Словно цыпленок из яйца…
Сначала об этом мечтали лишь фантасты. Теперь дело, похоже, дошло и до технологов. А начиналось все так…
По патенту природы. «Они вынесли Яйцо и уложили его на вершине холма поодаль. Дул ветер, и было холодно стоять и смотреть, как Антон неторопливо и аккуратно укрепляет активаторы на гладкой поверхности механозародыша. Вадим осмотрел расположение активаторов. Все было в порядке»…
В итоге вскоре был готов глайдер-антиграв «Кузнечик», надежная шестиместная машина, очень популярная у десантников и следопытов. «Он стоял на краю громадной ямы-проталины, откуда поднимался густой пар, и гладкие борта его были еще теплыми, а в кабине было даже жарко».
Так в фантастической повести «Попытка к бегству» братья Стругацкие в свое время описали, как из Яйца «вылупляется» универсальный вездеход. Конечно, это было не простое яйцо. Недаром авторы пишут о нем с заглавной буквы. Это механозародыш, в котором запрограммированы все необходимые химические и физические процессы, заложены нужные комплекты молекулярных машин – они и будут собирать из отдельных атомов и молекул элементы конструкции вездехода… «Ну и фантазеры!» – скажете вы. Но если вдуматься – что здесь фантастического? Стругацкие просто описали давно существующий способ производства! Ведь по такому же принципу, например, и обыкновенное куриное яйцо запрограммировано на выращивание не менее сложной и совершенной системы – живого цыпленка. Даже этого единственного примера достаточно, чтобы убедиться, что «технология», по которой действует природа, несравненно совершеннее, экономичнее и целесообразнее той, которой пользуется сейчас человек.
В год труды, в грамм – добыча. Давайте представим, скольких усилий, каких затрат сырья и энергии требует производство ну, скажем, маленького винтика. В начале этой цепочки стоят горнодобывающие машины – они необходимы, чтобы добыть руду. Затем цепочку продолжают: транспорт, чтобы ее вывезти; металлургические предприятия и источники энергии, чтобы ее переплавить, получить прокат; металлорежущие станки, чтобы придать заготовке заданную форму (и заодно пустить в стружку немалую долю с таким трудом доставшегося металла)… И вот он готов, маленький винтик для вашего велосипеда, или книжной полки, или фотоаппарата. Не слишком ли дорогой ценой?
Подсчитано, что на каждого современного жителя Земли приходится несколько тонн вещей – только тех, которыми он сам пользуется. Так вот, каждый год мировое производство перерабатывает миллиарды тонн сырья, чтобы только лишь 2 % (!) добытого вещества превращалось в нужные человеку изделия. А вся потерянная масса идет в отходы и загрязняет окружающую среду. Тогда мы создаем очистные сооружения, разрабатываем новые замкнутые технологические циклы. И рядом с основной возникает промышленность, которая тоже человеку не нужна. Она не выпускает никаких полезных изделий, а только силится уменьшить зло, причиняемое природе производством.
А потребности общества все растут, необходимо увеличивать объемы производства, усложнять его, совершенствовать… Рано или поздно обязательно возникнет невероятно сложное гигантское образование из технологических машин, роботов, управляющих электронных систем. И скорее всего, эта суперсистема, как в страшных фантастических рассказах, переключится с интересов человека на свои собственные, стараясь лишь поддержать стабильность своего существования… Промышленность будет работать на саму себя…
Теперь вы понимаете, что существующая техническая цивилизация себя почти исчерпала. Тогда где же правильный путь?Обратимся к нанотехнологиям. Сама природа подсказывает нам ответ. Вот уже несколько миллиардов лет работают в природе совершеннейшие наномашины – генетический аппарат, который воспроизводит белковое вещество, живые организмы. Греческая приставка «нано» означает «карлик», потому что эти биологические машины имеют дело лишь с небольшими группами атомов, молекул или даже с отдельными атомами. Почему бы и нам не воспользоваться способом производства вещей просто путем расстановки атомов вещества в нужном порядке? Правда, для этого предстоит специально сконструировать требуемые системы молекул наномашины. Тогда нужные человеку вещи можно будет буквально выращивать, как это происходит в природе.
Структура наномашины будет построена по принципу обычной: в нее войдет молекулярный аккумулятор, который обеспечит машину энергией; особый молекулярный механизм для передачи энергии к разным органам наномашины; молекулярный манипулятор, который и будет соединять атомы в молекулы. К этому следует добавить молекулярное управляющее устройство и молекулярный движитель для перемещения. Вот и получится наноробот – сборщик атомов. Размеры его будут 16—200 нанометров (миллиардных долей метра) – такие же, как у вирусов!
Природа разделила процессы производства живых существ на два этапа: производство внутри клеток и производство организма из клеток. По такому же пути, возможно, пойдет и будущая нанотехнология.
