07.06.2011

Поэтому нет ничего удивительного в том, что в такой сложной и быстро развивающейся области технологии и науки как нанотехнология появился ряд заблуждений, которые превратно или зачастую совсем неправильно «объясняют» будущее наноэры.

Цель данной статьи – пролить свет на самые грубые научные ошибки, которые привели к появлению нанозаблуждений и возникновению мифов. Один из таких мифов – угроза «серой слизи». Что самое интересное, в эти мифы охотно верит мировая общественность. Конечно, рой нанороботов, вышедших из-под контроля, живописно описанный в книге «Жертва» Майкла Крайтона, выглядит страшно, несмотря на то, что автор допустил немало именно научных ошибок.

DANGER!

Именно эта книга испугала Принца Чарльза, который теперь является одним из противников развития нанотехнологий в мире. Конечно, любая быстроразвивающаяся технология пугает. Тем более технология с таким большим потенциалом. Можно с уверенностью говорить, что нанотехнологии так же изменят мир, как в свое время его изменила электрификация. В то далекое время, когда электричество было предметом лабораторных исследований, только отдельные фантасты (Жюль Верн, например) смогли более-менее точно описать появление электрических машин, кораблей и подводных лодок. Но смогли ли они предсказать появление вычислительной техники, Интернет и виртуальную реальность?

То же самое происходит в области футурологических прогнозов о будущем человечества, пользующегося благами нанотехнологий. Выгоды, видимые невооруженным глазом, фантасты предсказали еще в 60-х годах прошлого столетия. А дальнейшее прикладное развитие молекулярного производства порождает те самые мифы и заблуждения, о которых мы будем говорить ниже. Особенно это касается области наноробототехники и наномедицины.

Прежде чем начать, следует оговориться, что все заблуждения, которых мы коснемся, в принципе воплотимы и не противоречат физике, химии, инженерии и другим точным наукам. Другое дело, что они неэффективны, нецелесообразны и временные рамки по их реализации могут отличаться от тех, о которых мы привыкли слышать.

Итак, начнем:

1. Вещи в наноэру будут производиться миллионами нанороботов-ассемблеров, они станут собирать их из подручного материала, который перед этим будет разбираться на атомы роботами-дизассемблерами.

Если бы инженеру, жившему в 50-е годы прошлого века, сказали бы что-то вроде: «В недалеком будущем, лет эдак через 40, автомобили будут собирать роботы-андроиды», он наверняка в это бы не поверил, так как уже в то время существовала более дешевая конвейерная сборка. Подобная ситуация имеет место и сегодня. Многие люди, имеющие поверхностное представление о современных производственных процессах, могут поверить в то, что ботинки или плазменные панели в наноэру будут производиться «тучей» нанороботов, собирающих их поатомно. И не задумается о том, насколько неэффективным будет использование таких сложных устройств.

Действительно, для того, чтобы сделать управляемый конгломерат из мобильных нанороботов, необходимо оснастить их рядом сенсоров, системой навигации, системой передвижения и мощным бортовым компьютером для управления всем этим.

Производственная линия наносборкиРис. 1. Производственная линия наносборки

Скорее всего, если эта система будет представлять собой «конструктивный туман», о котором мы писали ранее, сборка макроскопического продукта усложнится из-за трудности доставки молекулярного сырья в зону сборки. Гораздо проще было бы из нескольких микроблоков, собранных в одном месте конвейера, формировать макроблоки. Этот подход реализован в проекте нанофабрики Криса Феникса.

Не исключено, конечно, что сборка вещей с помощью мобильных нанороботов будет возможна в будущем. Однако можно с уверенностью сказать, что первые производственные структуры, изготавливающие вещи с атомарной точностью, будут выполнены по принципу нанофабрик, так как для первого производства «роя нанороботов» нужна более простая структура.

