Техника-молодежи №4 2000 г
 
 
ГЛАВНАЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВПЕРЕД
НАЗАД

Читаю в иностранном журнале: «Британский изобретатель Крис Кетел запатентовал новый способ изготовления мебели. Он предлагает стулья, столы и прочее не заказывать плотникам, а выращивать, подобно грибам-шампиньонам». И тут же показаны образцы готовой продукции, действительно, похожие на гигантские грибы. Не могли бы вы пояснить, каким образом делаются подобные чудеса? Неужели в Англии научились заранее, на генетическом уровне, задавать форму будущего растения?
Иван Саморуков, г. Новосибирск

КАК ЦЫПЛЕНОК ИЗ ЯЙЦА

ПРОЕКТ «БИОБУФЕР» И ДРУГИЕ

«Ну вот, похоже, у нас украли очередную перспективную идею», - подумал я, дочитав читательское письмо. Дело в том, что еще в 1978 г., если мне не изменяет память, в Нижнем Новгороде - тогда еще городе Горьком - мне довелось познакомиться с любопытным проектом местных школьников. Диана Широкова и ее друзья из Центрального городского клуба биоников придумали удивительный дом-гриб, который растет сам по себе, подчиняясь законам генетики. Управлять процессом предполагалось с помощью мутагенных (вызывающих мутации) излучений, например, ультрафиолета. Стоит посеять споры такого гриба в землю, рассуждали школьники, и он начнет развиваться, перерабатывая вещества, содержащиеся в почве, в стройматериал. А «архитекторам»-микологам остается лишь следить за ростом дома-гриба, подправляя при необходимости отдельные его элементы.

На международном конкурсе в Штутгарте проект «Биобуфер» (так его назвали юные авторы, поскольку он, по их мысли, символизировал единение живой и неживой природы) занял первое место. На том все вроде бы и кончилось - ибо, согласитесь, одно дело придумать, а другое дело внедрить в практику...

Лишь около 10 лет назад была сделана первая - насколько мне известно - попытка претворить красивый замысел в жизнь. Немецкий архитектор Р.Дернах предложил проект морского города-острова - не возведенного, а выращенного. Океан, считает он, предоставляет огромные возможности для градостроительства, надо лишь умело их использовать. В морях обитает более 2000 видов так называемых обрастающих животных и растений, которые со временем покрывают плотной известковой коркой любой предмет, находящийся в воде. Почему бы этим не воспользоваться? Дернах предложил погружать в море затравку - тонкий каркас требуемой детали, скажем, из пластика. Когда он обрастет известью до нужной толщины, полученную деталь остается лишь извлечь краном или вертолетом и доставить на стройку!

Правда, обрастающие организмы весьма неторопливы - чтобы нарастить на каркасе слой в 3 см, придется ждать год. Вот если бы генная инженерия сумела их как-нибудь поторопить...

Что же до стульев-грибов, о которых пишет наш читатель, то рецепт сего, как говорил старик Хоттабыч, «немудрящего чуда» нам удалось найти в научной периодике: оказывается, англичанин попросту заключил стволы саженцев обыкновенных деревьев в короба соответствующей формы, а когда деревца подросли, произвел окончательную обработку полученных заготовок.(Кстати, у нас юннаты подобным образом выращивали кубические овощи и фрукты - исключительно ради любопытства.) Так что здесь нет не только чуда, но дажфокуса. Вряд ли этот способ производства мебели получит широкое распространение. Причина та же: долго ждать выхода готовой продукции.

«ХВАТИТ РЕЗАТЬ!»

Здесь можно бы поставить точку, ибо любознательность нашего читателя мы удовлетворили. Но тема выращивания предметов обихода, машин и их узлов, похоже, овладела многими умами. Недавно в московском НИИавтопроме начала работать необычная технологическая лаборатория. Не располагая ни токарными станками, ни прессами со штампами, ни литейными формами, ее сотрудники берутся за выполнение
Примерно таков дом-гриб, некогда придуманный школьниками из города Горького.
весьма замысловатых заказов. Например, минут за 20 вам изготовят из прозрачного полимера куб с моделью земного шара внутри! Только не подумайте, что лаборатория производит сувениры - там сделают на заказ и детали сложных машин. Весь «фокус» в небольшой установке: металлический шкаф с дверцей и компьютер на полочке - вот и все устройство. Вводится программа, и на дисплее возникает объемное изображение намеченного изделия. Емкость в шкафу заполняют вязкой жидкостью вроде смолы, включают лазерный сканер - через несколько минут изделие готово!

