Промышленные роботы Ч. 3 учебное пособие
.pdfмаз, превышающий по величине знаменитый Кохинор, создание его не проблема. Да и не только для расстановки атомов пригодятся нанороботы. Они и сами являются сверхточными инструментами. С их помощью можно конструировать новые нанороботы, существенно удешевляя производство. А недорогим нанороботам уже под силу складывать из атомов и уникальные изделия, и предметы повседневного пользования.
После создания развитой инфраструктуры нанороботов необходимость в огромных заводах отпадет. Представьте себе устройство величиной с холодильник, снабженное компьютером. Внутри будут находиться емкость с различными химическими элементами и колония нанороботов. Допустим, вы захотели почистить зубы. Отдаете команду компьютеру, и тот активирует программу сборки зубной щетки. Нанороботы начинают ловить атомы в растворе и расставлять их по местам. Через некоторое время щетка готова, причем, если пожелаете, уже с зубной пастой. После гигиенической процедуры кладете ее обратно в емкость, где она разлагается на исходные атомы. Таким образом, стоимость изделия значительно уменьшается, поскольку нужно платить лишь за электричество и сам прибор. Кроме того, вещи не будут накапливаться, загромождая квартиру.
Не менее грандиозные перспективы открываются и перед медициной. Человечество получит лекарства от всех существующих болезней, и не только вирусного и бактериального происхождения, но и генетического. Нанороботы смогут проникать в клетки организма и исправлять все повреждения на молекулярном уровне, т. е. зубная щетка не понадобится вовсе. И наконец, прекратится дальнейшее загрязнение окружающей среды, ведь новая технология, по сути, безотходна.
Однако, чтобы достичь всего этого, нужно ответить на множество вопросов. Например, никто пока не знает, какие размеры должны иметь механические части роботов и как сделать так, чтобы они отвечали определенным требованиям.
Данную проблему можно решить экспериментально. Предположим, нам нужно знать, какую толщину должна иметь «рука» наноробота. Мы могли бы просто создать опытный образец и посмотреть, сломается она или нет. Если сломается, то сделать «руку» потолще, и т.д. Но у этого метода есть серьезный недостаток. Сейчас нанообъекты приходится создавать макрометодами, что очень дорого, трудоемко и долго. Чтобы перебрать много вариантов и выбрать наилучший, возможно, не хватит и жизни. Поэтому надо искать другие пути.
131
Итак, нам нужно знать характеристики манипулятора, по сути представляющего собой одну гигантскую молекулу. Свойства любой молекулы полностью определяются прочностью химических связей между атомами, из которых она состоит. А, как известно, химическая связь – это не что иное, как взаимодействие электронов и ядер атомов. Чтобы определить эти связи, мы должны знать вероятность пребывания электронов в конкретном месте в определенное время. Если вероятность того, что электрон находится между ядрами атомов, велика, то связь крепка. Чем ниже вероятность этого, тем слабее связь.
Проблема была решена в начале XX столетия. Австрийский исследователь Э. Шредингер создал уравнение, позволяющее узнать все свойства химического соединения, даже не получив его на практике. В уравнении учтены все силы, которые воздействуют на электрон. Ученый решил его для простейшего случая – атома водорода – и получил точно такие же значения, как и на практике. Проблема описания связей исчезла, но возникла новая: как решить само уравнение Шредингера? Чем точнее уравнение описывает реальный мир, тем меньше вероятность, что оно решаемо на бумаге. Что же делать? Надо либо упрощать уравнение, либо вычислять его приближенными методами, а чаще всего приходится делать и то и другое. Уравнение Шредингера хорошо упрощается для кристаллов, в которых атомы размещены строго в узлах решетки. А границы кристалла, где регулярная структура обрывается, расположены относительно далеко, и их влиянием можно попросту пренебречь. Именно такой подход позволил узнать свойства полупроводников, что в конечном итоге привело к созданию современных интегральных схем.
7.5. Нанороботы сегодня и завтра
До сих пор все опыты в наномире были похожи скорее на детские забавы. Самая маленькая в мире ручка рисует на поверхности золота круги в несколько атомов шириной; буквы «IBM» высотой в 6–8 атомов выкладываются с помощью туннельного микроскопа; коробочка с длиной ребра в несколько нанометров, открывается и закрывается от приложенного импульса; создаются одностенные нанотрубки диаметром 1 нм и длиной от 100 до 300 нм; пропеллерообразная молекула вращается на медной поверхности...