Сторрс Холл, автор проекта «конструктивного тумана», сначала представлял себе производственный процесс на основе наноассемблеров, связанных с помощью пространственной сетки, облегчающей их координацию в пространстве и сборку готового продукта. После детальных расчетов даже такая система, состоящая из «привязанных к рельсам» нанороботов, оказалась неэффективной по сравнению с конвейерной нанофабрикой.

assembler_0.jpgРис. 2. Наноассемблер и пространственная сетка Сторрса Холла

Некоторые читатели могут подумать: раз возникают такие трудности при использовании мобильных нанороботов, то, может, и сама концепция «конструктивного роя» тоже неосуществима? В этом случае необходимо заметить, что у гипотетических роботов-сборщиков и «конструктивного роя» различные функции: первые собирают готовый продукт с атомарной точностью, в то время как «рой» формирует готовые объекты из своих составляющих – фоглетов.

Подручный материал, скорее всего, тоже разбираться мобильными нанороботами-дизассемблерами не будет. Это опять-таки неэффективно. Гораздо проще получить сверхчистые материалы в больших количествах методами промышленной химии. На сегодняшний день, правда, этого достичь трудно, но с появлением новых нанокатализаторов получение «молекулярного сырья» будет поставлено на поток.

Также при разбирании сырья на молекулы с помощью дизассемблеров возникает проблема идентификации отдельных «разобранных» атомов и молекул. Некоторые ученые предлагают определять тип атома, воздействуя на него слабым электромагнитным излучением. Другие – взвешиванием с помощью НЭМС-осцилляторов. Но в любом случае процесс «разборки» того же каменного угля на «чистый» углерод с помощью даже миллиона дизассемблеров потребует довольно много времени. Опять-таки, это неэффективно.

2. В эру нанотехнологий все товары будут очень дешевыми и они будут доступны всем желающим

Любое высокотехнологичное производство никогда не было дешевым. Стоимость готового продукта (при самом грубом приближении) определяется суммированием затрат на производственное оборудование, затрат на сырье для производства и потребленную энергию, затрат на оплату труда обслуживающему персоналу и оплату интеллектуальной собственности (патентов и пр.). Также следует не забывать о том, что в готовом продукте немалую часть составляет прибыль предприятия-изготовителя.

Приведу аналог «бесплатных продуктов» на примере программного обеспечения. Казалось бы, зачем платить большие деньги за то, что можно за несколько секунд растиражировать практически без затрат? Тем не менее, специализированные лицензионные программы стоят очень дорого, программы общего пользования – подешевле, некоторые распространяются бесплатно. Как ни парадоксально, но Билл Гейтс, глава компании Microsoft, самый богатый человек в мире, заработал миллиарды долларов именно на тиражируемом программном обеспечении. Конечно, есть и бесплатно распространяющиеся программы, и они иногда работают лучше дорогих аналогов, но все-таки платные тоже покупают и пользуются ими. Можно предположить, что в будущем будет широко распространено хакерское «нанопиратство», позволяющее бесплатно пользоваться различными продуктами нанотеха, как сегодня это происходит со многим программным обеспечением. Но это не значит, что абсолютно все нанопродукты будут доступны всем. Тем более что кроме интеллектуальных вложений для них потребуются еще сырье и энергозатраты, которые тоже не будут бесплатными.

Попробуем представить себе изготовление нанопродуктов с помощью самого сложного производственного наноустройства  – нанофабрики. Например, один предприниматель решил делать и продавать фоглеты для системы «конструктивный туман». Он посчитал, сколько может произвести фоглетов в час одна нанофабрика, и решил, что для массового производства фоглетов ему нужно N нанофабрик. Он приобретает за некоторую начальную сумму нанофабрику у гипотетического распространителя нанофабрик. И затем запускает программу ее самокопирования. Казалось бы – получается все очень дешево. Однако тут есть одно «но». Готовая нанофабрика ну никак не может быть дешевле молекулярного сырья, затраченного на ее производство. И это нормально, так как для производства копии нанофабрики нужно молекулярное сырье. Далее, в процессе работы одна нанофабрика будет потреблять около 250 киловатт электроэнергии в час. Пусть самая «скоростная» нанофабрика в час сделает одну свою копию (хотя это очень и очень быстро). То есть если сначала будет работать одна нанофабрика, а потом две, то потребление электроэнергии возрастет во столько раз, сколько будет работать нанофабрик.

