Микроботы: технология будущего сегодня

Когда в 1980-х годах буревестник нанотехнологической революции Эрик Дрекслер начал публиковать книги и статьи с описанием своего видения будущего, реакция научного сообщества была крайне скептической. Целенаправленное создание новых и перестройка уже существующих молекулярных структур материи любыми способами, не входящими в противоречие с законами физики, спору нет, сулили невиданный прогресс в освоении природы, но уж слишком все это казалось далеким и фантастичным. Дрекслер писал, что человек, научившись манипулировать атомами с высочайшей точностью, радикально изменит производство практически всех нужных ему продуктов. В игольное ушко можно будет упаковать вычислительную мощь суперкомпьютера. Материалы с новой структурой, легкие, как перышко, и твердые, как алмаз, революционизируют транспорт и аэрокосмическую индустрию. Наконец, появятся медицинские инструменты, размером и точностью попадания в нужное место организма сопоставимые с молекулами, способные непосредственно воздействовать на возбудителя болезни. Еще один важнейший признак нанотехнологий - это чрезвычайно точные и безотходные методы изготовления продукции, исключающие загрязнение среды. Все это выглядело слишком уж хорошо, чтобы быть правдой. А посему многие ученые провозгласили, что возвещаемые Дрекслером технологические новации попросту невозможны.

Однако годы шли, технологии развивались своим чередом, и постепенно беспристрастный анализ стал все более подтверждать глубокую правоту Дрекслера. Стремительный прогресс технологий наиболее очевиден в компьютерной области: вычислительная мощь нарастает экспоненциально, а размеры мельчайших элементов электронных схем все глубже уходят в субмикронную область. Экстраполируя эти на редкость стабильные тенденции, легко показать, что если мы можем укладывать атомы в молекулярных компьютерах, то ничто не мешает проделывать то же самое и с прочими продуктами. Ныне у аналитиков, знакомых с ситуацией в области перспективных исследований и разработок, практически нет сомнений, что в обозримом будущем нанотехнологии «станут не только возможны, но и неизбежны». Уже в течение ближайших 10-20 лет появятся «наноботы», или нанотехнологические роботы, собирающие механизмы из отдельных молекул или атомов. Причем это будут не демонстрационные, а промышленные устройства.

Эрик Дрекслер в книге «Орудия творения», вышедшей в 1986 году, писал, что наноботы позволят преодолеть проблему «толстых пальцев» и манипулировать материей на нанометровом уровне, то есть на уровне молекул или молекулярных кластеров размером от 1 до 100 нанометров (10-9 -10-7 м; для сравнения, диаметр человеческого волоса - несколько десятков тысяч нанометров). Любые обычные инструменты слишком велики для работы с такими предметами, а значит, для построения нанообъектов потребуются специальные устройства сопоставимых размеров. И в настоящее время, вместе с созданием новых микротехнологических систем и автоматов, попутно создается и мощный задел для будущих сборщиков-наноботов.

Многие эксперты склонны отсчитывать историю микротехнологий от знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году перед Американским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнмана и талант визионера позволили ему обрисовать потенциал микротехнологий в самых ярких красках: в его лекции были и крошечные компьютеры, и системы хранения данных, электронные компоненты и даже микроскопический инструментарий миниатюрных роботов. Но если пророчества Фейнмана в области микроэлектроники начали обрастать плотью очень быстро - уже в 1960-70-е годы, - то прогресс в электромеханических микросистемах шел гораздо медленнее. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты и правительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработана технология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографии и инструментарий полупроводниковой промышленности.

Фактически, понадобилось больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческое приложение MEMS ¹. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения - короче, множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Однако запустить подобные продукты в массовое производство оказалось гораздо труднее, чем полагали оптимисты.

Сейчас самой перспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации. Так, в конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Сандиа под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния - четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.

Опыт, накопленный разработчиками Сандиа в миниатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектных микроскопических роботов (www.sandia.gov/isrc/ssm.html). Построенная в середине 1990-х годов модель автономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объем около 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имеет полимерный каркас, шесть колес, два электромотора, процессор с 8 Кбайт памяти, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов. Надо сказать, именно бытовые элементы питания помешали сделать устройство еще миниатюрнее. Машины планируется оборудовать системой беспроводной связи, после чего группа микророботов сможет объединяться для совместного решения задач под управлением центрального компьютера. По замыслу разработчиков, основной областью применения таких роботов может стать поиск и обезвреживание бомб и мин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря малым размерам и высокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательных задач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишь на преодоление десятка метров.

Нанотехнологии, особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в биологической традиции.

«Сухие нанотехнологии» чаще всего отталкиваются от уже имеющихся технологий - вроде сканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы. Пока что, как правило, это выражается в форме своеобразных «нанограффити», то есть складывании из атомов собственных имен исследователей, названий их институтов или щедрых спонсоров, профинансировавших забаву. Но все такие эксперименты обычно ограничены плоскостью. Укладывание молекул друг на друга - следующая задача, которая, несомненно, будет решена в ближайшие годы.

Например, исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет» общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродных нанотрубок (cmliris.harvard.edu). С помощью этого механизма удается манипулировать 300-нанометровыми кластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный 20-нанометровый полупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанных проводов. В ближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобы захватывать отдельные крупные молекулы. Но вот удастся ли с помощью подобных инструментов пойти дальше и начать создавать недорогие молекулярные машины? Пока уверенного ответа на этот вопрос нет.

