Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

20.5. Электростатические приводы

Каким образом мы можем «тянуть» такие машины по поверхности? На самом деле эта задача решается легко, и я сейчас продемонстрирую вам схему очень простого устройства. (Фейнман рисует на доске треугольный блок с набором электродов, позволяющих смещать этот блок в требуемом направлении.) Предположим, например, что вам необходимо перемещать диэлектрический микрообъект, двигающийся вдоль паза или прорези. Давайте расположим вдоль паза электроды в указанном порядке и будем подавать на них переменное напряжение. Объект передвинется в новую точку, а вы вновь поменяете полярность напряжения, в результате чего он начнет смещаться дальше и т. д. Используя такие электроды можно легко перемещать устройства (и связанные с ними структуры) в нужные точки, подобно тому как в крупных универсальных магазинах обеспечивают доставку товаров в нужную секцию.

Предложенный метод может оказаться полезным для создания схем на кремниевых чипах, хотя я лично считаю его неудобным. Мое предложение подразумевало, что можно использовать скользящие вдоль поверхности машины для доставки в требуемую точку нужных структур и их монтажу в требуемом порядке, причем процессом сборки можно управлять, например, электрическими сигналами, подаваемыми расположенным под монтажной плитой компьютером. Мне не нравится в этой схеме то обстоятельство, что она не решает основной проблемы существующих технологий, а именно – не позволяет сразу создавать требуемые для схемы контакты. Микромашины лишь обеспечивают доставку элементов схемы, так что для монтажа соединений нам придется вновь прибегнуть к электролитическому осаждению и т. п., то есть вернуться к технологиям послойного напыления.

Еще одна проблема связана с вопросом о том, какой ток (постоянный или переменный) следует использовать в системах управления движением микрообъектов. Еще сложнее выглядит необходимость обеспечить вращательное движение частей или деталей при монтаже. Силы, воздействующие на объект, не должны деформировать его каким-то образом, и мы вновь должны задуматься о малоизвестных нам физических свойствах микроскопических структур. Я думаю, что объекты этого класса будут отличаться жесткостью и хрупкостью.

Упоминание вращения тут же заставляет вспомнить о проблеме вязкости среды в микроскопических объектах, таящей в себе немало неожиданностей. Я лишь напомню слушателям, что воздух в микроотверстиях (диаметром, например, в несколько микрон) вдруг приобретает особую вязкость. Например, никакой силой вы не можете обеспечить быстрое вращение деталей в таких отверстиях, так как потери на трение существенно снижают скорость (миллисекунды вместо микросекунд!).

Мне нравится, что размышления о микроустройствах (независимо от практической ценности самих устройств!) постоянно приводят нас к новым идеям. Мы начинаем говорить о неподвижных микроскопических машинах, задумываемся о возможностях их перемещения или скольжения по поверхности, пытаемся оценить принципы их действия и т. д. Естественно, мы легко приходим к мысли о возможности создания микророботов, способных самостоятельно двигаться в пространстве!

20.6. Подвижные микророботы

Давайте поговорим о свободно передвигающихся машинах! Разумеется, такие объекты можно создавать пока только для развлечения, но разве в этом дело? Это может оказаться просто новой игрой, но вспомните, что никто из великих создателей компьютеров даже не предполагал, что на этой основе когда-нибудь возникнут целые информационные технологии и огромный рынок видеоигр и развлечений! Представьте себе просто, что вы управляете микроскопическим роботом в виде «воина с саблей», попавшего в водную среду, заполненную микроорганизмами типа инфузорий и т. п. Как обычно принято в компьютерных играх, управляемый вами «воин» должен уничтожить эти создания. Разница с видеоигрой формально заключается лишь в том, что «воин» представляет собой микроскопический физический объект.

Разумеется, прежде всего необходимо решить проблему энергообеспечения устройства. На первый взгляд задача кажется сложной, поскольку объект способен передвигаться, но в действительности существует много способов передачи энергии. Например, можно использовать принципы электромагнитной индукции или наложить на среду медленно изменяющиеся электрические и магнитные поля, создающие в объекте внутренние электромагнитные силы. Другой вполне реальный метод состоит в использовании различных химических веществ, вводимых в раствор, когда в среде будут происходить химические реакции, создающиеся источником питания устройства, и т. д. Кроме того, существует достаточно простой метод передачи энергии электромагнитным излучением, когда среда и устройство освещаются светом или излучением любой частоты, способной проникать через воду.

