Нанотехнологии, говорите?

Некоторое время назад студент Массачусетского технологического института Эрик К.Дрекслер высказал идею о необходимости перевода технических систем с макро- на микроуровень, путем создания молекулярных машин — искусственных подобий биологических молекул, работающих в живых клетках.

Э.К.Дрекслер с небольшой группой энтузиастов начал работы по нанотехнологии в Стэнфордском университете.
Вначале были эксперименты с биоподобными структурами: аминокислотами, ферментами (катализаторами биохимических реакций), природными белками и тканями.

Однако вскоре приходит понимание того, что биоподобные структуры (и все, что они могут создать) — это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разлагаются при повышенных температурах и давлениях, не могут с большой точностью обрабатывать твердый материал, действовать в агрессивных средах и т.п. Да и не все требуемые виды наномеханизмов можно сконструировать из биомолекул. Значит, неизбежно потребуется использовать неорганические вещества и кристаллические структуры.

Кроме того, конструирование биомашин из биологических компонентов потребует изобретения огромного количества новых принципов, способов, устройств и веществ, которые бы обеспечили получение «на выходе» нужных функций.

Поэтому нет смысла отказываться от грандиозной суммы идей и приемов, наработанных в процессе развития техники. Это все то, до чего «не додумалась» природа, начиная с колеса и кончая компьютером. Поэтому Дрекслер в своих работах подробно обосновал способы построения на атомном уровне подшипника и зубчатой передачи, рассмотрел проблемы трения скольжения и т.д.

В то же время без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномашины должны соединить в себе свойства живых и технических систем.

Основным типом машин, по мысли Дрекслера, станет так называемый ассемблер, т.е. сборщик. Из любых нужных атомов и молекул он должен уметь строить наносистемы любого назначения — двигатели, «станки», вычислительные устройства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекулярный робот со сменными программами на «перфолентах» типа цепочек РНК или ДНК. Процесс смены программы мог бы напоминать заражение клетки вирусом.

Дрекслер считает, что сборщику для выполнения его задач достаточно иметь порядка 10 тыс. подвижных и неподвижных узлов, каждый из которых построен в среднем из сотни атомов (всего около миллиона атомов — размер, примерно, в одну тридцатую средней бактерии).

Внешне сборщик можно представить как ящик с «рукой»-манипулятором длиной в сотню атомов. Сам манипулятор прост, но может оперировать сменными инструментами любой сложности. Инструментами служат молекулы, имеющие активные реакционные центры, т.е. участки, способные образовывать прочные химические связи с другими молекулами. Внутри сборщика размещены устройства, двигающие манипулятор, заменяющие молекулярные инструменты в его захвате и содержащие программу всех действий.

Как и рибосомы в клетке, сборщики будут работать в емкостях со специальной жидкостью, богатой исходными материалами, молекулами-заготовками, а также «топливом» — молекулами с большим запасом химической энергии.

Видимо, «рука» будет просто ожидать, пока нужная молекула, пройдя через избирательную насадку, в своем хаотическом движении не ударится о захват. По этому принципу работают активные участки всех ферментов. В их структуре есть изгибы, которые по форме и размеру точно соответствуют нужной молекуле — и никакой другой. У быстрых ферментов скорость обработки составляет миллион частиц в секунду при достаточной их концентрации в среде.

Рабочий цикл сборщика, таким образом, может повторяться примерно миллион раз в секунду. Эту оценку можно подтвердить другим, независимым рассуждением: «рука» сборщика примерно в 50 млн. раз короче руки человека, и, значит, если сохранять эквивалент инерционных нагрузок, она сможет двигаться примерно во столько же раз быстрее.

Для практической наноинженерии очень опасны хаотические тепловые колебания атомов и молекул. Они могут помешать манипулятору робота обрабатывать и устанавливать детали с нужной точностью. Правда, в определенных случаях они полезны, например, когда манипулятор «ожидает» случайного наскока молекулы для ее захвата. Но для прецизионных операций тепловые колебания вредны. По этой причине Дрекслер спроектировал очень «толстый» манипулятор (конус 30 нанометров в диаметре и 100 в длину), сложенный из атомов углерода по типу алмазной решетки. Это придаст ему такую жесткость, что его тепловые перемещения не превысят половину диаметра атома.

Управлять сборщиками вручную из-за огромной скорости их работы, конечно, невозможно. Это должны делать нанокомпьютеры, программируемые на каком-нибудь обычном языке управления промышленными роботами.