Но есть и более серьезные разработки. Например, ученым из США удалось испытать новый инструмент для быстрого прототипирования наноструктур, состоящих из массивов углеродных нанотрубок (рис. 99).
132
Рис. 99. Схематическое изображение нанотрубки
Уже достаточно подробно описан проект наноманипулятора. У позиционирующего устройства руки будет шесть степеней свободы. Каждая будет управляться своим храповиком, приводимым в действие давлением инертного газа, цилиндрами будут служить углеродные нанотрубки. Все достаточно просто, однако пока такая рука не создана.
Еще в октябре 1998 г. датские ученые продемонстрировали атомный триггер, состоящий из одного атома кремния и двух атомов водорода. Современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (минимальная единица информации) с помощью одного электрона. А там уже и до искусственного разума рукой подать.
По ожиданиям ученых и научной прессы, первые нанороботы должны появиться до 2010 г.
Нанотехнология стала не только пищей для ума. Она уже активно используется в производстве многих пищевых продуктов.
В настоящее время общий мировой рынок нанопищи оценивается в 2,6 млрд долларов. Эксперты прогнозируют его рост до 20 млрд долларов к 2010 г. Кто же определяет такое меню? Крупнейшие корпорации во всем мире и множество компаний поменьше. Приведенная оценка предполагает, что 200 компаний проводят научно-исследовательские работы в данной области, включая пять из 10 гигантов пищевой промышленности.
133
Итак, что нанотехнология подает на стол? Мы уже привыкли к обогащенной муке, энергетическим напиткам и витаминизированному молоку. Нанотехнология позволяет обогащать каждодневную пищу. Например, немецкая компания предлагает еду и напитки с добавлением антиоксидантов, изготовленную с помощью нанотехнологии. Антиоксидант заключается в невидимые нанокапсулы, и вы получаете необходимые для поддержания здоровья вещества, но при этом внешний вид и вкус вашей любимой пищи остается неизменным. Технология позволяет создавать водорастворимые и жирорастворимые компоненты,
аследовательно, может применяться в энергетических напитках, в мороженом.
Ктрадиционным пищевым продуктам добавляются другие витамины. Компания из Австралии добавляет нанокапсулы с омега-3-жирными кислотами в белый хлеб. И во время обеда вы получаете полезный для здоровья рыбий жир без нелюбимого с детства вкуса. А израильская компания уже продает масло канолы (разновидность рапса), обогащенное с помощью нанотехнологий.
Перспектива рисуется в восхитительных красках.
Вообразите, как ароматические нанокапсулы позволяют вам наслаждаться ароматом шоколада без потребления каких-либо калорий. Несколько больших компаний уже добавляют наноэмульгаторы для улучшения однородности пищи. А обезжиренное мороженое со структурой настоящего сможет обмануть
ивкусовые, и осязательные рецепторы во рту. Арахисовое масло станет легко намазываемым, но не за счет добавления жира.
Крупные производители еды хотят с помощью нанотехнологии сделать пищу «интерактивной». В скором времени вы сможете выбирать по желанию вкус и витамины уже после покупки продукта. Возможно, вы выберете цвет
иаромат пищи прямо перед ее потреблением. Оранжевый или зеленый? Банановый или ванильный? Или вы хотите добавить кальций для укрепления костей или фолиевую кислоту для улучшения памяти? Уже проводятся исследования по проектированию пищевых продуктов, которые включают наносенсоры. Они будут знать, в каких пищевых элементах вы нуждаетесь, и добавят именно их.
Применяют нанотехнологии и в изготовлении упаковки, что позволяет хранить пищу свежей дольше или улучшать ее вкус. Все начиналось с бутылок пива, которые увеличивают срок его годности. Частицы наноглины в пластмассовых бутылках блокируют утечку из бутылки углекислого газа, который препятствует порче пива. Бутылки заменяют более дорогое стекло или канистры
ифактически не бьются.
