Наноклэйтроника: будущая реальность или вымысел?

Недавно на научно-популярном сайте Membrana.ru появилась статья о клэйтронике - новой области в науке и технологии, позволяющей собирать различные предметы из отдельных универсальных строительных блоков микроскопических размеров (clay - глина, claytronics - "умная глина"). Перспективы применения клэйтроники велики - от телеприсутствия и универсальных вещей до создания персональных "терминаторов из жидкого металла".

В этой статье мы попытаемся рассказать о том, как клэйтроника может быть реализована с помощью автоматизированных наносистем и нанороботов, а также укажем на некоторые неточности, допущенные авторами статьи.

Для того, чтобы получить первое представление о клэйтронике, представьте себе систему, состоящую из унифицированных крошечных роботов, которые могут собираться в различные формы. Если это необходимо, они могут образовать копию любой вещи. Но вещь эта только снаружи и функционально будет соответствовать оригиналу, т.к. "внутри" она будет состоять из строительных блоков-нанороботов.

Наиболее неправдоподобно звучит, конечно, задумка о создании трёхмерных копий людей. Эти дубликаты, якобы, можно было бы отправить чуть ли не по факсу в любую точку мира для виртуальных встреч. Да и, скорее всего, в будущем не будет такой острой необходимости посылать людей по факсу, дублировав их с помощью сложнейшей системы взаимодействующих нанороботов. Скорее всего, такие встречи будут проходить в киберпространстве или с помощью систем телеприсутствия.

Поэтому естественно, что люди, впервые познакомившиеся с клэйтроникой подобным образом, отнесут ее в разряд лженаук типа алхимии. 

Однако с трансформацией вещей одна в другую дело обстоит гораздо серьезней. С появлением нанофабрик нанороботы станут таким же доступным  и недорогим продуктом, как, к примеру, серийно выпускаемые микросхемы. Поэтому нетрудно представить себе фрактальных роботов-хирургов с изменяемой морфологией, которые перестраиваются для проведения различных манипуляций в теле человека. Например, по кровеносному сосуду проникают к поврежденному органу и, далее, собираются в хирургический инструмент, а после проведения операции, захватив удаленные части в контейнер, образованный частями робота-хирурга, выводят поврежденные ткани из организма. Алгоритм работы таких устройств разработан и не представляет трудности. Специалистами из Российского Института Проблем Механики даже разработана общая теория и математическая модель многозвенных роботов.

Но для того, чтобы собрать хотя бы мобильный телефон или стул, потребуется очень большое количество роботов-наноблоков. Вряд ли такое устройство будет дешевым, даже при использовании повсеместно нанофабрик. Так как нанофабрики собирают готовый продукт из молекул-сырья, которые будут иметь определенную стоимость, и при работе потребляют около 250 киловатт в час электроэнергии, производя готовый алмазоидный наноблок размерами 20х20х20 сантиметров. Для производства конструктивного тумана (этот термин Сторрс Холла мы будем использовать и далее при описании клэйтронных систем) на такую вещь как, например, стул потребуется заплатить немалую сумму. Но, естественно, тот же стул можно будет перепрограммировать и в персональный автомобиль, и в мобильный телефон, и в робота-андроида, наконец. 

Рис. 2. Многозвенный фрактальный робот

Конечно, в далеком будущем создание нанороботов может быть довольно недорогим, поэтому можно себе представить человека будущего, вокруг которого носится персональный "конструктивный рой". Но, скорее всего, такие рои будут базироваться в специальных пунктах пользования - дома, на работе и пр., а с собой homo futurus возьмет 100-200 грамм.

Но опять-таки, не будем останавливаться на футурологии, так как эта тема уже изрядно освещена фантастами (Станиславом Лемом, Артуром Кларком и др.). 

Один из основателей клэйтроники говорит, что рои можно будет увидеть "через год, через 5 или 20 лет, я точно не знаю". Скорее всего, это неправда. Для клэйтроники нужен НАНОробот, а не макро. А первые нанороботы появятся через 30-40 лет. Прибавим еще лет 10 на создание системы роя, так как это довольно сложно - заставить миллиарды нанороботов синхронно менять положение в пространстве и собираться в разные конструкции. И еще лет 10 на их коммерциализацию. Получается как минимум - 50-60 лет.

Остановимся на техническом описании "конструктивного тумана" от Сторрс Холла, австралийского ученого, который первым предложил подобные системы. Основа любой клэйтронной системы - базовый кирпичик-наноробот. И чем меньше по размеру будут кирпичики, тем более структурно сложные вещи можно будет из них собрать. 

Каждый наноробот-блок, называемый фоглет (foglet - частица конструктивного тумана - "utility fog"), имеет размер около 100 микрон в диаметре. 

Рис. 3. Модель фоглета

Фоглет состоит из ядра, в котором размещен центральный процессор и приводы манипуляторов и самих телескопических манипуляторов. Потребляет такое устройство около одного милливатта на кубический микрон объема. 

