weitergeben.
Während Mathematiker lange über die Eigenschaften programmierbarer Materialien nachgedacht haben, hat sie eine Frage verblüfft. Ist es möglich, mit einer smarten Beschichtung die Temperatur an beliebigen Stellen eines beliebigen Objekts zu bestimmen, obwohl die Sensoren keine Kenntnis von dessen Gesamtgeometrie haben?
Heute bekommen wir dank der Arbeit von Zahra Derakhshandeh von der Arizona State University in Tempe und einigen Freunden eine Antwort auf diese Frage. Sie haben eine Reihe von Algorithmen entwickelt, die den mathematischen Rahmen liefern, der es diesen Partikeln ermöglicht, dieses Problem zu lösen.
Damit das funktioniert, müssen die Feinstaubsensoren und die Beschichtung bestimmte Eigenschaften aufweisen. Derakhshandeh und Co sagen, dass die Sensoren in der Lage sein müssen, sich innerhalb der Oberfläche zu bewegen und Kommunikationsverbindungen mit ihren nächsten Nachbarn herzustellen und zu unterbrechen. Das Objekt muss eine Geometrie aufweisen, die eine gleichmäßige Beschichtung ermöglicht.
Unter diesen Bedingungen sagen Derakhshandeh und Co, dass ihr Framework als universeller Beschichtungsalgorithmus für programmierbare Materie fungiert. Die Teilchen müssen nur ein begrenztes Gedächtnis haben, kommunizieren nur über kurze Distanzen und sind vollkommen anonym, also alle gleichwertig.
Das ist eine merkwürdige Arbeit, die eines Tages zu einigen nützlichen Anwendungen in der Fernüberwachung führen könnte.
Es bleibt jedoch noch zu tun. Angesichts der Aufgabe, eine Eigenschaft des Materials an einem bestimmten Punkt zu messen, besteht ein wichtiges Problem darin, wie schnell der Algorithmus dies tun kann. Um das herauszufinden, schlägt das Team vor, den Algorithmus in einer Simulation oder mit real programmierbarer Materie zu testen. Es wird interessant sein zu sehen, wie sie sich schlagen.
Ein weiteres wichtiges Problem wird die Energieeffizienz dieser Art programmierbarer Materie sein. Welchen Kommunikationsaufwand verursacht das Beschichtungsproblem und könnte die Energie dafür möglicherweise aus der Umwelt gewonnen werden?
Es ist noch früh für programmierbare Materie und für eine universelle Beschichtung. Aber die Einsparungen, die die Algorithmen von Derakhshandeh und Co ermöglichen könnten, sind beträchtlich, wenn man beispielsweise die Kosten für die Überwachung und Wartung von Offshore-Windkraftanlagen bedenkt. Allein das sollte für die Zukunft weiteres Interesse an diesem Thema garantieren.
Ref: http://arxiv.org/abs/1601.01008 : Universelle Beschichtung für programmierbare Materie