134
Также проводится работа над добавками нанобарьеров к пластиковой пищевой упаковке. Новшество увеличивает срок годности и может предотвратить перетекание вкуса упаковки на пищу. Кроме того, возможно создание различных датчиков, которые смогут предупредить потребителей, когда продукт испортился.
А что может дать нанотехнология на другом конце поточной линии? Она поможет вырастить более высокие урожаи и уменьшить выпуск опасных веществ в окружающую среду. Уже скоро нанотехнология сможет обеспечить фермера датчиками, которые укажут, что данным растениям не хватает воды или питательных веществ, прежде чем поникнут листья или появятся гнилые фрукты. Датчики могут быть объединены с питательным веществом или устройством для полива. В итоге каждое растение будет получать именно то, в чем нуждается. А пестициды? Вообразите, что наночастицы выпускают пестицид не в почву, а прямо в живот насекомого.
Уникальные возможности нанороботы предоставляют медицине. Наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе. На этом пути наноробот сможет исправить характеристики тканей и клеток, очистить организм от микробов и молодых раковых клеток, от отложений, к примеру, холестерина. Вооружившись нанотехнологиями, ученые уже подступают к гемофилии, болезни Альцгеймера, врожденным паталогиям.
Разрабатываются респироциты – искусственные красные клетки крови. По функциональности они во много раз превосходят существующие эритроциты: могут переносить больше кислорода, чем природный аналог; обладают большей долговечностью, возможностью перепрограммирования (что вообще в данное время не может реализовать биотехнология) и высоким быстродействием.
В живых системах быстродействие играет основную роль. Наномедицина предлагает мощные инструменты для борьбы с человеческими заболеваниями и для потенциального улучшения человеческого организма. Выполненные из алмазоида медицинские нанороботы могут сделать возможности нашего организма выше природных. Клоттоциты, например, заменяя «родные» человеческие тромбоциты, прекращают кровотечение (искусственный быстродействующий гемостазис) за 1 с, причем кровотечение может быть довольно обширным (физическое повреждение тканей) или небольшим внут-
135
ренним. При этом концентрация искусственных тромбоцитов меньше концентрации натуральных в 100 раз, т.е. клоттоциты в 10000 раз эффективней природного аналога, так как время нормального тромбогенеза колеблется от 5 до 17 мин.
Для борьбы с микробами внутри организма создаются искусственные иммунные клетки – микрофагоциты. Микрофагоцит (рис. 100) – это сфероидальное наномедицинское устройство, состоящее из 610 биллионов точно расположенных атомов и около 150 биллионов молекул газа или воды, когда резервуары устройства будут заполнены. Размеры наноробота – 3,4 мкм в диаметре вдоль главной оси, 2 мкм вдоль оси, перпендикулярной к главной. Такие размеры дают наноустройству возможность беспрепятственно проникать в мельчайшие капилляры, диаметр которых ~4 мкм. Его сравнительно большой для наноустройства объем (12,1056 мкм3) дает возможность разместить внутри наноробота два пустых внутренних резервуара объемом 4 мкм.
Рис. 100. Предполагаемый вид микрофагоцита
Наноустройство потребляет 100–200 пВт мощности при работе и может полностью «переварить» микробов, находящихся во внутреннем резервуаре наноустройства, со скоростью 2 мкм3 за 30-секундный цикл. Чтобы гарантировать надежную работу наноустройства, микрофагоцит спроектирован с десятикратным запасом по всем основным характеристикам, исключая большие пассивные структурные элементы (такие, например, как корпус). Масса «пустого» устройства 12,2 пг (см. рис. 100).
136
7.6.Прогноз развития нанотехнологий
В2003 г. командой сайта Nanotechnology News Network была предпринята попытка составить широкий прогноз развития нанотехнологий с 2003 по 2050 г. Большая часть того, что было предсказано, сбылась. Это касается наноэлектроники, спинтроники, квантовых вычислений, материаловедения и других отраслей. Были и ошибочные прогнозы, связанные с развитием нанобиологии и наномедицины, но, как показывает динамика развития этих отраслей, в недалеком будущем они также могут обогнать прогнозы.
