Промышленные роботы Ч. 3 учебное пособие

При проектировании скафандра-экзоскелетона необходимо было подобрать такие материалы и оборудование, которые обеспечивали бы выполнение работы, но позволяли бы уменьшить габариты и вес скафандра.

При подборе материала для использования в конструкции экзоскелетона применяли следующий метод.

Стержень длиной l вращали вокруг вертикальной оси х с постоянной угловой скоростью (рис. 96).

Напряжение, действующее вдоль оси х,

x 12 2 (l2 x12 ),

где ρ – плотность стержня, – угловая скорость, l – длина стержня, х1 – текущая координата.

Пусть материал подчиняется критерию Треска – Сен-Венана:

Т5 ma x σ1 2 , 2 3 , 3 1 ,

где σ1, σ2, σ3 – главные напряжения; σ1 – минимальное напряжение;σ3 – максимальное напряжение.

Поскольку тензор напряжений Т имеет только одну компоненту x ( , x1), то можно записать, что при данных и l

T5 12 ρ 2l2 ,

где 12 2l2 .

Полученная зависимость T5 f ( ) показана на рис. 97.

приводов, пневмоприводов и электродвигателей для обеспечения движения предложен привод, основой которого является специально сконструированный

121

материал. Он состоит из ячеек, в которых расположены электромагниты (рис. 98). При подаче питания магниты отталкиваются, приводя материал к сокращению по длине, что и используется для приведения экзоскелетона в движение.

Рис. 98. Вид материала скафандра-экзоскелетона

Применение данного материала значительно упрощает схему системы управления экзоскелетона, поскольку для работы, кроме самих приводов, требуется минимальное количество дополнительных устройств, т.е. схема системы управления движением принимает следующий вид:

Наиболее привлекательным в данной конструкции привода является то, что при выходе из строя одной или нескольких ячеек остальная часть материала продолжит работу.

122

VII. НАНОРОБОТЫ

7.1. Развитие нанотехнологий в России и за рубежом

Нанотехнологии – новый и пока не слишком понятный широкой публике термин. Но скоро в мир нанотехнологий войдет каждая домохозяйка, а сами нанотехнологии принесут новую научно-техническую революцию. В мире на развитие нанотехнологий будут потрачены рекордные 8,6 млрд долларов. Расходы правительств составят больше половины этой суммы – 4,6 млрд долларов, что говорит о стратегической, государственной важности нанотехнологий.

Выделяют следующие этапы в развитии нанотехнологий:

1982 г. – создание Г. Биннигом и Г. Рорером сканирующего туннельного микроскопа – прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне;

1982–85 гг. – достижение атомарного разрешения; 1986 г. – создание атомного силового микроскопа, позволяющего, в отли-

чие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими;

1990 г. – манипуляции единичными атомами; 1994 г. – начало применения нанотехнологических методов в промышлен-

ности.

Понятие «нанотехнология» в 1974 г. придумал японец Норе Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Нанотехнологии имеют дело с объектами в одну миллиардную часть метра, т.е. размером с атом. Первые технические средства в этой области были изобретены в швейцарских лабораториях IBM. В 1982 г. был создан растровый туннельный микроскоп, отмеченный через четыре года Нобелевской премией. В 1986 г. появился атомный силовой микроскоп. В отличие от прежних электронных приборов, которые позволяли лишь наблюдать микромир, новейшие приборы (их правильнее было бы назвать нанозондами) дают возможность изменять этот мир, строить в нем из атомов, как из кирпичиков, молекулы с любыми свойствами. Изменения происходят помимо желания человека. По законам квантовой физики любое наблюдение – это манипуляция с наблюдаемым объектом. Тот, кто измеряет импульс атома, вступает во взаимодействие с ним и изменяет его состояние. В растровых микроскопах наблюдение и манипуляция едины, как пальцы на руке.

123

Одним из самых многообещающих и вполне реальных применений нанотехнологий могут оказаться нанороботы (или наноботы) – устройства размером в десятки нанометров, которые самостоятельно манипулируют атомами.

Нанороботы будут обладать способностью самовоспроизводиться, создавать из произвольного органического и неорганического подручного материала любые предметы. В итоге нанороботы, манипулируя молекулами, смогут создать любой предмет или существо.

Один из самых важных технологических приоритетов – биоорганическое материаловедение на основе нанотехнологий, где бум, судя по западным публикациям, только начинается. Фактически наука подошла к моделированию принципов построения живой материи, которая основана на саморегуляции. Раньше саморегуляцией были наделены только живые организмы, но нанотехнологии сделают саморегуляцию свойством неживой материи. Впрочем, в этом случае уже и не поймешь, где живая материя, а где мертвая.

Свойством саморегуляции будут наделены, к примеру, нанороботы. Освоенный и отмеченный Нобелевской премией метод создания структур с помощью квантовых точек и есть самая настоящая саморегуляция неорганической материи. Этот переворот в науке и в цивилизации приведет к созданию бионических приборов, клеточных мембран из биоорганики, даже биологических органов и объектов, вплоть до глаза, печени, кожи и самого совершенного компьютера, которым является мозг.