Морфология  наноробота имеет сходство с додекаэдром. Центральное ядро сферической формы диаметром 10 микрон. Для сравнения: диаметр эритроцита (красной кровяной клетки) составляет 8 микрон. От него отходят 12 телескопических манипуляторов, благодаря которым фоглеты соединяются вместе. Каждый телескопический манипулятор диаметром 5 микрон и полной длиной 50 микрон снабжен на конце универсальным захватом, которым оснащены все фоглеты. Масса фоглета - 20 микрограмм и в теории он состоит из 5 квадриллионов атомов.

Так как фоглеты соединяясь манипуляторами образуют кристаллическую структуру, то все силы, приложенные на нее, распространяются в направлении осей соединившихся манипуляторов, поэтому полученная структура будет характеризоваться довольно высокой жесткостью. Если еще учесть то, что фоглеты планируется изготавливать из алмазоида, то жесткость конструктивной пыли, собранной, например, в стержень, будет сопоставима с жесткостью такого же алмазного стержня. 

Рис. 4. Современный МАКРО прототип фоглетов

Конструкция манипуляторов и универсальных соединений предполагает не только механическую связь, но и передачу энергии и информации. Таким образом фоглеты будут связаны в единую информационную сеть. Как говорит Сторрс Холл, на основе фоглетов можно представить дисплеи, собирающиеся прямо на глазах, роль пикселей в которых играют фоглеты-нанороботы.

Для того, чтобы собранный из фоглетов объект имел определенные оптические характеристики, каждый наноробот будет оснащен рукой-антенной, которая в микроволновом диапазоне будет излучать волны нужной длины для того, чтобы создать разные цвета и/или прозрачность объекта. Так что каждый собранный из них объект будет выглядеть так, как захочет пользователь.

Рис. 5. Фоглеты собираются в макроструктуру

Набор сенсоров и нанокомпьютер на борту каждого фоглета позволит использовать конструктивный туман в качестве хранителя информации и средства коммуникации. Предполагается, что интерфейс "человек - конструктивный туман" будет основан на получении сигналов  трансформации непосредственно от нервных сигналов мозга. Это станет возможным благодаря имплантам на основе нейрочипов, или же на анализе и дешифровке слабых электромагнитных полей активности головного мозга тем же "конструктивным туманом".

Конечно, можно делать из фоглетов машины и катера, которые будут плавно трансформироваться в самолеты, но это будет очень дорогостоящее удовольствие, по крайней мере пока нанороботов не будут выпускать очень дешево и в очень больших количествах.

Скорее всего, сборка фоглетов будет происходить под воздействием локальных электростатических полей, которые будут притягивать слишком отдаленные частички тумана. Однако на большом расстоянии это работать не будет, посему конструктивный туман будет не совсем "туманом". Скорее всего, это будет комок наноструктур, плавно изменяющих свою форму. Иначе нанороботам придется преодолевать огромные по микромасштабам расстояния. Для этого придется их оснастить системами навигации в пространстве и сделать мобильными. А это достаточно трудно и, опять-таки нецелесообразно. Так что, скорее всего, тучек, складывающихся в людей, стулья, и мобилки, не будет.

Но не смотря на это, прогнозы клэйтроники достаточно внушительны. Одно из самых востребованных ее применений связано с освоением космоса.

Рис. 6. Робот - протей

Машины, подобные роботу-протею, состоящие из клэйтронных систем, будут идеальными зондами для высадки на другие небесные тела. Представьте себе, как удобно, в случае необходимости, отрастить дополнительные манипуляторы или создать новый исследовательский инструмент. О подобном роботе писал Станислав Лем в романе "Мир на земле". Ийон Тихий использовал протея в качестве своего alter ego при исследовании Луны. При этом он был в космическом корабле, находящемся на стационарной орбите.

Рис. 7. Robonaut

Управлял пилот роботом с помощью системы телеприсутствия. Системы телеприсутствия - не новость в современном мире. NASA уже длительное время ведет работу над проектом Robonaut, который позволит астронавтам с помощью робота-андроида ремонтировать корабль снаружи. Астронавты надевают шлем виртуальной реальности и видят окружающий мир глазами Robonaut'а. Таким же образом можно исследовать планеты и другие небесные тела.

Сплав технологий телеприсутствия и клэйтроники можно использовать не только в космосе. Например, врач может перевоплотиться в того же фрактального робота-хирурга, о котором мы упоминали выше.

Естественно, что все новое, не укладывающееся в рамки обычных представлений о мире, сначала не воспринимается как прогноз будущего. И чаще всего, от самых трезвых подходов в описания мира будущего приходится отказываться. Фантастам прошлого века было проще заглядывать на несколько лет вперед. Фантасты современности этого уже не могут сделать, так как неизвестно, как изменится мир после очередной научно-технической революции. Цель данной статьи - очертить грань между вещами возможными и невозможными. Теми, которые мы сможем увидеть лет через 30, и теми, существование которых даже в будущем сейчас под сомнением. Клэйтроника - одна из таких противоречивых областей.