В первом типе производства будет участвовать один или несколько нанороботов. В них заложат универсальные носители информации – аналог ДНК в живых организмах. Это информация о том, каким должен быть конечный результат производства.
Прежде всего этот способ производства подойдет для изготовления, например, одежды, пищи, обуви и других вещей несложной формы, из однородных материалов. Нанороботы смогут выращивать в химическом реакторе одежду самых различных размеров и фасонов. Им будут доступны любые цвета и фактуры, разнообразные отделки и фурнитура из синтетики, металла, стекла… Появится возможность очень быстрой смены моделей. Вещи станут значительно качественнее.
Новые материалы, сочетающие в себе атомы разных веществ, будут иметь поразительные свойства. Нанороботы вмонтируют в изделия элементы простых кибернетических систем, и вещи обретут возможность реагировать на свет, тепло, запах, будут подчиняться человеческому голосу, ощущать прикосновение человеческих рук. Мир вещей будущего станет намного «разумнее» и надежнее.
Второй, более сложный тип нанопроизводства – построение вещи по клеточному принципу из специально созданных клеток. Нанороботы будут выращивать универсальные клетки, способные принимать любую форму, синтезировать любые вещества и выполнять любые функции. Эти клетки смогут превращаться в силовые элементы конструкций, служить проводниками электрического тока и других видов энергии, формировать тончайшие пленочные оболочки и толстые тепловые экраны. Благодаря универсальным клеткам вещи приобретут способность к регенерации – самовосстановлению в случае повреждения. Всему этому можно будет «научить» искусственную клетку, когда ученые глубже проникнут в тайну формообразования живого организма.
За процессом роста изделия будет наблюдать технологический суперкомпьютер. Он же будет регулировать поступление «строительного материала». А им могут стать воды океанов – ведь в них растворены все элементы периодической системы Менделеева. Еще академик Вернадский называл природную воду минералом с переменной химической формулой. Из этой «жидкой руды» нанороботы буквально по атому извлекут нужные элементы. Нанотехнология безотходна – все, что попадет в химический реактор, будет использовано.На пути к скатерти-самобранке XXI века. Такова теория. А что на практике?.. Недавно мне довелось побывать в сказке, увидеть в действии скатерть-самобранку. Причем, чтобы поглазеть на такое чудо, оказывается, вовсе не надо отправляться за тридевять земель на ковре-самолете. Я воспользовался обычным городским транспортом и уже через полчаса был на месте. А само «тридесятое царство» выглядело достаточно современно – двадцать с лишним этажей из стекла и бетона. Но именно здесь, в НИИ «Дельта», и создали «скатерть-самобранку атомного века». Так назвал устройство, созданное здесь, один из его конструкторов П.Н. Лускинович. И пояснил свою мысль так.
Любое вещество состоит из отдельных атомов и молекул, определенным образом соединенных между собой. Стало быть, в один прекрасный день на вашей кухне может появиться агрегат, давно описанный фантастами. Из «ничего», а точнее из атомов и молекул окружающей среды (например, воздуха, воды и грунта), такой комбайн сможет собирать, синтезировать все, что вам угодно будет заказать, – начиная от еды и напитков и кончая уникальными ювелирными изделиями.
И Лускиновичу вполне можно верить, поскольку его слова подтверждаются не только работами сотрудников возглавляемой им лаборатории, но и делами зарубежных коллег, работающих сообща в новой области знания – нанотехнологии.
В их распоряжении появился недавно новый инструмент – атомный силовой микроскоп. Работать он может в нескольких режимах, из которых нам, пожалуй, наиболее интересен один: с помощью силовых полей исследователь, работающий с этим агрегатом, способен поштучно, по одиночке переставлять с места на место отдельные атомы и молекулы.
Со стороны выглядит все это на редкость обычно. За дисплеем персонального компьютера сидит молодой человек, постукивает по клавишам. А рядом на рабочем столе стоит небольшое устройство, размерами и блеском никеля напоминающее кофейник. «Кофейник» и оказался тем самым атомным силовым микроскопом, с помощью которого можно манипулировать атомами. Чем, кстати, молодой человек и занимался. Настукивал на клавишах программу работы персональному компьютеру, тот, в свою очередь, командовал молекулярной сборкой и на телеэкране было отчетливо видно, как на глазах менялся рельеф бугристой поверхности – одни атомы замещались другими.
Будничная лабораторная работа. Но вот к чему, по словам руководителя лаборатории, она ведет. Как действует природа, создавая тот или иной организм? Правильно, она собирается атом к атому, молекулу к молекуле, создавая сначала клетку. Потом несколько клеток формируют зародыш органа, а из органов в конце концов вырастает организм. Вот эту-то операцию, лежащую в начале всех начал, и отрабатывают ныне ученые. Раз за разом, атом за атомом пробуют они разные комбинации, подбирают наилучшие алгоритмы действия.