Быть может, «мокрой нанотехнологии» следует сконцентрироваться на конструировании и модификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями к самосбору. Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь. Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют также микробиороботами.

Исследователям из Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора» (www.nyu.edu/projects/nanotechnology), удалось научиться генерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации. Так были выстроены кубы, восьмигранники и другие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов. Избрав аналогичный подход, ученые Корнелльского университета генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе (ATPase). В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобно микроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.

Как показывают предварительные оценки, механические системы в конечном счете смогут обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы биологические. Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки конкретной технологии.

Итак, сама логика развития новой технологии диктует, что для построения нанообъектов требуются специальные устройства-сборщики нанометровых размеров. Как было показано выше, проблема эта отчасти преодолевается вместе с созданием новых инструментов микротехнологий, однако остается другая принципиальная проблема. При столь миниатюрных масштабах сборки для изготовления чего-то достаточно крупного и пригодного для использования человеком потребуются многие тысячи нанороботов, осуществляющих тысячи манипуляций в течение многих и многих дней, месяцев или даже лет.

Эта проблема решается созданием репликаторов - наноботов, создающих других наноботов, способных к самовоспроизведению. Таким образом, говорят энтузиасты нанотехнологий, можно кардинально ускорить процессы производства. Беда же в том, что от идеи репликаторов многие люди начинают чувствовать себя крайне неуютно. Вплоть до того, что нанотехнология рассматривается сейчас некоторыми как первый шаг человечества по скользкому краю апокалиптической ямы, заполненной «серой слизью». Этот термин получил довольно широкое хождение с подачи Билла Джоя, главного ученого Sun Microsystems, опубликовавшего в журнале Wired нашумевшую статью «Нуждается ли в нас будущее?» Джой и его идейные соратники настойчиво предупреждают, что микроскопические самовоспроизводящиеся роботы, невидимые человеческому глазу, в случае выхода из-под контроля могут привести к нашествию безликой, липкой и пожирающей все вокруг массы - «серой слизи». Причем идею эту вовсе нельзя назвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборники новейших технологий уже выдвигали предложения по разработке армии «синей слизи» - разрушительных микромашин - в качестве мощного оружия для «умиротворяющих» действий правоохранительных органов.

В ответ на подобные опасения и тревогу авторитетные сторонники нанопрогресса (Ральф Меркль, в частности) выдвигают свои аргументы. Хотя нанотехнология действительно предлагает использовать репликацию для сведения к минимуму стоимости производства, она не предлагает копировать живые системы. Живые системы адаптируются к среде самым чудесным образом и способны выживать в сложных природных условиях. Нанотехнология, напротив, предлагает строить молекулярные машинные системы, похожие на микроскопические версии оборудования сегодняшних фабрик и заводов. Рука-манипулятор микроробота, уменьшенная до субмикронного размера, должна уметь брать и собирать молекулярные детали, подобно тому, как манипуляторы заводских роботов орудуют гайками и болтами. К сожалению, говорит Меркль, очень легко пойти по ложной тропе из-за простого факта: единственная репликационная система, с которой знакомо большинство из нас, - это биологические самовоспроизводящиеся системы. Мы автоматически начинаем подразумевать, что нанотехнологические репликационные системы будут подобны биологическим. Но машины, которые изготовляют люди, очень мало похожи на живые системы, поэтому и молекулярные системы производства скорее всего будут столь же непохожими.

В качестве иллюстрации к своим доводам Меркль приводит экспериментальную систему «экспоненциальной сборки», создаваемую техасской корпорацией Zyvex. Здесь разрабатываются механические системы для сборки устройств микронного, субмикронного и молекулярного масштаба. На микронном уровне, используя уже имеющиеся MEMS-технологии, проектируется простая роботизированная рука «взять-и-положить», способная манипулировать сложными планарными деталями микронного масштаба, изготовленными с помощью литографии. Из этих деталей собирается роботизированная рука, способная манипулировать специально разработанными MEMS-деталями. Процесс получил название «экспоненциальная сборка», поскольку это репликационная технология, начинающаяся с единственной роботизированной руки на кремниевой пластине, которая сама собирает другие роботизированные руки, беря детали, заранее уложенные на пластине в точно известных местах. Хотя количество собранных таким методом роботизированных рук может возрастать экспоненциально (до некоторых пределов, понятно, накладываемых системой производства), этот процесс требует, среди прочего, литографически изготовленных деталей, а также подачи электроэнергии и управляющих сигналов для координации сложных движений рук-манипуляторов. Достаточно отключить энергию, управляющие сигналы или лишить микроробота деталей - и он будет действовать так же, как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии и заброшенный в глухой лес.

Аргументы Ральфа Меркля, что и говорить, выглядят здраво. К сожалению, далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий, придерживаются подобной логики, и среди них один из ведущих специалистов лаборатории Сандиа - Джеф Бринкер (Jeff Brinker), 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. Как относиться к наступающим переменам? Каких принципов придерживаться в процессе разработки и внедрения нанотехнологий?

В калифорнийском Пало-Альто в 1989 году была создана специальная некоммерческая организация под забавным названием «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 (www.foresight.org/guidelines). 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. И далее в том же духе.

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. Со свойственным бизнесу цинизмом промышленники охотно соглашаются, что потенциальная опасность нанотехнологий «должна, конечно, стимулировать этические дебаты в обществе», однако «инвесторам не следует всерьез задумываться о такого рода вещах». Ну, а что касается политиков, то в этой среде, к сожалению, цинизма еще больше, чем в бизнесе. Так что уповать остается на общее здравомыслие человечества.

Впрочем, как и всегда.