Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Нанотехнологии находятся на самой ранней стадии развития, однако обладают огромным потенциалом и обещают стать основой следующей научно-технической революции и дальнейшего прогресса человечества. Например, упомянутая выше возможность быстрого скрининга ДНК в принципе позволяет надеяться на создание «индивидуальной» диагностики, когда медицинское обслуживание пациента будет основываться на анализе его собственного генетического кода. Эта фантастическая возможность может поменять наши представления о роли классической медицины вообще и даже означать «завершение» развития этой науки.

Для достижения намеченных целей человечеству предстоит преодолеть целый ряд существенных препятствий. Прежде всего ученые должны разработать принципиально новые технологии и методологии, которые могут быть названы «творческими» или развивающимися. Создание материалов и устройств, позволяющих непосредственно наблюдать атомно-молекулярные процессы и активно регулировать их, выводит нас на принципиально новый уровень познания и управления биологическими законами. Трудно даже представить те возможности, которые откроются перед учеными после понимания законов функционирования очень сложных систем (типа человеческого организма) и правил, по которым возникают новые закономерности поведения в этих системах. Перед человечеством откроются новые возможности в самых разных областях (от новых методов лечения до создания новых источников энергии), что, возможно, кардинальным образом изменит условия нашего существования.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Институту изучения клеточной миметики для космических исследований при НАСА (Institute for Cell Mimetic Space Exploration, CMISE, a NASA URETI), Национальному институту здоровья (NIH), Национальному научному фонду и Управлению перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (DARPA) за финансовую поддержку.

Раздел IV Конвергенция и интеграция

Глава 18 Конвергенция и интеграция

Майкл К. Роко

Майкл К. Роко является одним из крупнейших специалистов и руководителей нанотехнологических исследований в США, также автором и редактором многих основных книг и учебников в данном направлении. Область собственных научных интересов М. Роко связана с многофазными системами, компьютерным моделированием и нанотехнологиями. В 1991 году он возглавил первую федеральную программу США по исследованиям в области нанотехнологий, которая позднее (при его непосредственном участии) преобразовалась в известную Национальную нанотехнологическую инициативу США (NNI), ставшую примером для многих других стран. М. Роко имеет множество почетных званий и наград. Газеты и журналы часто называют его одним из ведущих организаторов научной революции, связанной с нанотехнологиями.

В настоящее время на наших глазах возникает новая целостная наука, основанная на материальном единстве окружающего нас мира, что становится особенно заметным при изучении вещества на атомно-молекулярном, то есть нанометрическом уровне. Новая наука не только открывает широчайшие перспективы для изучения природы, инноваций и развития технологий, но и обещает нечто большее, а именно – возможность объединения наук и технологий на новой основе. Самые разные области деятельности, казавшиеся ранее далекими и разделенными, с появлением нанотехнологий неожиданно стали «переплетаться», воздействовать друг на друга и проявлять синергизм, то есть совместные характеристики, возникающие лишь при взаимодействии. Нанотехнологии демонстрируют настолько отчетливую тенденцию к слиянию с биологическими и информационными технологиями и подходами, что это уже привело к созданию серьезной научной концепции о конвергенции ряда научных дисциплин. Речь идет в первую очередь о слиянии нанотехнологии, биотехнологии, информационных технологий и наук о познании (получивших общее название когнитивистики). Эта концепция, обычно обозначаемая аббревиатурой NBIC (Nano-Bio-Info-Cogno), в сочетании с новейшими достижениями в области системотехники, математики и вычислительной техники, получила широкое распространение. В принципе эта теория позволяет мечтать о создании новой научно-технической картины мира, основанной на представлениях о сложном единстве материального мира, обусловленном иерархичностью, взаимосвязью и трансформацией его компонент.

Возможно, наука и техника переживают сейчас уникальный момент своего развития, результатом которого станут не только новые процессы и товары, но и принципиальное улучшение всех условий человеческого существования. Слияние технологий может оказаться принципиальным условием новой научной революции. Дело в том, что до сих пор отдельные нанотехнологии выступали лишь дополнением или развитием уже существующих технологий, но слияние в рамках концепции NBIC может привести к фундаментальным одновременным изменениям во всех областях человеческой деятельности, включая работу, обучение, медицину, групповые взаимодействия, общественные структуры и т. д. [130] В жизни человеческого сообщества появятся принципиально новые орудия труда, новые технологии и новые товары. В этой главе авторы попытались описать возможные изменения в сфере науки и образования, а также обсудить некоторые проблемы, связанные с ожидаемыми революционными научно-техническими преобразованиями.