Вся история науки – это накопление и анализ новых знаний, а в ХХ столетии – прежде всего в области ядерной физики и физики высоких энергий, которые определили лицо современной цивилизации. Но сейчас благодаря нанотехнологиям ученые от анализа впервые переходят к синтезу. Это качественное изменение мира науки. Впервые человек присваивает себе функции Творца, получает возможность по своей воле создавать новый мир на основе биоорганики, которая соединила физику и молекулярную биологию.

И, как всегда при появлении нового знания, все громче звучат голоса тех, кто обеспокоен возможной неподконтрольностью этого знания. Кому в руки попадет инструмент, созданный нанотехнологиями? Опасения подпитываются историей, а тех, кто разделяет эти взгляды, именуют «наноапокалиптиками». Они предлагают радикальные меры: наложить временный мораторий на развитие нанотехнологий до тех пор, пока не будет создан и одобрен всем мировым сообществом строгий свод правил о применении нового знания. Наноапокалип-

124

тики говорят о неминуемости войн, которые, защищая интересы своих создателей, будут вести нанороботы-дизассемблеры. И очень скоро, предполагают наноапокалиптики, у нанороботов могут появиться собственные интересы, которые не будут иметь ничего общего с интересами человека.

Где место России в нанотехнологическом буме? Мы по крайней мере знаем о нем и сознаем его важность. Развитие нанотехнологий значится на одной из верхних строк в утвержденном Президентом РФ перечне приоритетных научных направлений. Из десятка европейских источников синхротронного излучения два работают в России – в Новосибирске и в Курчатовском центре, третий почти готов в Зеленограде. Еще один синхротронный источник может быть построен в Дубне. Нейтронный источник создается в Санкт-Петербурге. Лучшие в мире сканирующие зондовые микроскопы, которые работают в 90 институтах РАН, созданы в Зеленограде и уже несколько лет приобретаются Европой. С 1970-х гг. на наших космических станциях велись уникальные опыты по биотехнологии, где в условиях невесомости выращивались белки и производились особо чистые материалы, в том числе полупроводники. Сейчас эти эксперименты продолжаются на международной космической станции. Создание новых материалов – это решение энергетических проблем, это качественный рывок в информатике. Следовательно, мы ни от кого в нанотехнологиях не отстали.

7.2. Электронные элементы на основе нанотехнологий

Принято считать, что нанотехнология «началась» тогда, когда 70 лет назад Г.А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера.

Новое явление, названное «туннелирование», позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы.

Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра – основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г.А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.

Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя, когда появились туннельные диоды, открытые

125

японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю.С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ «Пульсар», предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать сверхмалыми величинами порядка нанометров (1 нм = 10–9 м).

До сих пор создание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось главным образом на технике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различных материалов толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеют значительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. К этим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии (до нескольких сотен градусов), при которой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, «размывающие» планарные структуры. Более «холодные» технологии осаждения, типа напыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектов на границах их раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры.

Формирование элементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном в районе области фокусировки и под ней, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов.

Новые потенциальные возможности нанотехнологий открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами.

126

Ктранзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода.

Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К недостаткам его можно отнести трудности создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре.

Кпринципиально другому типу транзисторов следует отнести транзисторы Аронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцевого диапазона, а к недостаткам – наивысшие требования к однородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам.

Ктретьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток. Данный транзистор хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумя по энергопотреблению и быстродействию, но предъявляет наиболее простые требования к технологии создания и позволяет достичь частотного диапазона в сотни гигагерц.

В 1993 г. было разработано семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе созданы логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры 10 нм, а рабочая частота

~1012 Гц.

Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковая микроэлектроника фактически ос-

127

талась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым «тиранией межсоединений». Она не только сдерживает развитие прогрессивных интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.

7.3.Виды разрабатываемых нанороботов и сферы их применения

Вближайшие несколько десятилетий в производственной, биологической

имедицинской сферах должна произойти революция, причем довольно необычная. Человеческий разум проник в глубины материи. Например, мы не видим, как течет электрический ток, но уже описали это явление множеством законов. Теперь ученые проникли гораздо глубже и добрались до наномира (одна миллионная доля миллиметра). При этом точно так же, как применяется слово «робот» практически ко всему, что делается в современной технике, и понятие «нанотехнологии» весьма расплывчато.

Однако многие ученые мира заняты проектированием нанороботов различных видов. Нанороботов разделяют на два типа: ассемблеры, способные конструировать и воспроизводиться, и дизассемблеры, способные разбирать.

Кпервому типу можно отнести, например, робота-конструктора, способного на атомном уровне контролировать молекулы и производить новые материалы (например, делать воду или кислород). Если он будет изобретен, то мы сможем перевести любой производственный процесс на наноуровень.

