Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

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.

Вообще говоря, применение проводов в этой методике играет побочную роль, и мы можем даже прекрасно обойтись без них, управляя движением устройств различными внешними источниками (магнитными полями, индукцией и т. п.). Я говорю не о создании особо мелких устройств типа упоминавшихся выше моторов, а об аппаратах вполне разумных и представимых размеров. Почему нам не начать с производства приборов, имеющих размеры около сантиметра или меньше? В таких делах важно начало, а дальнейшее уменьшение размеров изделий будет происходить само собой. Предположим, мы запускаем в организм микроскопического «хирургического» робота и следим за его перемещением при помощи, например, рентгеновской или ЯМР-установки. В требуемый момент мы подаем команду, и робот по сигналу начинает операцию. В любом случае, мы контролируем его положение и поведение.

Мне нравится идея Хибса о «проглатываемом хирурге», однако по-настоящему она получит развитие лишь тогда, когда мы научимся изготавливать очень маленькие устройства, которые могут стать промежуточным этапом на пути создания самых крошечных машин, которые я в названии этой беседы назвал «инфинитезимальными», то сеть бесконечно малыми.

20.7. Изготовление точных изделий грубыми инструментами

При любом разговоре о малых и сверхмалых машинах или устройствах неизбежно возникает проблема точности их изготовления. Стремление к миниатюризации очень быстро сталкивается с границами точности механической обработки деталей. Именно точность обработки (класс точности, как говорят инженеры) определяет реальную ценность устройства. Бессмысленно создавать изделия просто меньшего размера из деталей с низким классом точности обработки поверхностей, так как «шатающиеся» подшипники и неточно подогнанные болты не позволят производить высококачественные детали.

Вопрос о точности заставляет нас задуматься об очень сложных проблемах. Например, в этой связи уместно напомнить, что вся история человечества связана с прогрессом в точности обработки предметов и изделий. Когда первобытные люди впервые начали применять орудия труда и охоты, в их распоряжении были лишь палки и камни, но уже тогда наши предки инстинктивно старались подбирать прямые и длинные палки или более округлые камни, которыми было удобнее пользоваться. Никакой точности обработки не существовало и в помине! Всю дальнейшую историю люди старались сделать свои инструменты совершенными и эффективными, благодаря чему мы сейчас живем среди множества высокоточных, ценных и полезных предметов.

С чего следует начать развитие сверхмалых машин? Каким образом мы обеспечиваем точность изготовляемых изделий? Любой слесарь и механик прекрасно понимает это, но лишь до тех пор, пока речь идет о крупных изделиях. Наши первобытные предки начинали обработку с того, что били камни друг об друга, стараясь придать им более правильную и удобную форму. Отмечу, что, расколов камень на две части, вы получаете куски, которые хотя бы примерно подходят друг к другу, то есть их впадины и выпуклости имеют какие-то соответствия. Попробовав достаточно долго «тереть» куски камня друг об друга, каждый может получить почти ровные, очень гладкие, притертые поверхности. Когда я был мальчишкой, мы с друзьями в Бостоне любили полировать кусочки мягкого песчаника, и у нас это неплохо получалось. Студентом МТИ я забавлялся притиркой снежков из разных видов снега (твердого спрессованного снега и пушистого, свежевыпавшего), и мне удавалось создавать шары с очень аккуратной сферической поверхностью.

В качестве еще одного наглядного примера повышения точности при «притирке» можно привести пару болта и гайки одного размера. Попробуйте многократно вкрутить болт в гайку и выкрутить его, и вы убедитесь, что скоро он будет очень легко и точно входить во все прорези. Это метод достижения точности не кажется мне подходящим для очень малых изделий хотя бы потому, что любая притирка требуем много механических усилий, не говоря уже о том, что ее эффективность на требуемом нам микроскопическом уровне весьма сомнительна.

Существует еще один известный метод точной механической обработки изделий, основанный на так называемом электростатическом пушпульном механизме (что означает движение взад-вперед вдоль одной оси). Метод сводится к тому, что при повторяющемся движении обрабатываемых деталей относительно друг друга, вы можете регулировать напряжение таким образом, чтобы неоднородности при трении взаимно «гасились». Впрочем, должен признаться, что этот метод точной подгонки также не представляется мне эффективным для решения проблемы точности на микроуровне.

С другой стороны, стоит задуматься над тем, что проблемы точности в малых масштабах могут трансформироваться и принимать более приемлемые формы. Подумайте, например, над тем, что если обрабатываемые изделия содержат всего около сотни атомов, а вам необходима точность в 0,5 %, то задача сводится лишь к удалению или добавлению всего нескольких атомов, после чего изделия могут стать почти одинаковыми. На атомарном уровне точности числа атомов в объектах могут различаться на один атом, то есть сверхмалые изделия при этом в некотором смысле должны быть совершенно одинаковыми.

Мне представляется, что в качестве метода изготовления микроскопических объектов может эффективно использоваться классическое «литье» деталей или целых изделий. В сущности, кроме каких-то специфических атомарных ограничений, ничто не мешает нам изготавливать формы и отливать микроскопические объекты по точно заданному образцу. Более того, мы уже частично занимаемся таким производством, поскольку все чаще в технических процессах используются так называемые реплики. В разных производствах их называют образцами, шаблонами, отпечатками и т. д., но это не меняет сути, поскольку речь идет именно о создании копий (чаще всего по биологическим образцам) в виде кремниевых или ацетатных «отливок». Строго говоря, получаемые на электронном микроскопе изображения являются вовсе не «изображениями» реальных объектов, а их репликами, или «отливками», полученными иных средах и материалах. Этот процесс может быть фактически развит для всех масштабов исследования и производства.

Исторически создалась ситуация, когда ученые постоянно оглядываются на биологию, рассматривая природу в качестве образца для подражания. Это отношение сложилось так давно и является столь утвердившимся, что его не могут поколебать даже явные недочеты эволюции (природа действительно не смогла создать колеса!). Очень многие наши успехи связаны именно с отказом от природных аналогов, например, самолеты оказались эффективнее и перспективнее всех вариантов летательных аппаратов типа махолетов, подражающих полету птиц. Я хочу сказать, что биология выступает учителем науки, но она вовсе не является идеалом, и мы вполне можем придумывать методы, не существующие в биологии. Например, если требуется изготовить особо гладкую деталь из твердого материала, мы можем применить заполненные особыми молекулами жидкие «мешочки», способные изменять форму под воздействием электрического поля (в какой-то степени они напоминают хорошо известные в биологии структуры, именуемые «сумками»). Регулируя вязкость этих мешочков в разных местах, мы можем по-новому организовать процесс обработки поверхностей, а именно – организовать его так, чтобы шлифующие частицы «затвердевали» или «размягчались» (под воздействием электрического поля) именно в требуемых участках обрабатываемых деталей.

20.8. Трение и прилипание

Давайте попробуем определить характерные особенности интересующих нас сверхмалых устройств. Прежде всего бросается в глаза, что их малые размеры и ничтожный вес позволяют развернуть производство в огромных количествах экземпляров. Стоимость материала в таких процессах становится совершенно несущественной, так что фактическая цена изделия зависит лишь от расходов на производство деталей и их сборку.