Нанотехнология. Перспективы развития - Химия - Скачать бесплатно
ложной тропе из-за простого факта: единственная
репликационная система, с которой знакомо большинство из нас, - это
биологические самовоспроизводящиеся системы. Мы автоматически начинаем
подразумевать, что нанотехнологические репликационные системы будут подобны
биологическим. Но машины, которые изготовляют люди, очень мало похожи на
живые системы, поэтому и молекулярные системы производства скорее всего
будут столь же непохожими.
В качестве иллюстрации к своим доводам Меркль приводит
экспериментальную систему «экспоненциальной сборки», создаваемую техасской
корпорацией Zyvex. Здесь разрабатываются механические системы для сборки
устройств микронного, субмикронного и молекулярного масштаба. На микронном
уровне, используя уже имеющиеся MEMS-технологии, проектируется простая
роботизированная рука «взять-и-положить», способная манипулировать сложными
планарными деталями микронного масштаба, изготовленными с помощью
литографии. Из этих деталей собирается роботизированная рука, способная
манипулировать специально разработанными MEMS-деталями. Процесс получил
название «экспоненциальная сборка», поскольку это репликационная
технология, начинающаяся с единственной роботизированной руки на кремниевой
пластине, которая сама собирает другие роботизированные руки, беря детали,
заранее уложенные на пластине в точно известных местах. Хотя количество
собранных таким методом роботизированных рук может возрастать
экспоненциально (до некоторых пределов, понятно, накладываемых системой
производства), этот процесс требует, среди прочего, литографически
изготовленных деталей, а также подачи электроэнергии и управляющих сигналов
для координации сложных движений рук-манипуляторов. Достаточно отключить
энергию, управляющие сигналы или лишить микроробота деталей - и он будет
действовать так же, как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии
и заброшенный в глухой лес.
К сожалению, далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий,
придерживаются подобной логики, и среди них один из ведущих специалистов
лаборатории Сандиа - Джеф Бринкер, снискавший международную известность
благодаря работам в области самосборных нанокомпозитных материалов. При его
непосредственном участии достигнуты весьма примечательные успехи в создании
материалов, способных к спонтанной самоорганизации в сложные трехмерные
конструкции наномасштаба. Главный же интерес исследований Бринкера, по его
собственным словам, это научиться придавать материалам «жизнеподобные»
свойства - то есть получать такие материалы, которые чувствуют окружающую
среду и соответствующим образом реагируют, могут самоисцеляться и избегать
угрожающих их существованию обстоятельств. В двух словах, цель Бринкера -
наноматериалы, занимающие промежуточное положение между живым и неживым.
Разумеется, робот из таких материалов - это уже далеко не неуклюжий
заводской манипулятор в лесной чаще.
Трезвомыслящие ученые прекрасно понимают, что нанотехнология способна
породить серьезные проблемы. Любая технология может быть использована для
нанесения ущерба, а не только для всеобщего блага. По масштабам будущего
воздействия на человечество нанотехнологии наверняка не уступят
индустриальной революции.
В калифорнийском Пало-Альто в 1989 году была создана специальная
некоммерческая организация «Предусмотрительный институт» (Foresight
Institute) и девизом «Готовясь к нанотехнологиям» (основатель и глава
института - Эрик Дрекслер). Здесь был подготовлен набор правил «техники
безопасности» для разработчиков и изготовителей молекулярных систем. Среди
руководящих принципов, например, такие: искусственные системы-репликаторы
не должны иметь способность к воспроизводству в естественной,
неконтролируемой окружающей среде. Они должны быть абсолютно зависимыми от
источника искусственного питания или от искусственных компонентов, не
встречающихся в природе. Они должны использовать коды выявления ошибок и
шифрование, предотвращающее непреднамеренные изменения в их конструкции.