Для связи с этими крошечными машинами можно использовать нанокомпьютерный интерфейс или передавать команды по радио. Подходящим средством управления наномашинами мог бы стать свет. Можно будет задействовать весь ассортимент известных фотохимических и фотофизических эффектов. Например, свет может изменять форму определенных молекул. Перемещения атомов при этом происходят за триллионные доли секунды. Наконец, свет может стать и источником энергии для наноустройств.

Что касается нанокомпьютеров, то Дрекслер и здесь предлагает использовать механические принципы. Он разработал концепцию вычислительного устройства, в котором двоичный код реализуется двумя фиксированными положениями прочных линейных карбиновых молекул из 7-8 звеньев длиной 1 нм. Эти микроскопические стерженьки скользят в твердой матрице по каналам, пересекающимся под прямыми углами, так что один стерженек может перекрывать (или не перекрывать) путь другому. Трех параллельных каналов, пересеченных четвертым, достаточно, чтобы образовать универсальную логическую ячейку. Набор таких ячеек позволяет реализовать любой процесс вычислений или обработки информации.

Запоминающее устройство емкостью в миллиард байт займет в таком исполнении объем бактерии — один кубический микрон. Длительность вычислительного цикла, то есть время перемещения стерженька из одного положения в другое, при его ничтожных размерах, составит всего 50 пикосекунд. Поэтому быстродействие такой механической системы будет выше, чем у лучших современных микрокомпьютеров.

Возможно ли массовое производство наномашин Дрекслера? Пока это кажется безнадежно нерентабельным. Но это будет только до тех пор, пока в один прекрасный (а может быть, и страшный) день не будет создано самовоспроизводящееся наноустройство.

Всем видам таких устройств Дрекслер дал общее название «репликатор», то есть копировщик. Прислушайтесь внимательно к этому слову. Может быть, когда-нибудь оно обозначит новую эру в жизни человечества. Она начнется, если будет построен один-единственный копировщик. Этого окажется достаточно для такого гигантского переворота во всех областях человеческой деятельности, какого, может быть еще не знала история.

Не слишком ли сильно сказано? Давайте посмотрим.

Итак, построен один копировщик. Допустим, что он в тысячу раз сложнее сборщика, то есть число атомов в нем равно примерно миллиарду. Тогда, работая все с той же более чем умеренной производительностью — миллион атомов в секунду, копировщик соберет собственную копию за тысячу секунд, то есть за четверть часа. Опять-таки эта оценка подтверждается независимым соображением: примерно за то же время в благоприятных условиях делится клетка микроба. Новая копия немедленно приступит к самовоспроизведению, и через 10 часов в растворе со строительными и «энергетическими» молекулами будет плавать уже около 70 млрд. копировщиков, а менее чем за сутки их масса превысит тонну. Эта тонна сверхсложнейших устройств получена в течение суток без всяких затрат человеческого труда. А вторую тонну можно получить уже не за сутки, а… правильно всего за 15 минут — только подавай раствор. Вопрос о цене пожалуй что и отпадает. Немного осмелев и нарастив за неделю — другую нужную массу копировщиков, можно заставить их прямо из самих себя сложить… ну, допустим, мост через Берингов пролив.

Но дело, конечно, не в количественных рекордах. В наступившей «новой эре» исчезнет необходимость и в любом квалифицированном человеческом труде.

Вот, например, Дрекслер подробно описывает, как с помощью копировщиков построить, то есть, простите, вырастить, ракетный двигатель.

Процесс идет в баке, на дно которого помещают подложку — основание. Крышка бака герметически закрывается, и насосы наполняют его вязкой жидкостью, содержащей в виде взвеси копировщики, перепрограммированные на новые функции сборщиков.

В центре подложки находится «зародыш» нанокомпьютер, хранящий в памяти все чертежи будущего двигателя, а на поверхности имеющий участок, к которым могут «прилипать» сборщики из бурлящей вокруг взвеси. Каждый из них получает информацию о назначенном ему пространственном положении относительно зародыша и приказ захватить своими манипуляторами несколько других сборщиков из взвеси. Они также подключаются к компьютеру «зародыша» и получают аналогичные приказы. За несколько часов в жидкости вырастает некое подобие кристаллической структуры, с мельчайшими подробностями очерчивающей форму будущего двигателя.