Та же система может одновременно использоваться для управления роботом. Действительно, используя какой-то источник питания (например, индукционный), его можно легко применять в качестве системы управления, то есть применять для передачи соответствующих команд или сигналов о состоянии самого робота. Я говорю не о сложных сетях связи или координации (типа соединения через спутник и т. п.), а об организации простейшего управления на очень небольших расстояниях с очень малыми объектами. Проблема сводится лишь к подаче сигналов и приему ответов на них.

Интересно и поучительно, что настоящие проблемы в создании микроустройств связаны с теми действиями, которые представляются очевидными и забавными. Например, каким образом может вообще передвигаться в воде микроробот? Конечно, мы можем снабдить его, например, микроскопическим вращающимся хвостиком или щупальцами, но стоит вспомнить, что для объекта или существа размером в несколько микрон вода представляет собой (с учетом пропорций тела) чрезвычайно вязкую жидкость. Представьте, что вам приходится плыть в бассейне, заполненном густым медом! Единственным разумным выходом представляется использование изогнутых, S-образных плавников, которые могли бы «ввинчиваться» в вязкую среду и обеспечивать продвижение. Такое движение требует больших усилий, так что следует особо позаботиться об источнике энергии. Кстати, каким механизмом следует воспользоваться при использовании сложных плавников, типа винта?

Существует классический вопрос, который постоянно задают друг другу биологи и физики: почему природа никогда не использует в биологических структурах колесо? Ответ обычно сводится к тому, что колесо представляет собой изолированную структуру, которую организму трудно «обслуживать» (смазывать, снабжать кровью, наращивать и т. п.). Поэтому мы не будем пока вспоминать о колесе, а начнем конструировать наши микророботы из проверенных природой и временем деталей. Вспомним, что бактерии двигаются посредством щупальцев, называемых флагеллами (отростки, имеющие форму штопора), и закрученных ворсинок, позволяющих им перемещаться в вязких средах. Именно флагелла в биологии простейших обладает действительно необычной, отдельной, подвижной (ее можно даже назвать съемной!) деталью. Я говорю о том, что на конце флагеллы обычно располагается некое подобие диска, покрытого белками и ферментами. На этой поверхности могут происходить сложные ферментные реакции с молекулой АТФ (адезинтрифосфорная кислота, обычный источник энергии в биологических структурах), в результате чего диск прокручивается на некоторый угол, позволяя осуществлять вращательные движения отдельными щупальцами или ворсинками. (Фейнман демонстрирует руками молекулярные конформации, приводящие к вращению.) После окончания реакции молекула АТФ отделяется и движение прекращается, но затем к диску присоединяется другая молекула АТФ и т. д., так что вся структура, напоминающая известный в механике храповик, постоянно вращается и заставляет (через трубку) вращаться спиральное щупальце, флагеллу микроорганизма.

Более двадцати лет назад, когда я прочел лекцию, мой друг Ал Хибс, представивший меня аудитории сегодня, первым предложил использовать микроустройства в медицинских целях. Сейчас, когда я заговариваю об этом, мне постоянно отвечают: «Прекрасно! Давайте сделаем устройство размером с клетку и научимся применять его. Если у вас проблемы с печенью – просто проглотите немного клеток печени и постарайтесь выздороветь!» На самом деле в те годы я, естественно, говорил о гораздо более крупных устройствах, а Хибс первым предложил создать микроскопического «хирурга», то есть снабженную инструментами и инструкциями лечебную машину. Ее можно ввести в организм больного и применять для самых различных целей (например, она может просто разыскивать в ваших артериях жировые бляшки и уничтожать их!).

Идея состоит в том, что мы можем научиться вводить в биологические системы управляемые устройства, которые затем по инструкциям или командам будут производить требуемый «ремонт» органов, удаляя или, наоборот, добавляя к ним необходимые структуры. Если сама мысль о создании и использовании микроскопических устройств не кажется вам безумной, то можно сказать, что широкое использование таких автоматических роботов в медицинской практике является лишь вопросом времени. Мне представляется разумной разработка проглатываемых устройств, управляемых по тонким проводам. Многим из нас приходилось в лечебных и диагностических целях заглатывать толстые или тонкие трубочки (например, при обследования желудка и т. д.), а для управления роботами понадобятся лишь очень тонкие провода. Кроме того, провода будут полезны для точной локализации самих роботов.