Основной проблемой в наноиндустрии на сегодняшний день является управляемый механосинтез, т.е. составление молекул из атомов с помощью механического приближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. Наноманипулятор должен управляться либо макрокомпьютером, либо нанокомпьютером, встроенным в робота-сборщика (ассемблера), управляющего манипулятором.
Сегодня подобные манипуляторы не существуют. Зондовая микроскопия,
спомощью которой в настоящее время производят перемещение отдельных молекул и атомов, ограничена в диапазоне действия, и сама процедура сборки объектов из молекул из-за наличия интерфейса «человек – компьютер – манипулятор» не может быть автоматизирована на наноуровне.
Институтом молекулярного производства (IMM) разработан предварительный дизайн наноманипулятора с атомарной точностью. Как только будет получена система «нанокомпьютер – наноманипулятор» (эксперты прогнозируют это в 2010–2020-х гг.), можно будет программно произвести еще один такой же комплекс: первый соберет свой аналог по заданной программе, без непосредственного вмешательства человека.
Такая «самосборка» называется репликацией (рис. 101), а репликатор – ассемблером. Бактерии, используя репликативные свойства ДНК, способны развиваться за считанные часы от нескольких особей до миллионов. Таким образом, получение ассемблеров в массовом масштабе не потребует никаких затрат со стороны, кроме обеспечения их энергией и сырьем.
Управляемый наноманипулятор – одна из самых востребованных вещей в нанотехнологиях.
137
Рис. 101. Репликация
На основе системы «нанокомпьютер – наноманипулятор» можно будет организовать сборочные автоматизированные комплексы, способные собирать любые макроскопические объекты по заранее снятой либо разработанной трехмерной сетке расположения атомов. Компания Xerox в настоящее время ведет интенсивные исследования в области нанотехнологий, что наводит на мысль о ее стремлении создать в будущем дубликаторы материи. Комплекс роботов (дизассемблеров) будет разбирать на атомы исходный объект, а другой комплекс (ассемблеры) будет создавать копию, вплоть до отдельных атомов идентичную оригиналу (эксперты прогнозируют это в 2020–2030-х гг.).
Это позволит упразднить имеющийся в настоящее время комплекс фабрик, производящих продукцию с помощью «объемной» технологии, достаточно будет спроектировать в компьютеризированной системе любой продукт – и он будет собран и размножен сборочным комплексом. Благодаря репликации можно будет наделять отдельные продукты этим свойством, например нанороботов.
Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, освоение планет многозвенными роботами-амебами (рис. 102), производство строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это в 2050-х гг.).
138
Рис. 102. Робот-амеба для освоения планет
Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества – проблем нехватки пищи, жилья и энергии.
Благодаря нанотехнологиям существенно изменится конструирование машин и механизмов. Многие части упростятся вследствие новых технологий сборки, многие станут ненужными. Это позволит конструировать машины
имеханизмы, ранее недоступные человеку из-за отсутствия технологий сборки
иконструирования. Эти механизмы будут состоять, по сути дела, из одной очень сложной детали.
Спомощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создать эффектив-
ные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90 %. Утилизация отходов и глобальный контроль за системами типа «recycling» позволит существенно увеличить сырьевые запасы человечества. Станут возможными глобальный экологический контроль, погодный контроль благодаря системе взаимодействующих нанороботов, работающих синхронно.
Биотехнологии и компьютерная техника, вероятно, получат большее развитие благодаря нанотехнологиям. Нанороботы будут использоваться для борьбы с различными заболеваниями, в частности, они смогут уничтожать чужеродные бактерии и вирусы (рис. 103). С развитием наномедицинских роботов станет возможным отдаление человеческой смерти на неопределенный срок.
139
Не будет проблем с перестройкой человеческого тела для качественного улучшения естественных способностей. Возможно также обеспечение организма энергией, независимо от того, употреблялось что-либо в пищу или нет.
Рис. 103. Искусственный фагоцит
Различные нейроинтерфейсы и импланты (рис. 104), разработанные на сегодняшний день, будут значительно улучшены, и их биологическая совместимость с нервными тканями человека станет еще более полной. Тогда настанет время «настоящей» виртуальной реальности и полноценного взаимодействия с компьютерами через нервную систему человека.
Рис. 104. Нейрочипы и нейроинтерфейсы
140