Снова включаются насосы, заменяя в баке взвесь сборщиков раствором строительных материалов. Компьютер зародыша отдает команду, и часть составляющих каркас строителей отпускает своих соседей, складывает манипуляторы и также вымывается, оставляя ходы и каналы, которые будут заполнены нужными атомами и молекулами.

Специальные усики оставшихся сборщиков интенсивно гребут, создавая в каналах непрерывный ток жидкости, содержащей «топливо» и исходные материалы и выносящей из рабочей зоны отходы и тепло. Система связи, замкнутая на компьютер зародыша, передает команды каждому строителю.

Там, где требуется наибольшая прочность, сборщики складывают атомы углерода в алмазную решетку. Где критичны тепловая и коррозионная устойчивость, на основе окиси алюминия создаются структуры кристаллической решетки сапфира. В тех местах, где напряжения невелики, сборщики экономят вес конструкции, меньше заполняя поры. И по всему объему будущего двигателя атом за атомом выкладываются клапаны, компрессоры, датчики и т.д. На всю работу потребуется менее суток времени и минимум человеческого внимания.

А ведь в результате, в отличие от обычных двигателей, получилось изделие, которое не имеет не единого шва и выигрывает в массе примерно в 10 раз по сравнению с современными конструкциями. По своей структуре оно, пожалуй, больше похоже на драгоценный камень.

Но это все еще самые простые возможности нанотехнологии. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологии это станет реальностью. Конструкция, более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет, подобно мускулам (используя тот же принцип скользящих волокон), расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги.

Космический корабль сможет полностью преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время, к тому же превратив оболочку скафандра в «умножитель силы». В освоении космоса наступит новая эра.

Но то ли еще начнется на Земле? Сборщики сделают практически все практически из ничего, используя любое «подножное сырье», воду и воздух, где есть главные нужные элементы — углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний; остальные, как и для живых организмов, потребуются в микроколичествах. Исчезнут вспомогательные производства и вся так называемая «группа А», а предметы потребления будут производиться «прямо на дому».

Нанотехника восстановит озонный слой, очистит от загрязнений почву, реки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники, запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнеры. Города и дороги будут расти как трава. В пустынях поднимутся леса фотосинтетических элементов, которые дадут нужное количество электроэнергии, пищевых веществ и универсального биологического топлива — АТФ (аденозинтрифосфатной кислоты). Следы промышленной деятельности почти исчезнут с лица Земли, сократятся сельскохозяйственные угодья, большую часть планеты покроют сады и естественные экосистемы…

Произойдет новая научная революция. Сопоставимые с размерами сборщиков приборы, научное оборудование и натурные модели будут проектироваться и реализовываться в «металле» за считанные секунды. На них одновременно и с огромной быстротой пойдут миллионы параллельных экспериментов любой сложности, результаты которых обобщит искусственный интеллект и выдаст в нужной форме.

Принципиально иным станет образование. Дети получат карманные наноконструкторы, создающие движущиеся модели животных, машин и космических процессов, которыми они смогут управлять. Игровые и учебные наномашины откроют доступ к мировому знанию, разовьют по индивидуальной программе умственные способности.

Неузнаваемо изменится медицина. Последовательно проверяя и если надо «исправляя» молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий, в том числе генетических. Человек будет жить сотни, может быть, тысячи лет.

Труд в современном смысле, то есть " в поте лица", который с незапамятных времен был главным содержанием жизни, перестанет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимости, цены, денег. Как считает Дрекслер, в таком полностью обновленном обществе осуществится настоящая Утопия но не из тех, где дается рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. Наоборот, каждый человек получит максимальное разнообразие вариантов существования, возможность, не мешая другим, свободно избирать и менять образ жизни, экспериментировать, ошибаться и начинать сначала.

Однако, Дрекслер не наивен. Он понимает, что реальная картина нанотехнологического бытия может оказаться не совсем радужной, старается предусмотреть возможные осложнения и наметить выходы…

***
А теперь, собственно, то, ради чего я опубликовал этот материал здесь:
Источник: Статья Б.Понкратова (с некоторыми сокращениями) «Что будем делать в третьем тысячелетии, или последняя технократическая утопия.» («Техника — молодежи», 1989, № 12, с. 18-22)

А описанные события (исследования и гипотезы Дрекслера) происходили в конце 70-х — начале 80-х годов прошлого века…