Нанотехнология. Перспективы развития
трации 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
| |  скачать работу |
Нанотехнология. Перспективы развития |