Суть дела проста. Химики создали полимер, быстро твердеющий под действием лазерного луча. Специалисты американской фирмы 3D System Inc., с которыми сотрудничает НИИавтопром, разработали прибор SLA-250 - мини-фабрику, или, лучше сказать, инкубатор, где из упомянутого полимера под действием остронаправленного лазерного пучка капля за каплей выращивают предметы любой формы. Руководит процессом компьютер по программе, заданной конструкторами. Деталь - точнее, модель детали - вырастает в точности такой, как на объемном рисунке. Ее можно сразу же примерить, смонтировав непосредственно в узле или агрегате, при надобности тут же внести исправления, окончательно выверить параметры, по которым затем технологам не составит особого труда безошибочно изготовить оснастку для последующего серийного выпуска таких же изделий, но уже из металла или другого материала - не экспериментального, а окончательного.

SLA-250 и подобные ей системы заметно упрощают технологический процесс, исключая многие его звенья. Подсчитано, что одна такая установка позволяет сократить производственные расходы на 5 млн долларов в год! Стоит ли удивляться, что на многих зарубежных фирмах SLA-250 работают круглосуточно все семь дней в неделю. Описанный метод - его называют стереолитографией - тем эффективней, чем сложнее изделие. Можно, например, вырастить модель автомобиля, самолета или ракеты, склеив ее по частям. Макетчики, работающие в градостроительстве, экономят массу времени и сил. Скульптор получит прототип художественного творения, законченный до последнего штриха, и затем останется лишь... Впрочем, вряд ли ваятели уровня Вячеслава Клыкова польстятся на такой «способ творчества». Зато SLA-250 и ее сородичи станут надежными помощниками хирургов и зубопротезистов. Говорят даже, вскоре подобные приставки к персональным компьютерам можно будет использовать и в быту. Поставил вместо обычного принтера литографическую установку - и можешь, например, делать игрушки, точно копирующие облик героев любимых мультфильмов.

Так в наши дни преобразилась технологическая идея, над которой еще четыре десятилетия назад колдовал ленинградский профессор Б.Степанов. Читатели постарше, быть может, помнят, как он предлагал помещать в металлический расплав затравку в виде кусочка готовой детали и потихоньку приподнимать ее, чтобы вслед за ней тянулось продолжение: расплав кристаллизовался частица за частицей, принимая нужную форму. Подобным образом, как доказали эксперименты, можно выращивать провода, швеллеры, рельсы, двухтавровые балки, заготовки для зубчатых колес и т.п. Другое дело, что такой процесс весьма долог и по этому показателю не идет ни в какое сравнение с прокаткой и штамповкой. Зато каковы детали - исключительно высокого качества! Скажем, выращенные лопатки турбин для авиационных двигателей работают в 2-3 раза дольше и при более высоких гемпературах, чем те, что получают обычными методами.

Еще одно направление - работа с кристаллами, которые в принципе не поддаются резцу. Можно, конечно, попробовать изменить форму, например, сапфира алмазной или лазерной обработкой. Но куда проще вырастить уже готовый кристалл нужной формы. И качество этого изделия, между прочим, будет намного выше... Наши технологи уже добились весьма впечатляющих результатов.

ДАВАЙТЕ ВЫРАСТИМ ВЕЗДЕХОД

«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...». Через пару часов из Яйца «вылупился» 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 братьев Стругацких «Попытка к бегству» описано рождение универсального вездехода из - Яйца. Оно, правда, не простое (недаром с заглавной буквы!) - «механозародыш», где запрограммированы физические и химические процессы для сборки машины из отдельных атомов и молекул.

Фантастики тут не так уж много. По сути, Стругацкие упрощенно описали известный в природе способ производства. Ведь обыкновенное куриное яйцо запрограммировано на
Выращивание города-острова по Р.Дернаху. Каркас, погруженный в море, постепенно обрастает известковой «плотью». Точно так же природа испокон веку строит коралловые рифы.
выращивание куда более сложной и совершенной системы - живого цыпленка! Нет надобности лишний раз констатировать крайнюю грубость, примитивизм и к тому же неэкономичность наших технологий по сравнению с естественными. Подсчитано: на каждого человека приходится несколько тонн вещей, используемых им лично (общественный транспорт и, допустим, столики в ресторанах не в счет). Причем под этой грудой «высокоорганизованного» вещества - уже сотни тонн изделий и материалов, нужных для его изготовления! И что обидно, сами по себе они человеку не надобны, он их не потребляет. К примеру, нужна ли вам лично доменная печь? Вернее всего, вы ее даже никогда не видели «живьем». Но для создания какого-нибудь винтика в вашем кресле она необходима. А в итоге каждый год мировое хозяйство перерабатывает миллиарды тонн сырья, чтобы лишь 2% его (!) превратить в полезные для нас вещи.