18.1. Рамки научно-технического развития

С большой долей уверенности можно предсказать, что исследования в течение ближайших десятилетий приведут ученых к более общей научной картине мира, в которой разные научные дисциплины будут сливаться, демонстрируя единство свойств и законов окружающей нас природы. Объединение и слияние наук будет означать их синергическое воздействие друг на друга, в первую очередь, в четырех направлениях, которые сейчас переживают период бурного развития: (1) нанонаука и нанотехнология; (2) биотехнология и биомедицина, включая генную инженерию; (3) информационные технологии, включая вычислительную технику и средства связи, и (4) когнитивные науки, связанные с изучением самих процессов познания (включая когнитивистику, теорию нейронных сетей мозга и системные подходы). Синергическое объединение этих наук в нанометрическом масштабе объектов и процессов обещает новые значительные достижения. Процесс слияния и развития наук будет носить сложный характер, так что аббревиатуру NBIC следует рассматривать не как перечисление конкретных наук (nano-, bio-, info- и cogno- ), а как «стенографический» значок для обозначения еще не познанных взаимодействий между этими науками и связанными с ними технологиями.

Предполагаемое слияние наук и технологий может привести к невиданному прогрессу в условиях жизни как отдельных людей, так и общества в целом, но только при условии внимательного и серьезного отношения общества к этическим и социальным проблемам развития нанотехнологий. Эта проблема имеет государственное значение, и правительство США подтверждает это своей активной деятельностью. В качестве основных направлений развития указаны следующие шесть: познание и коммуникации, здоровье и физическое совершенство, групповые и социальные преимущества (включая новые товары и услуги), национальная безопасность, наука и образование, бизнес и общественные организации [131] [132] .

Концепция NBIC должна привести не только к созданию совершенно новых товаров, услуг, материалов и устройств, но и к созданию каких-то еще не имеющих названия типов производств, приемов медицинского обслуживания, транспортных систем и даже принципиальных методик научного исследования. Нам сейчас трудно представить, как будет происходить научное исследование, осуществляемое одновременно всем комплексом средств, выработанных в физике, химии, биологии, математике и информатике. Сочетание возможностей этих наук и технологий может стать важнейшим инструментом познания окружающего нас мира, методом проектирования новых устройств и организации неожиданных форм промышленного производства.

Можно с уверенностью предсказать, что в промышленности все шире будут применяться биологические методы и подходы, на чем основаны некоторые из зарождающихся сейчас новейших производств и научных методик. В качестве известных примеров можно назвать фармацевтическую геномику, так называемую нейроморфную технологию, регенеративные методы в медицине, производство многофункциональных биочипов, синтез молекулярных систем с многоуровневой архитектурой, монтаж трехмерных электронных устройств со сложной иерархией, создание новых видов программного обеспечения для моделирования сложных природных явлений и т. п. Во многих случаях биологические методы и подходы используются при изучении сложных явлений на атомно-молекулярном уровне, создании новых материалов, разработке новых вычислительных методик и решении других сложных задач. Все эти комплексные, междисциплинарные исследования объединяют общие подходы когнитивистики, то есть науки о познании в самом широком смысле этого слова. Очень часто используемые или изучаемые системы являются слишком сложными для непосредственного анализа, и в этих случаях когнитивистика позволяет исследователям находить неожиданные и нестандартные решения на разных этапах решения задачи (проектирование новых изделий, производство товаров и услуг, поиск новых форм организации или обслуживания).

Многие ведущие правительственные организации США, включая Национальный научный фонд, Национальное управление по авиации и космонавтике (NASA), Агентство по защите окружающей среды, Министерство обороны и Министерство энергетики (которое в США традиционно занимается разработкой ядерного оружия), уже приступили к осуществлению некоторых смешанных проектов. Речь идет о междисциплинарных научно-технических разработках, относящихся одновременно к двум или трем элементам предложенной выше аббревиатуры NBIC. Пока объем таких исследовании невелик, но проекты рассчитаны на длительную перспективу. Их тематика включает, например, моделирование нервной системы, общее повышение возможностей человеческого организма (что имеет важное прикладное значение в военных нанотехнологиях), «изучение процессов изучения» и исследование возможных социальных последствий широкого внедрения нанотехнологий. Последний пункт должен относиться, в сущности, ко всем планам и проектам в рассматриваемой области, поскольку многие специалисты уже осознали важность этических и социальных аспектов для любых программ в области нанотехнологий. Некоторые крупные компании разрабатывают собственные проекты, так или иначе связанные с конвергенцией наук и технологий. Понятно, что любое широкое и эффективное внедрение новых товаров и услуг потребует участия и понимания со стороны потребителей и различных групп общественности.