Все эти правила выкристаллизовались из бурных дискуссий о самых разных
сценариях возможного развития нанотехнологий. Очевидно, что наше понимание
развивающейся технологии эволюционирует, а значит, претерпевают изменения и
рекомендации, отражая степень осмысления учеными того, как обеспечивать
безопасное развитие нанотехнологий. Но в конечном счете диктовать реальный
спектр нанотехнологических приложений будут вовсе не ученые, а
правительства и индустрия.
Современные разработки.
Существующие решения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого
слова, но микророботы являются достойными макроскопическими моделями.
В Массачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается серия
микророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые
из них оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа
для отображения и подталкивания атомов. Другие - щупами атомно-силового
микроскопа для работы с непроводящими материалами. Третьи -
микроманипуляторами для перемещения и сбора деталей микронного размера, а
со временем и атомов. Попутно создается набор инструментов для
наномасштабного напыления, травления, обработки и формирования изображения.
Способные стремительно перемещаться, роботы-сборщики черпают энергию с
электрически заряженной рабочей поверхности, образованной перемежающимися
полосами разной электрической полярности. Связь с микророботами
осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую на верхушке их
приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением и
местонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает в
действие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы
на конкретные молекулы или атомы.
Преимущество подобной концепции в следующем. Вместо того чтобы
последовательно проводить объект сборки через техпроцессы, каждый раз
передвигая и заново позиционируя микроскопический узел, система позволяет
держать его на одном месте - а двигаются пусть недорогие мобильные
микророботы, управляемые компьютером. Надо сказать, что индустрия,
привыкшая к конвейерному производству, новую концепцию воспринимает с
трудом.
Пьезокерамические ножки, с помощью которых роботы NanoWalker
перемещаются, могут гнуться внутрь и наружу, удлиняться и укорачиваться, в
зависимости от формы приложенного электрического сигнала. Делая около 18
тысяч шажков в секунду, роботы способны носиться намного быстрее, скажем,
тараканов (делающих около 13 шажков в секунду), причем разным «аллюром» -
либо семенить крошечными шагами по 2 нанометра, либо одним махом покрывать
по 50 микрон за раз. Пока что в МТИ сосредоточились на том, чтобы научить
своих роботов двигаться плавно и интегрировать в работу тончайшие острия
сканирующих и атомно-силовых микроскопов.
Некоторые исследовательские центры, не стремившиеся любой ценой сделать
микророботов автономными, добились успеха в решении других задач. Так, в
немецком университете Карлсруэ управляемые по проводам роботы уже действуют
на предметных столиках оптических микроскопов и в вакуумных камерах
сканирующих электронных микроскопов. Они справляются с таким делом, как
сбор оптических систем микронного масштаба или захват и перенос отдельных
биологических клеток. Бесспорно менее проворные, чем NanoWalker, и
предназначенные для манипулирования более крупными объектами, немецкие
роботы MINIMAN (от Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперируют
такими инструментами, как микрозажимы и микропипетки.
После того как управляющий роботом оператор щелкает указателем мышки по
изображению конкретной клетки на мониторе, робот, ведомый
компьютеризированной системой зрения, находит именно эту клетку, аккуратно
засасывает ее в микропипетку, переносит в другое место и выпускает. При
другом сценарии два робота, работающие совместно, могут удерживать клетку и
впрыскивать в нее раствор медикамента или красителя. Подобные операции уже
так отточены, что на их выполнение требуется буквально секунда. Несколько
иной аппарат MINIMAN III способен собирать и настраивать систему из 1- и 2-
миллиметровых, причем оператор вмешивается в процесс сборки всего один раз.
Пока что многие из осваиваемых роботами операций автоматизированы лишь
частично, однако со временем все работы будут осуществляться без участия
человека. Разработка микророботов MINIMAN ведется совместно институтами
Германии, Швеции, Испании, Великобритании и Италии. Содействие им оказывают
голландская фирма Philips Bedrijven и немецкая Kammrath & Weiss.
Среди крупномасштабных разработчиков MEMS – фирма Intel, известная
своими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии они
объясняют стремлением разработать интегрированные всё-в-одном микросхемы.