Экспоненциальное производствоРис. 3. Экспоненциальное производство

Получив завод из N нанофабрик, коммерсант уже потратит на их создание некоторую сумму, которая будет равна: начальные затраты = (N-1)*(тариф эл.эн, кВт * 250*1 час + стоимость сырья, затраченного на 1 нанофабрику) + стоимость первой нанофабрики. И это затраты только на производственное оборудование. Потом коммерсант наймет исследовательскую группу, которая разработает конструкцию фоглета и наладит их производство. Это обойдется ему еще в определенную сумму. Затем, наконец, он приступает к выпуску серийной продукции. Пусть он в первой партии выпустит M фоглетов. Тогда их стоимость будет равна:

Цена 1 фоглета = (Начальные затраты + затраты на проектирование фоглетов)/M + (250*время производство M фоглетов*тариф эл.эн, кВт + сумма на затраченное сырье для них же)/M

Кроме этого прибавим к этой сумме прибыль коммерсанта – и мы получим уже готовую стоимость одного фоглета. Сейчас трудно реально оценить финансовые параметры этой системы, чтобы прикинуть, сколько же будет стоить «собственный рой». Но уж во всяком случае это будет не бесплатно.

Реальная выгода такого производства по сравнению с обычным – быстрота его развертывания, высокая гибкость и перепрофилируемость. Если тот же коммерсант захочет, например, вместо «роя» производить компьютеры, то он заплатит только конструкторскому персоналу за разработку нового продукта. При этом не нужно будет ничего менять в структуре производства. Это значит, что один такой завод может делать и лекарства, и компьютеры, и продукты питания.

Не исключено, что из-за такой гибкой и доступной технологии производства вещи станут дешевле. Но стоимость их будет зависеть и от вложенной в их разработку интеллектуальной собственности. Поэтому еще рано делать выводы о дешевизне будущего нанопроизводства, пока хотя бы один прототип такого производства не начал работать.

3. А когда в центральном компьютере, управляющем роем наноассемблеров произойдет сбой, то они дружно примутся разбирать все вокруг себя, складывая из полученных атомов таких же роботов.

Этот вопрос уже не раз обсуждался. Для такого произвола нужна система «ассемблер-дизассемблер». А если ее не будут применять, то, естественно, этого не случится. Нанофабрики же работают по разделенной схеме: они не поставляют сами себе сырья, оно готовится в другом производственном цикле. Этим разъединением сырья и производства удастся предотвратить выход репликаторов типа нанофабрики из-под контроля.

РепликаторыРис. 4. Репликаторы

Роберт Фрайтас в самом начале «серого бума» подсчитал, за какое время наниты-репликаторы смогут разобрать всю биосферу Земли на атомы. Получилось, что им потребуется для этого два года.

Естественно, неконтролируемая репликация может быть создана искусственно. Но сделать такое оружие массового поражения будет очень трудно. Тем более что контролировать разбушевавшихся нанитов не смогут сами создатели наноапокалипсиса.

4. Можно будет воскрешать мертвых благодаря медицинским нанороботам, которые будут восстанавливать тела умерших поатомно. И если затем что-то в твоем теле необходимо будет изменить, то полчища нанороботов перестроят его за доли секунды: вырастят дополнительные ноги/руки, изменят форму и прочность тела и переведут метаболизм с кислорода на метан.

Как ни прискорбно, но воскрешать мертвых даже наномедицина, скорее всего, не сможет. В течение клинической смерти еще есть шансы поддержать жизнь в пациенте, пока жив головной мозг. При смерти человека происходит потеря структуры самого главного органа – головного мозга. Даже если периодически записывать поатомную структуру головного мозга пациента, а потом восстанавливать его с последнего «чекпоинта», то это будет не тот человек, который умер.