Государство и общество должны быстро выработать систематический, обдуманный и ответственный подход к сложнейшей проблеме конвергенции и интеграции наук и технологий. В данной главе автор попытался дать очень сжатое описание существующей ситуации и указать на некоторые тенденции, опасности и преимущества, создаваемые процессом конвергенции в соответствии с концепцией NBIC.

18.1.1. Возможности

Выработка связного и последовательного подхода к весьма сложной проблеме конвергенции технологий должна основываться на приоритетах развития потенциальных возможностей человечества, повышения производительности и создания принципиально новых товаров и услуг. Необходимость и настоятельная потребность в выработке такого подхода диктуется пятью принципами, сформулированными в докладе Организации Объединенных Наций, посвященном общим проблемам науки (особенно в свете возникновения нанотехнологий) и ее воздействия на развитие человечества [133] и в докладе бывшего директора Международного валютного фонда А. Гринспана [134] .

1. Ускоряющийся научно-технический прогресс обещает дальнейшее развитие человечества на индивидуальном и на коллективном уровне. В настоящее время стали возможны получение и обработка сигналов как от отдельных клеток человеческого организма, так и от его нервной системы в целом. Наука получила возможность замещать или регенерировать отдельные части тел, а также создавать аппараты или другие устройства, способные непосредственно взаимодействовать с тканями человеческого организма и нервной системой.

2. Слияние (конвергенция) наук возникает из единства материального мира при рассмотрении на наноуровне и означает объединение знаний, которое может стать основой не только бурного технологического прогресса, но и развития общечеловеческих ценностей (включая философию, искусство и т. п.). Это требует от нас более глубокого понимания поведения биосистем и процессов преобразований вещества в таких системах. Нанонаука требует от ученых разработки новых инструментов и приборов для измерения, контроля и манипуляций на атомно-молекулярном уровне. Такие системы должны обладать какой-то новой, иерархической архитектурой и описываться новыми математическими и информационными теориями. Большинство древних цивилизаций основывалось на представлениях о всеобщей взаимозависимости, однако ценность таких объединяющих подходов признавалась только философами, так как наука просто не могла сформулировать принципы взаимозависимости процессов. Лишь пятьсот лет назад некоторые гении эпохи Ренессанса вновь смогли заметить «единство природы», однако недостаток знаний привел современную науку к высокой специализации и созданию слабо связанных между собой научных дисциплин. Только сейчас человечество вновь получает возможность объединить различные науки и получить последовательные причинно-следственные связи процессов во всем диапазоне изучаемых явлений, от наномасштабных до макроскопических. Такой подход возвращает нас к идеалу Ренессанса и позволяет развить его.

3. Ускоренное развитие и масштабы изменений ключевых технологий настоятельно диктуют необходимость быстрой выработки нового подхода, особенно с учетом появления множества новых процессов, материалов и продуктов. В четырех основных направлениях, объединенных аббревиатурой NBIC (nano-, bio-, info- и cogno) можно предсказать следующую смену научных парадигм:

• В настоящее время нанотехнологические разработки находятся в переходной стадии от чисто научных исследований к выработке систематического подхода и созданию новых промышленных процессов. Следующим этапом их развития должно стать развитие крупномасштабных коммерческих производств.

• Основными направлениями развития биотехнологий стали молекулярная медицина, наносистемная техника, фармацевтическая геномика и производство биоматериалов. Все эти направления достаточно легко могут быть интегрированы в рамках единого подхода, что может привести к созданию единой технологии с прекрасными перспективами развития и коммерческого производства.

• Информационные технологии сейчас переживают период бурного развития, связанного с миниатюризацией устройств и повышением их быстродействия. Дальнейшее развитие в этом направлении связано с созданием новых архитектур, трехмерным дизайном устройств и повышением их функциональных возможностей, что может быть обеспечено, в первую очередь, использованием биологических систем и подходов, а также так называемой технологии «переработки знаний» (knowledge-based technologies). По понятным причинам особое внимание исследователей сейчас привлекает анализ поведения очень больших и сложных систем с иерархическим внутренним устройством.