Пока все это делается весьма медленно. Но не забывайте, что действуют специалисты все-таки не голыми руками, а с помощью туннельных микроскопов и ЭВМ. А компьютер – такая машина: научи ее однажды чему-то, и она вовек того не забудет. Более того, вскоре сможет выполнять разученные операции со сказочной быстротой. круглые сутки без остановки.«Полагаю, – сказал в заключение беседы со мной Лускинович, – что вскоре, зайдя в хозяйственный магазин, вы сможете купить и поставить у себя дома не просто очередной кухонный агрегат, а репликатор – устройство, способное синтезировать по заказу любой продукт. Все в окружающем мире создано из атомов и молекул, а значит, и может быть скопировано нашим агрегатом. Более того, если надо, то и модернизировано, улучшено»…
Как растут детали? Первые достижения новой технологии уже налицо. Так, например, в московском НИИавтопроме уже несколько лет работает необычная технологическая лаборатория. Не имея ни токарных станков, ни прессов со штампами, ни литейных форм, ее сотрудники берутся за выполнение самых замысловатых заказов. Например, минут за двадцать вам могут изготовить из прозрачного полимерного материала куб, внутри которого будет заключена модель земного шара.
Изготовляют подобные сувениры и даже более сложные технологические заказы ее с помощью небольшой установки, представлявшей собой металлический шкаф с дверцей и установленным на полочке компьютером. Вот нажата одна из клавиш, и на экране дисплея высветился объемный рисунок будущего изделия. Емкость в шкафу наполняют жидким полимером, немного напоминающим жидкую смолу, включают лазерный сканер, и… через несколько минут изделие готово.
Суть «фокуса» довольно проста. В свое время химики создали жидкий полимер, способный быстро твердеть под действием наведенного на него лазерного луча. Этим и воспользовались американские специалисты из фирмы 3D Systems Inc, с которыми теперь сотрудничает НИИавтопром. Разработанная ими установка SLA-250 представляет собой, по существу, маленькую фабрику, где процесс изготовления модели, или, лучше сказать, прототипа того или иного будущего серийного изделия, напоминает своеобразное выращивание. Ведь появляется деталь не сразу, а постепенно, слой за слоем, которые по мере отвердения прочно соединяются между собой.
Руководит же подобной «агрономией» компьютер, который с педантичной аккуратностью выполняет программу, заданную конструкторами. Деталь «вырастает» в точности такой, каким был ее компьютерно-экранный рисунок. Ее можно сразу же примерить, смонтировав непосредственно в узле или агрегате, тут же внести, если потребуется, поправки и уже окончательно закрепить нужные параметры, по которым затем технологам не составит особого труда изготовить безошибочную оснастку для последующего производства деталей уже не из пластмассы, а из металла.
SLA-250 и подобные ей системы значительно упрощают технологию. Многие считавшиеся ранее обязательными звенья производственного процесса теперь оказываются излишними, их исключают, сберегая драгоценное время, материалы и средства. Подсчитано, что только одна установка, работающая по технологии, получившей название лазерной стереолитографии, позволяет сократить производственные расходы на 5 млн долларов в год! Стоит ли после этого удивляться, что на многих зарубежных предприятиях SLA-250 работают круглосуточно все семь дней в неделю,
Причем стереолитография тем эффективнее, чем сложнее изделие. Возможности ее поистине безграничны. Подобным образом можно изготовить даже автомобиль, «вырастив» и склеив его по частям.
Впрочем, использовать новую технологию можно не только в промышленности. Она также способна освободить от кропотливого труда макетчиков, работающих в градостроительстве. Скульптор уже на компьютере получит до последнего штриха законченное художественное творение, которое затем не составит особого труда выполнить в металле или даже камне с помощью копировально-камнерезного станка. Сородичи SLA-250 могут быть также надежными союзниками хирурга и протезиста.
Вот так в наши дни трансформировалась технология, над которой еще лет сорок тому назад начинал «колдовать» ленинградский профессор Б. Степанов. Читатели постарше, быть может, помнят, как он предлагал помещать в расплав затравку в виде кусочка готовой детали. А затем эту затравку потихоньку приподнимали, и вслед за ней тянулось продолжение. Расплав кристаллизовался частица за частицей, принимая ту же форму, что и затравка.
Таким образом, как показали многочисленные эксперименты, можно выращивать провода, швеллеры, рельсы, двухтавровые балки, заготовки для зубчатых колес и т. д., не прибегая к прокатке, волочению или штамповке. И если эта технология по сию пору не нашла себе широкого применения, так только потому, что никому в мире еще не удалось ускорить процесс кристаллизации настолько, чтобы установки по выращиванию деталей смогли по производительности соперничать с теми же прокатными станами и штамповочными прессами.
Ныне же – иное дело. В СМИ уже появились первые сообщения о созданном на 3D-принтере самолете, собираются подобным же образом создавать космические корабли и даже… органы для пересадки!