Claytronics ist ein System, das entwickelt wurde, um das Konzept der programmierbaren Materie zu implementieren, d. h. Material, das in drei Dimensionen auf dieselbe Weise elektronisch manipuliert werden kann, wie zweidimensionale Bilder durch Computergrafik manipuliert werden können. Solche Materialien würden aus „Katomen“ – Claytronics-Atomen – bestehen, die in Analogie zu echten Atomen die kleinsten unteilbaren Einheiten der programmierbaren Materie wären. Jedes Katom wäre in der Lage, elektronische Anweisungen zu empfangen, Informationen zu verarbeiten und mit anderen Katomen zu kommunizieren und an ihnen festzuhalten. Gruppen von Katomen wären bewegungsfähig, aber ohne dass die einzelnen Katome bewegliche Teile hätten. Ziel ist es, sehr viele sehr kleine Katome in der nanoskaligen Robotik zum Einsatz zu bringen, die ein breites Anwendungsspektrum ermöglichen.
Die Basiseinheit der Claytronics, das Catom, besteht aus einer in sich geschlossenen Struktur, die einen Empfänger oder eine Antenne, eine Zentraleinheit (CPU), eine Stromversorgung, einen oder mehrere Sensoren, ein Videodisplay und Befestigungsmittel aufweist, und sich relativ zu anderen Katomen bewegen. Die Haftung könnte beispielsweise durch Magnetismus oder elektrostatische Kräfte erreicht werden. Seit 2011 werden erfolgreiche Versuche mit relativ großflächigen Katomen durchgeführt, die sich mit Hilfe von Elektromagneten, die nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden können, in zwei Dimensionen relativ zueinander bewegen können. Es wird erwartet, dass Katome im Submillimeter- und sogar Nanometerbereich massenproduziert werden, so dass Sammlungen von Millionen von Katomen manipuliert werden können.
In der Claytronic werden Sammlungen von Katomen als „Ensembles“ bezeichnet. Jedes Katom innerhalb eines Ensembles ist in der Lage, seinen Standort zu bestimmen, und kann durch Kombination dieser Informationen mit einem Gesamtziel, das für das Ensemble als Ganzes vorgegeben ist, entscheiden, ob es sich mit benachbarten Katomen verbinden oder sich relativ zu ihnen bewegen möchte. Beispielsweise könnte einem Ensemble das Ziel gegeben werden, ein dreidimensionales Objekt zu reproduzieren. Anfangs können sich die einzelnen Katome zufällig bewegen, aber da sie die Informationen, die sie über das zu reproduzierende Objekt erhalten haben, in Kombination mit Informationen über ihren Zustand und ihre Position aus ihrem internen Gedächtnis und ihren Sensoren verwenden, nimmt das Objekt durch ihre Kooperation Gestalt an Handlung.
Um das Verhalten von Millionen in sich abgeschlossener Einheiten zu organisieren, müssen neue Programmiersprachen entwickelt werden, die sich stark von denen für konventionelle Anwendungen unterscheiden. Zum Beispiel wäre es nicht möglich, jede Einheit eindeutig zu identifizieren – sie wäre „anonym“ und daher würde ein „Programm“ nicht aus Sätzen spezifischer Anweisungen bestehen, die an bestimmte Einheiten gesendet werden. Stattdessen würde ein Ziel vorgegeben und den im Wesentlichen autonomen Einheiten überlassen, sich nach einfachen Regeln zu organisieren. Zu diesem Zweck wurden die beiden Programmiersprachen Meld und Locally Distributed Predicates (LDP) entwickelt.
Eine wahrscheinliche Anwendung für Claytronics ist ein 3-D-Faxgerät, das die Reproduktion von dreidimensionalen Objekten aus übertragenen Informationen ermöglichen würde. Obwohl eine Reihe anderer Optionen vorgeschlagen wurden, um dies zu erreichen, ist es wahrscheinlich, dass die Claytronics-Technologie zu einer viel schnelleren Reproduktion führen würde. Das zu reproduzierende Objekt könnte einfach unter einer Schicht aus Katomen begraben werden, die Informationen über die Abmessungen des Objekts erhalten und an ein empfangendes Katomensemble weiterleiten, das sich dann selbst organisiert, um eine genaue Reproduktion zu erstellen. Eine andere Möglichkeit ist „Pario“, ein Fortschritt gegenüber dem Video, der die Manipulation von sich bewegenden dreidimensionalen Objekten mit vielen Anwendungsmöglichkeiten in Forschung, Modellierung, Design und Bildung sowie Unterhaltung ermöglicht.