• Когнитивные науки по определению нацелены на описание и объяснение работы мозга, сознания и закономерностей человеческого поведения на основе элементарных физических, химических и биологических процессов, происходящих на уровне нейронов, а затем каким-то образом приводящих к целенаправленному, системному поведению. В этом направлении очень интересны исследования по созданию смешанных систем (человек-компьютер) и изучению их эволюции. Кроме того, во многих социальных науках представляют важность работы по изучению общественных структур, описываемых упомянутыми большими и сложными системами с иерархическим внутренним устройством.

4. Процесс конвергенции наук в рамках концепции NBIC является настолько важным и значительным, что любые программы и разработки в этой области должны тщательно контролироваться. Решения и действия должны осуществляться с некоторой долей осторожности (любым действиям должно предшествовать внимательное изучение), осмотрительности, подробного обсуждения (решения должны приниматься на основе логически взвешенных и демократических процедур) и предусмотрительности (исследователи должны постоянно помнить о возможности нежелательных и опасных последствий).

5. Развитие науки и технологии следует рассматривать в качестве основного и главного источника общего прогресса человечества.

Для выполнения задач, сформулированных этим программным документом ООН, необходимо создать инфраструктуру, обеспечивающую развитие всех относящихся к концепции конвергенции NBIC исследований и их приложения к разным отраслям науки и производства. Например, уже сейчас можно перечислить основные задачи, связанные с реализацией концепции NBIC: развитие теории архитектуры и методов синтеза трехмерных наноструктур, а также материалов, устройств и систем на этой основе; направленная сборка атомарных и молекулярных структур; создание темплатов, матриц и шаблонов для синтеза гетерогенных наноструктур; многомерный и многомасштабный дизайн материалов и процессов; новые методы создания интегральных устройств; создание стандартных промежуточных наномасштабных «строительных блоков» и т. д. Особого внимания заслуживают проблемы физической и химической стабильности создаваемых наноструктур, а также обеспечение надежности их работы.

18.1.2. Критерии прогресса

Масштабные изменения, которые ожидают общество в связи с развитием нанотехнологий, настолько значительны, что требуют выработки некоторых новых критериев и социально-экономических показателей. Появление на рынке совершенно новых продуктов, услуг, форм медицинского обслуживания и т. д. делает бессмысленными некоторые старые методы оценки состояния окружающей среды, условий жизни и т. п. Кроме того, существенные изменения в промышленности неминуемо влекут за собой соответствующие трансформации параметров и функций социальной инфраструктуры. Например, развитие нанотехнологий неизбежно должно привести к значительным изменениям системы образования и профессиональной подготовки, что потребует, в свою очередь, изменений в финансировании и т. д. Новые социально-экономические реалии потребуют новых критериев, которые должны вводится на основе более общих и единых принципов оценки (физики называют такой подход целостным, или холистическим), а возможно, даже исходя из научно-технических соображений. Например, в качестве основного параметра социального прогресса можно использовать представление об энтропии социальной системы или ее частей. Этот параметр очень удобен для оценки развития технологий и наиболее наукоемких производств. С физической точки зрения уменьшение энтропии означает повышение и совершенствование используемых методов. Например, в информационных технологиях оно соответствует меньшей диссипации энергии при передаче и обработке сигналов, в нанотехнологиях – оптимизацию использования материальных ресурсов и снижение уровня загрязнения окружающей среды, в биотехнологиях – большую стабильность производимых материалов и т. д. Новые параметры оценки социальной системы должны учитывать те важные изменения, которые развитие нанотехнологий внесет в общественную инфраструктуру, систему образования, производительность оборудования и способность общества создавать новое «знание».

18.2. Обзор состояния и перспектив промышленности

В настоящее время можно уверенно утверждать, что примерно к 2015 году осуществляемые и планируемые научно-технические разработки в области нанотехнологий приведут к весьма серьезным качественным и количественным изменениям в промышленном производстве. При этом произойдут крупномасштабные и структурные изменения во многих традиционных производствах, а также возникнут и разовьются совершенно новые отрасли промышленности, связанные с новыми научно-техническими приложениями. Развитие нанотехнологий будет определяться, по-видимому, следующими основными особенностями:

• К 2015 году уже будут функционировать коммерческие производства и целые заводы, производящие материалы и устройства на основе нанотехнологий, то есть в этих производствах размеры объектов и процессов будут контролироваться с точностью до нанометров (по крайней мере, в одном из измерений). Для традиционной кремниевой электроники это практически означает снижение размеров транзисторов основных типов до 10 нм. Такое уменьшение размеров устройств означает, что их можно будет интегрировать в схемы с биологическими структурами и т. п.