Уже сегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы
компьютера. Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и
механическими микропереключателями MEMS позволило бы на порядок уменьшить
геометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение,
внутренние флуктуационные эффекты и т.д. Представители Intel приводят
пример с радио, все аналоговые и цифровые компоненты которого будут
выполнены на одном кристалле. Причем оно должно быть универсальным, то есть
работать со всеми стандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b и так
далее. Благодаря интегрированности, радио будет столь простым, что его
удастся использовать не только для внешней коммуникации, но и для
внутренней - например, между отдельными чипами в компьютере. Если такие
универсальные радиоэлементы будут сделаны, им понадобятся механические
движущиеся части для переключения цепей. На том же кристалле должны быть и
аналоговые компоненты передатчика и приемника.
5 Философия.
Развитие нанотехнологий ставит ряд очень важных вопросов. В первую
очередь философского характера.
Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «Тот, кто
раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере
следующего столетия». Нужно опасаться такого хода мыслей. Высказывание,
безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом
соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести
разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем,
исключающем создание оружия.
Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на
создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого
производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к
идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является
убежденным сторонником свободного развития технологии».
Молекулярные нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой
стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения. В этом их
отличие, скажем, от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо
больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир
очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение
в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь
косвенно.
Остаётся опасность непредсказуемого поведения наносистем, их выхода из-
под контроля человека. Сколько статей и рассказов было написано, где
компьютер взбунтовался против человека. Но практика развития компьютерных
систем показывает, что ничего подобного не происходит и не собирается
происходить. Опасность такого рода возникнет только тогда, когда система
осознает саму себя и у неё появятся собственные цели.
На современном этапе развития поведение компьютерных систем слишком
жёстко ограничивается алгоритмическими программами. Кроме того, эти
алгоритмы слабо связаны с окружающей средой, у компьютеров только сейчас
появляется слух и зрение в виде микрофонов и видеокамер, а органов
воздействия на окружающие предметы практически нет.
Развитие нанокомпьютеров неизбежно будет связано с созданием
нейросетей, допускающих случайные отклики на внешние воздействия, и ростом
взаимосвязи компьютер – внешний мир. Наряду с громадным ростом
быстродействия и памяти в таких системах можно ожидать самозарождения
сознания.
Но отказ выполнять волю человека может произойти не только из-за того,
что наносистемы начнут проявлять свою волю, противостоящую воле человека, а
из-за недостаточного понимания людьми последствий исполнения собственных
желаний наносистемами. Человек не может предусмотреть всех последствий
деятельности наносистем в силу их очень высокой сложности. Станислав Лем
это образно описывает так: «По-видимому, когда в среде обитания появляются
зачатки разума, когда этот разум пересаживают из голов в машины, а от
машин, как некогда от мамонтов и примитивных рептилий, его унаследуют
молекулы, и молекулы эти, совершенствуя новые поколения смышленых молекул,
преодолеют так называемый порог Скварка, то есть плотность их интеллекта
настолько превысит плотность человеческого мозга, что в песчинке поместится
умственный потенциал не доцента какого-нибудь, а сотни факультетов вместе с
их учеными советами,– тогда уже сам черт не поймет, кто кем управляет: люди
шустрами или шустры людьми. И речь тут вовсе не о пресловутом бунте машин,
не о восстаниях роботов, которыми давным-давно, когда в моде была
футурология для масс, пугали нас недоучившиеся журналисты, но о процессе
совершенно иного рода и иного значения. Шустры бунтуют в точности так же,
как растущая в поле пшеница или микробы на агаровой пленке. Они исправно
делают, что им поручено, но делают это все лучше и лучше и, в конце концов,
начинают делать это так изумительно, как никому не пришло бы в голову в
самом начале… И уж тем более никто не верил, что какие-то шустры получат
превосходство над людьми – не угрозами и не силой, но так, как ученый
совет, состоящий из дважды профессоров, превосходит мальца в коротких
штанишках. Ему не понять их коллективной мудрости, как бы он ни старался. И
даже если он принц и может приказывать совету, а совет добросовестно
исполняет его капризы, все равно результаты разойдутся с его ребяческими
ожиданиями,– например, захоти он летать. Разумеется, он будет летать, но не
по-сказочному, как он, несомненно, себе представлял, не на ковре-самолете,
но на чем-нибудь вроде аэроплана, воздушного шара или ракеты, поскольку
даже наивысшая мудрость в силах осуществить только то, что возможно в
реальном мире. И хотя мечты этого сопляка исполнятся, их исполнение каждый
раз будет для него неожиданностью. Возможно, в конце концов, мудрецам
удалось бы растолковать ему, почему они шли к цели не тем путем, который он
им указал, ведь малыш подрастет и сможет у них учиться; но среда обитания,
которая умнее своих обитателей, не может разъяснить им то, чего они не
поймут, ведь они - скажем, наконец, прямо – слишком глупы для этого».