Нанороботы-конструкторы интересны и для других сфер народного хозяйства, так как смогут производить продукты питания, топливо и прочие мате-

риалы, необходимые для жизнедеятельности человека. Не стоит забывать и о том, что нанороботы смогут и самовоспроизводиться, как сейчас машины собирают другие машины. При этом человек пока не видит в этом опасности.

Для применения в медицине в большинстве случаев говорят о наноробо- тах-дестракторах (уничтожителях). Если запустить их в человеческое тело и запрограммировать определенным способом, то можно без труда выделять и уничтожать вирусы и другие ненужные элементы. Таким образом, появляются мысли о том, что человек может стать бессмертным.

128

Нанороботы-уничтожители интересны для экологов, которые видят за внедрением этих технологий возможности устранения неприятных последствий жизнедеятельности человека.

С помощью нанороботов человек сможет сделать окружающую среду максимально комфортной для своего существования. Она будет предназначена только для его обслуживания. При этом управлением большинством таких нанороботов будет заниматься какой-либо аналог компьютера.

Это будет новый тип разума, а человек отойдет на второй план. Однако такая точка зрения достаточно спорна. Не так давно всемирным разумом называли Интернет, хотя он стал не чем иным, как большим хранилищем данных. Так как нанороботы смогут самовоспроизводиться, то это может повлечь за собой ряд проблем, особенно если произойдут сбои в программах.

Разработав глобальную систему, человек сможет более эффективно покорять космос и завоевывать новые пространства. Представьте себе вариант, когда на какую-либо планету «высаживаются» миллиарды запрограммированных нанороботов. Одни отвечают за строительство, другие – за промышленность,

атретьи – за адаптацию атмосферы...

7.4.Проблемы, решаемые на пути создания нанороботов

Входе истории люди всегда пытались упорядочивать атомы с целью получения структур с заданными свойствами. Все развитие техники, по сути, сводится к постоянному уменьшению частиц вещества, с которыми можно работать. Первобытные люди обтесывали камни, откалывая кусочки, содержащие бесконечное число атомов. Позже появились более тонкие инструменты, позволявшие оперировать значительно меньшим количеством атомов, но счет все равно шел на квадриллионы. В двадцатом веке освоили технологии создания тонких пленок. Напыляемые слои состояли из нескольких молекул.

Идеальный вариант – манипулирование отдельными атомами. Расположив их определенным образом, можно создавать структуры с любыми заданными свойствами. На сегодняшний день такая задача не относится к области фантастики. Уже примерно двадцать лет, как химики научились собирать структуры поатомно. Первоначально такая операция представлялась проблематичной, но, понимая все значение новой области науки, ученые нашли различные методы ее выполнения. Это нанотехнологии. Элементарной структурной единицей, с которой они работают, являются отдельные атомы, имеющие размеры порядка десятых долей нанометра.

129

Но как можно оперировать отдельными атомами? Ответом на данный вопрос являемся мы сами. Ведь внутри каждого из нас большое количество разнообразных белков, ферментов и гормонов, а занимаются они именно тем, что выборочно разбирают или собирают те или иные молекулы. Отличие от нанотехнологии, конечно, есть: перечисленные химические соединения оперируют группами атомов и для работы с отдельными атомами не приспособлены.

Манипулирование атомами стало возможным после появления сканирующего электронного микроскопа с туннельным эффектом. Он мог перемещать отдельные атомы с помощью специальных электромагнитных полей. Принципиальная дорога в мир нанотехнологии оказалась открытой, и ученые не преминули ею воспользоваться. Укладывая атомы углерода в определенной последовательности, они одержали в восьмидесятых годах первую победу: собрали из них две шестеренки, сидящие на валах и свободно на них вращающиеся. Эти шестеренки имели размер порядка нескольких нанометров. Как только выяснилось, что таким образом можно построить работающий механизм, началось бурное развитие нанотехнологии.

Уже через несколько лет удалось построить первый наноэлектродвигатель. В нем использовалась способность некоторых длинных органических молекул передавать электрический ток практически без потерь. Мотор работал так: когда на «обмотку», представляющую собой одну «длинную» молекулу, подавали напряжение, ротор, состоящий всего из нескольких молекул, начинал вращаться. Путь к наноманипулятору был открыт. С его созданием люди перестанут нуждаться в громоздких электронных микроскопах, так как переставлять атомы можно будет с помощью самого манипулятора.

Судя по затратам на исследования, их результаты должны быть поистине грандиозными: создание некой волшебной палочки, решающей если не все, то по крайней мере очень многие проблемы, стоящие перед человечеством. Поиски призваны привести к появлению универсального инструмента – наноробота, способного манипулировать отдельными атомами, просто «захватывая» их и расставляя в нужных местах. Таким образом можно будет создавать структуры любой сложности с требуемыми свойствами. Нужно только писать соответствующие программы.

Нанотехнологии открывают огромные перспективы. Они позволят создавать сверхчистые материалы, которые нельзя получить другими способами. Если кому-либо для выполнения уникального эксперимента потребуется ал-

130