Сказанное означает, что техническая цивилизация фактически себя исчерпала и морально устарела. Уже сейчас промышленность работает на самое себя, производя, главным образом, средства производства. Мы говорим и пишем об экологических проблемах, пытаясь решить их малой кровью - переходом на «экологически чистые технологии» и т.п. Но это как заплатки на старом одеяле: в одном месте залатал - в другом поползло. Тогда - где выход? А он уже указан: вырастить сразу нужную вещь!

НАНОРОБОТ - СБОРЩИК АТОМОВ

Вот отрывок из письма инженера С.Артюхова: «Что такое машина? Это устройство, с помощью которого человек получает предметы потребления. Вероятность возникновения последних независимо от человека, строго говоря, не исключена, хотя очень близка к нулю. Теоретически не исключена возможность существования планеты, где в результате естественных процессов случайные комбинации атомов складываются не в растительные и животные организмы, как у нас на Земле, а, скажем, в телевизоры, телефоны, холодильники... У Вселенной для этого достаточно времени, вещества и энергии». Возможно. Но человеку ждать некогда, и он повышает вероятность рождения нужных ему вещей с помощью технологических механизмов. С этой точки зрения обыкновенный токарный станок фантастичнее машины времени - он же представляет собой ни много ни мало машину вероятности! Только больно низкий у нее КПД. Вот если бы найти более продуктивные способы воздействия на вероятность...

Природа в который раз подсказывает нам, что делать. Ведь в каждом живом существе работает естественный наноробот - генетический аппарат. Приставка «нано» происходит от греческого nanos - карлик. Нанороботы имеют дело с группами молекул, отдельными молекулами и даже атомами. Отчего бы и нам не производить нужные вещи просто путем расстановки нужных атомов в нужном порядке?! Иными словами, путем выращивания предметов потребления! Структура наноробота может быть организована по тривиальному принципу: молекулярный аккумулятор, снабжающий его энергией, передаточный механизм, атомно-молекулярный манипулятор, управляющее устройство и молекулярный движитель для перемещений - вот вам и кибер-сборщик атомов. По размерам он не превысит вирусов.

Природа разделила процессы производства живых существ на внутри- и внеклеточные. Возможно, по тому же пути пойдет нанотехнология. Во внутриклеточном производстве примут участие один или несколько нанороботов, несущих универсальные хранилища информации - аналог ДНК в живых организмах, - где содержатся сведения о том, каким должен быть конечный результат производства, и программа его достижения. Так можно вырастить изделия несложной формы - питательные вещества, одежду, обувь и т.д. Нанороботам будут доступны любые цвета и фактуры, разнообразные отделки... Появится возможность мгновенной смены моделей. Наконец, самим материалам, выращенным нанороботами, можно придать практически любые свойства - скажем, научить их реагировать на свет и тепло, запоминать свою изначальную форму, слушаться человеческого голоса...

Второй, более сложный тип нанопроизводства - выращивание из искусственных аналогов растительных и животных клеток. Сначала наноробот должен создать саму клетку, наделенную некими свойствами, а затем заставить ее делиться с определенной скоростью и в заданных направлениях, чтобы получился объект требуемой формы. Предмет, выращенный из искусственных клеток, можно также наделить свойством регенерации - самовосстановления в случае структурных повреждений. За процессом роста и развития изделия будет наблюдать технологический суперкомпьютер (а кому еще доверить такую задачу?); он же возьмет на себя регуляцию поступления сырья. Какого? Хотя бы морской воды! Ведь в ней содержатся почти все элементы таблицы Менделеева. Еще Вернадский называл природную воду минералом с переменной химической формулой. Не забудем и о том, что жизнь зародилась именно в море... Из этой «жидкой руды» наноробот буквально по атому выловит нужные элементы. Причем сама нанотехнология, по определению, безотходна: то, что не пригодится в производстве, не извлекается из сырья, а все, что извлечено, утилизируется.

