Нанотехнология. Перспективы развития

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.