• Использование нанотехнологий в области медицины и биологии позволит в те же сроки разработать новые методы диагностики и лечения многих хронических и тяжелых заболеваний. Предполагается, что к 2015 году будут созданы датчики, позволяющие надежно регистрировать появление в организме злокачественных образований на самой ранней стадии, что позволит значительно повысить эффективность лечения и заметным образом снизить показатели смертности от раковых болезней.

• В соответствии с упомянутой выше концепцией NBIC удет происходить дальнейшая интеграция наук и технологий, что создаст широкие возможности для внедрения нанотехнологий и их слияния с традиционными методами биологии, электроники, медицины и т. п. В медицине и биотехнологии широкое распространение получат разнообразные нанобиосистемы, которые станут основным средством не только исследования состояния организма, но и самого процесса лечения. При разработке новых материалов и приборов исследователи будут уделять основное внимание увеличению сроков эксплуатации и обеспечению их биосовместимости с тканями организма.

• Естественно, в этот период будут получены новые экспериментальные и теоретические данные о свойствах атомно-молекулярных систем, что значительно расширит наши знания о строении вещества на нанометрическом уровне. Возможно, накопление новых знаний позволит даже создать некую новую парадигму учебного процесса, основанную не на теориях из разрозненных научных дисциплин, а на представлениях о природе. Образование, по-видимому, будет характеризоваться дальнейшим сближением процессов обучения с непосредственным научным поиском, что может привести к существенному повышению качества и уровня получаемых знаний.

• Значительно активизируется деятельность различных коммерческих и промышленных организаций, связанных с нанотехнологиями. По мере развития новых технологий, то есть появления новых материалов и устройств, все чаще будет возникать проблема их совместимости с существующими приборами и устройствами, а также объединения новых и традиционных технологий в рамках единых производственных процессов, что, кстати, может создать сложные технические проблемы.

Исходя из общих представлений и закономерностей специалисты предполагают, что развитие нанотехнологий будет происходить через перекрывающиеся стадии, характеризующиеся все большим усложнением и развитием средств контроля над веществами и процессами в наномасштабе. Наиболее вероятным представляется появление четырех «поколений» нанотехнологических материалов и продуктов, перечисляемых ниже. Начало каждого этапа может быть отнесено к появлению первых коммерческих прототипов, производство которых связано с определенным уровнем развития нанотехнологий.

• Первое поколение наноматериалов и устройств фактически уже существует. Коммерческие нанотовары, появившиеся в 2001 году, представляют собой так называемые пассивные структуры, синтезированные для обеспечения заранее заданных макроскопических характеристик или функций создаваемых из них объектов. К этому поколению могут быть отнесены нанопокрытия, дисперсии наночастиц и некоторые объемные материалы (например, наноструктурированные металлы, полимеры и керамические изделия). Значительно сложнее выглядят нанообъекты второго поколения, представляющие собой активные структуры, способные реагировать на внешние воздействия (механические, электронные, магнитные, фотонные, биологические и т. д.) и объединенные с другими микроскопическими устройствами и системами. Такие наноизделия и наноматериалы только недавно стали производиться коммерчески, в некоторых случаях сменяя товары первого поколения. К ним можно отнести новые типы нанотранзисторов, некоторые компоненты усилителей на КМОП-структурах, лекарства и химические препараты остронаправленного действия, некоторые типы приводов, так называемые «искусственные мускулы», адаптивные структуры и т. п.