Он не будет помнить отрезок времени, прошедший с момента «чекпоинта» и до смерти. Конечно, можно будет сделать сложные системы мониторинга состояния головного мозга для того, чтобы как можно чаще «сохранять» его структуру. Но гораздо проще разработать меры по предотвращению преждевременной смерти и смерти от несчастных случаев.

Можно реконструировать тело человека, снабдив его набором имплантов и наноробототехники, что позволит радикально продлить срок человеческой жизни и защитить людей от 99% существующих заболеваний. Но защититься настолько же эффективно от несчастных случаев не удастся. В целом человечество станет здоровее, моложе и сможет жить практически неопределенное количество лет. Но опасность от случайной смерти останется.

Воскрешать же мертвецов, пролежавших дни, годы или столетия в могилах – утопия. Этого не достичь даже с помощью самых развитых нанотехнологий. Как было сказано выше – без информации о строении головного мозга умершего нельзя достичь его возвращения к жизни.

Респироциты ФрайтасаРис. 5. Респироциты Фрайтаса

Быстрые преобразования в организме возможны лишь в определенных пределах, поэтому не стоит ждать от нанотехнологий чудес. Конечно, с помощью наномедицины можно приспособить организм человека к работе в более широком температурном диапазоне и т.д., но эти изменения не смогут произойти за доли секунды. Например, для достижения эффекта длительного дыхания с помощью респироцитов, описанных Робертом Фрайтасом, необходимо ввести в кровеносную систему набор этих наноустройств и затем провести несколько раз гипервентиляцию легких (глубоко вдохнуть 10–12 раз). Только после этих манипуляций человек сможет находиться без кислорода в течение часа.

5. И все эти чудеса нанотеха произойдут уже через 10–20 лет!

Создание первых примитивных наномашин (нанокомпьютеров, наноманипуляторов и наномеханизмов) потребует инструментария, которого еще не существует. С помощью современной атомно-силовой и сканирующей зондовой микроскопии сделать даже простейший наноподшипник практически невозможно, так как это трехмерная наноструктура. На сегодняшний день исследователям удалось создавать атом за атомом лишь плоские структуры, состоящие из десятка атомов. Поатомная сборка современными микроскопами нанокомпьютера, например, сравнима со строительством египетских пирамид с помощью пинцета. Поэтому с помощью современной технической и инструментальной базы сделать наносистемы с атомарной точностью нельзя.

Наноподшипник, состоящий из ~106 атомовРис. 6. Наноподшипник, состоящий из ~106 атомов

Но если бы можно было сделать такие наносистемы, как наноманипулятор, сейчас, то, без всякого сомнения, нанороботы появились бы в нашей жизни лет через десять.

Скорее всего, первые инструменты, с помощью которых можно будет собирать из атомов различные трехмерные структуры, появятся только к концу этого десятилетия. Также, вероятно, разовьются биотехнологические методы производства отдельных упорядоченных молекул и заранее спроектированных белков. Белки-энзимы в природе выполняют функции природных наномашин, и если человеку удастся повторить эти биологические механизмы, то появится возможность производить и синтезировать простейшие наноструктуры, из которых впоследствии можно будет собрать наноманипуляторы и нанокомпьютеры, эти базовые блоки наномашин и нанороботов.

Большие надежды возлагаются на производство методом самосборки. Не исключено, что многие алмазоидные и биологические наномашины можно будет производить методами самосборки с помощью энзимов или катализаторов. Но, опять-таки, исследования в этих областях только начинаются, хотя перспективы их применения уже довольно широкие.

Исходя из того, что инструментов для производства наномашин пока нет, а ближайшие появятся лет через 10–20, то не стоит ждать реально работоспособных нанороботов и прочих чудес нанотеха раньше, чем через 40–50 лет. И это оптимистический прогноз. По пессимистическому прогнозу расцвет нанотеха произойдет к концу этого столетия.

Свидиненко Юрий



Логин

Пароль