Кроме самопроизвольного неподчинения систем в силу их воли или глупости
человека существует ещё много возможностей отказа наносистемы выполнить
волю человека. Части этих отказов можно, теоретически избежать, другой
части нельзя избежать в принципе.
Системы наномашин кто-то будет проектировать. Разработка наносистем на
начальном этапе требует огромных затрат труда. Естественно, люди,
разработавшие наносистемы, могут предусмотреть в их программе подчинение
лишь себе или покупателю, но отказ служить другим людям. Таким образом, мир
может разделиться на две группы людей (фирм, компаний, государств). Одним
наносистемы будут подчиняться, а другим не будут.
Лем о новом мире и создателях наносистем пишет: «Но если в этой
перекроенной на новый лад гармонии что-то разладится, кто исправит ее? А
так как кто-то должен ее к тому же запроектировать и запустить в
производство, это лицо или группа лиц будут склонны самозванчески, явным
или, что еще хуже, тайным образом взять себе роль Господа Бога в этом
всепредставлении».
Практически невозможно избежать неповиновения наносистемы, если желания
нескольких человек взаимоисключают друг друга. В этом случае наносистема,
исполняя приказ одного человека, не будет повиноваться другому. Но этими
вопросами занимается уже теория систем. Нанороботы в этом плане ничем не
будут отличаться от сегодняшних и будущих роботов, разве только
нейропроцессором. Но и модели поведения нейросистем, несмотря на отсутствие
аппаратных реализаций, хорошо проработаны и изучены.
Развитие молекулярной нанотехнологии даст возможность тщательно изучить
процессы, протекающие внутри клеток организма. Есть большие основания
полагать, что точное знание того, как функционируют клетки, позволит
создать наномашины ликвидирующие негативные изменения происходящие в
клетках и тканях живого организма с течением времени. Возможно, удастся
переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить» старение и
улучшить генетические параметры организма. Тогда функции регулирующих
наномашин возьмут на себя органеллы клетки.
Но не нарушит ли человек гармонию мира, искусственным путём достигнув
бессмертия? Кроме проблемы перенаселённости Земли, которую, в принципе,
можно решить, расселяясь по Вселенной, есть другие доводы против
бессмертного человека.
Во-первых, поколение людей несёт с собой определённые моральные устои,
мировоззренческие взгляды, и длительная жизнь одного поколения может
привести к застою в развитии общества.
Во-вторых, с возрастом человек проявляет всё меньше интереса к жизни, в
нём растёт усталость, груз накопленных знаний и переживаний гнетёт его, так
что смена поколений необходима для поддержания активности всё время на
высоком уровне.
В-третьих, опыт говорит нам, что любой развивающийся процесс в природе
имеет своё начало и свой конец. Бесконечным может быть лишь стационарный
или циклический процесс. Так как неотъемлемым атрибутом жизни является
развитие, то любой жизненный процесс рано или поздно должен заканчиваться
смертью.
Но отрицание возможности бессмертия не означает невозможность
долголетия. Нет никаких принципиальных ограничений на длительность жизни
человека, допустим, в 1000 лет. Таким долгожителем, скорее всего, можно
стать с помощью молекулярной нанотехнологии. А дальнейшее увеличение
длительности жизни будет зависеть от состояния общества и настроения
каждого человека лично.