ОПЯТЬ СКАТЕРТЬ - САМОБРАНКА?

Сказанное не противоречит законам природы, но все-таки звучит фантастично. Читатель, видимо, решил, что речь идет о далеком будущем - а в таком разе отчего бы и не помечтать о нем... Между тем мы давно используем природные наномашины в своих целях, подчас даже не догадываясь об этом. Допустим, дрожжи - самые настоящие микромашины вероятности, изменяющие ход процессов сбраживания так, как угодно человеку. Шелковичные черви вырабатывают готовые к использованию нити для одежды. Недавно в нашей стране создан бактериальный препарат ризоторфин - основу его составляют клубеньковые бактерии, помогающие культурным растениям - любым, а не только бобовым! - усваивать атмосферный азот. (У бобовых азотфиксирующие бактерии есть от природы.)

Наконец, биочипы - микропроцессоры, где полупроводники органические. Правда, белковая электроника делает только первые шаги. Но со временем гэнная инженерия научится выращивать... компьютеры. А что такого?! Если природа растит живые ЭВМ - мозги, то почему мы не сумеем вырастить искусственные? Главное - понять принцип, не так ли? Дальше останется по-умному скопировать природные процессы, перенести их в промышленную технологию.

И «волшебники», умеющие это делать, уже нашлись. Чтобы увидеть их за работой, не надо отправляться на ковре-самолете за тридевять земель - сгодится обычный московский транспорт, идущий в сторону Щелковского шоссе. А само «тридесятое царство» выглядит
Метод стереолитографии в действии. Сначала модель макетируют с помощью компьютера, потом разбивают на виртуальные слои и выращивают фрагмент за фрагментом. Обозначения: 1 - лазерный блок с соплами; 2 - не работающие в данный момент сопла; 3 - работающие; 4 - компьютер; 5 - станина; 6 - деталь, которую в данный момент выращивают
весьма современно - двадцать с лишним этажей стекла и бетона - и называется НИИ «Дельта». Здесь спроектировали скатерть-самобранку атомного века - так назвал эту наномашину один из ее конструкторов Петр Лускинович. Функция ее в том, чтобы из атомов и молекул окружающей среды - например, из воздуха, воды и грунта - собирать все, что пользователю будет благоугодно заказать, начиная от еды и питья и кончая ювелирными изделиями. Лускинович даже рискнул назвать дату, когда первые агрегаты подобного рода появятся в продаже: начало XXI века. И ему вполне можно верить - его слова подтверждаются не только работами сотрудников возглавляемой им лаборатории, но и трудами зарубежных коллег-нанотехнологов. Со стороны все выглядит на редкость буднично. За компьютером сидит человек, постукивает по клавишам (знакомая идиллия!). Рядом на рабочем столе - небольшое устройство, чем-то смахивающее на кофейник. Это атомный силовой микроскоп - совсем недавно созданный инструмент, работающий в нескольких режимах, из которых нам наиболее интересен один: с помощью электромагнитных полей поштучно, поодиночке переставлять с места на место атомы и молекулы!

Оператор настукивает ему программы, и на дисплее видно, как на глазах меняется рельеф бугристой нанопо-верхности - одни атомы замещаются другими. Рутинная лабораторная работа, да? Но вот к чему она ведет. Как действует природа, создавая тот или иной организм? Сначала собирает клетку - атом к атому, молекула к молекуле. Затем клетка делится, из ее потомков формируется зародыш, а из него, в конце концов, вырастает организм. Первую стадию сего процесса и отрабатывает атомный силовой микроскоп. Пока он действует довольно медленно и неуклюже. Но ведь и первый компьютер, мягко говоря, не блистал быстротой и сложностью операций!

Закончить хотелось бы словами Петра Лускиновича: «Полагаю, вскоре, зайдя в хозмаг, вы сможете купить не просто очередной кухонный агрегат - мало ли их сегодня!- а репликатор, устройство, умеющее по заказу синтезировать из чего придется практически любой продукт». Такие технологические сказки ожидают нас в обозримом будущем, если верить ученым-энтузиастам. А исторический опыт показывает, что им можно и нужно верить - хотя бы в принципе.

Станислав
ЗИГУНЕНКО



на предыдущую страницу к началу этой страницына следующую страницу