Нанотехнология. Перспективы развития

разрушительных  микромашин - в качестве мощного  оружия.

    В   ответ  на  подобные  опасения  и  тревогу  авторитетные   сторонники

нанопрогресса (Ральф  Меркль, в частности)  выдвигают  свои  аргументы.  Хотя

нанотехнология  действительно   предлагает   использовать   репликацию   для

сведения к минимуму стоимости производства,  она  не  предлагает  копировать

живые системы. Живые  системы адаптируются к среде  самым чудесным  образом  и

способны выживать в сложных природных  условиях.  Нанотехнология,  напротив,

предлагает   строить   молекулярные    машинные    системы,    похожие    на

микроскопические  версии оборудования сегодняшних  фабрик  и  заводов.  Рука-

манипулятор микроробота, уменьшенная до субмикронного размера, должна  уметь

брать  и  собирать  молекулярные  детали,  подобно  тому,  как  манипуляторы

заводских роботов  орудуют гайками и болтами. К  сожалению,  говорит  Меркль,

очень легко  пойти  по  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