«Истинному» – временному долголетию человека можно противопоставить
альтернативный вариант «внутреннего» долголетия, которое может дать
молекулярная нанотехнология. В этом случае, внедрённые в мозг наносистемы
так изменяют процессы мышления, что ход внутреннего времени человека
многократно ускоряется. За прежний промежуток времени человек субъективно
будет проживать во много раз больше. Но такому мозгу будет казаться, что
весь мир впал в дрёму, так как для него все физические перемещения будут
выполняться очень медленно, будто в вязком сиропе. Вряд ли такое долголетие
придётся по вкусу многим людям.
Переделка человеческого организма с целью излечения от болезней и
увеличения продолжительности жизни с помощью молекулярных нанотехнологий
будет возможна в достаточно отдалённом будущем (хотя, по оптимистическим
прогнозам это произойдёт в конце следующего века). Но даже для ныне живущих
людей есть возможность стать такими долгожителями. Этот шанс предоставляет
крионика - замораживание организма до сверхнизких температур после
клинической смерти. Правда, это могут себе позволить лишь достаточно
богатые и смелые люди. Ведь когда появится возможность разморозить и
вылечить человека, скорее всего, никого из его родственников и знакомых, не
разделивших его участь, не будет в живых. Плюс к тому нет существенной
гарантии что тело будет правильно разморожено и будет соблюдён вес
техпроцесс. На сегодня ни того не другого не разработано. Психологический
аспект проблемы «размороженного» человека рассматривался во множестве
различных произведений, от научно-фантастических до философских.
Заключение.
Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее
направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её
поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие
технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. С
точки зрения автора, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-
хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед
нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне
изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.
Сегодня кажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле
почти все массовые эксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием
атомами. Будущее же технологии закладывают ставшие уже традиционными
области науки и техники. Микроэлектроника, робототехника, нейротехнология –
привычные слуху названия, стоящие за сегодняшними науками, кажущимися
практически бесполезными на фоне нанотехнологии.
Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем
отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также
всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем
безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов
используются уже далеко не первый год.
Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания.
Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между
собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать
без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть
будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с
невообразимой сегодня скоростью. К тому времени накопится достаточно
«контента» для распространения, хотя кто знает, может быть по этим сетям
будет передаваться и материя, ведь разработки в области телепортации также
связаны с небезызвестным имненем IBM.
Напоминаю – практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология,
можно ощутить сегодня благодаря смежным технологическим разработкам. Можно
пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые
интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая аресловутый
холодильник с доступом в интернет. Микробототехникой занимается множество
лабораторий по всему миро, например SANDIA и MEMX. Медицина –
биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной
информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с
параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Они пусть
медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики по
габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем
оценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.
Список литературы.
1. Drexler K. Eric; «Engines of Creation. The Coming Era of
Nanotechnology»; Anchor Books; 1986;
http://www.foresight.org/EOC/index.html
2. Drexler K. Eric; «Nanosystems»; Wiley Interscience; 1992;
http://nano.xerox.com/nanotech/nanosystems.html
3. Drexler K. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the
Future:
the Nanotechnology Revolution»; 1991;
http://www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html
4. Пётр Лускинович; «Нанотехнология»; Журнал «Компьютера»
http://www.computerra.ru/offline/1997/218/828/
5. Михаил Соловьёв; «Нанотехнология - ключ к бессмертию и свободе»; Журнал
«Компьютера»
http://www.computerra.ru/offline/1997/218/829/
6. Бёрд Киви; «Микроботы: технология будущего сегодня» ; Журнал
«Компьютера»
http://www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/
7. Sandia National Laboratories Official Site
www.sandia.gov
8. MEMX Official Site
www.memx.com
9. S. Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982.
Copyleft hpf
[pic]
[email protected]
167718618
|