• Через несколько лет можно ожидать появления коммерческих нанопродуктов следующего, третьего поколения, для которых будет характерно использование трехмерных структур, синтезируемых различными методами, включая биологические методы иерархической самоорганизации, при которой структуры напоминают развивающихся микророботов, обладающих собственным и меняющимся поведением. Технически такой синтез представляет собой очень сложную задачу, включающую не только операции по сборке молекулярных соединений, но и создание иерархических структур по неясным пока принципам. В настоящее время исследования в этом направлении сосредоточены на построении гетерогенных наноструктур и супрамолекулярных систем, в поведении которых можно уловить некоторые принципы эволюционного развития. По-видимому, в число типичных нанообъектов и продуктов этого поколения войдут искусственные «органы» чувств и биологические «ткани» человеческого организма, получаемые, например, направляемой и иерархически организованной самосборкой. В электронике появятся вычислительные и информационные наноустройства, действие которых будет основано на квантовых взаимодействиях или принципах фотоники и спинтроники (вычислительная техника на основе использования спина электронов). Можно также предсказать дальнейшее развитие микротехники, то есть производство (например, на основе самоорганизующихся систем) нанометрических механоэлектрических устройств (НЭМС), а также продуктов и материалов неизвестных сейчас типов, которые неизбежно возникнут в результате интеграции и слияния технологий в рамках концепции NBIC. Некоторые из этих материалов и устройств будут производиться многостадийными технологиями, что подразумевает использование различных методик на разных уровнях иерархического производства.

• Еще через 5—10 лет следует ожидать первого появления продуктов гораздо более развитого, четвертого поколения, которые, скорее всего, будут представлять гетерогенные молекулярные наноструктуры. В устройствах этого типа каждая сложная молекула является специализированной наноструктурой с особым строением и высокой функциональностью. Строго говоря, молекулярные структуры четвертого поколения можно назвать молекулярными устройствами, поскольку в эти молекулы еще при «конструировании» и синтезе будут закладываться сложнейшие функциональные возможности. На этом этапе развития новых технологий речь пойдет уже об атомарно-молекулярной инженерии, основанной на пока неизвестных закономерностях самоорганизации вещества. Изучение и использование этих закономерностей позволит осуществлять почти фантастические технологические проекты: «проектирование» макромолекул с заданными свойствами; создание наноразмерных механических устройств; направленная и многоуровневая самоорганизация атомарных структур с квантово-механическим контролем процессов сборки; создание наноустройств для медицинского контроля или лечения и т. п. Особого внимания заслуживает задача обеспечения непосредственного взаимодействия между человеком и вычислительными устройствами на уровне контакта нервных окончаний с электронными сетями и т. д. Перспективы развития в этих направлениях во многом связаны с тем, насколько успешно и быстро будет происходить почти неизбежная конвергенция наук и технологий.

В заключение автор хотел бы подчеркнуть, что многие краткосрочные прогнозы в описываемой области, конечно, могут показаться излишне оптимистичными, однако в долгосрочной перспективе можно утверждать, что большинство специалистов явно недооценивают нарастающее влияние нанотехнологий на развитие промышленности, медицины, экологии и общественных отношений.

Заключение

Многие древние цивилизации возникли на основе представлений о всеобщей взаимозависимости процессов в окружающем нас мире, что позднее нашло отражение в идеалах эпохи Ренессанса, связанных с единством природы. Развитие науки и технологий вновь приводит нас к созданию единой научно-технической картины мироздания, причем построение причинно-следственных связей в разных масштабах объектов и действий (от нанопроцессов до макроскопических событий) позволяет нам расширить и углубить идеи и представления Ренессанса. На основе слияния разных научных дисциплин и их синергизма может произойти бурное развитие новых технологий, способное привести к революционным преобразованиям в промышленности, экономике, социальном устройстве и т. д. Важность новых технологий и связанная с их развитием смена парадигм науки требуют особого внимания к социальным и этическим проблемам, неизбежно возникающим при их планировании, внедрении и реализации.

Работа финансировалась Национальным советом по науке и технологии и Национальным научным фондом, однако высказанные в ней мнения отражают лишь личную точку автора на рассматриваемые проблемы.

Глава 19 Этические проблемы, связанные с развитием нанотехнологий

Вильям Симс Бейнбридж

Вильям С. Бейнбридж окончил Гарвардский университет и является известным специалистом и автором множества книг и статей, посвященных проблемам развития науки и технологий, а также их связи с социальными и религиозными проблемами. В соавторстве с М. Роко он написал несколько книг о возможном воздействии нанотехнологий на развитие человечества. Является автором и пропагандистом многих идей, относящихся к возможному слиянию различных наук и технологий при дальнейшем развитии нанотехнологий. В. Бейнбридж является активным участником многих программ и научных дискуссий, относящихся к информационным технологиям, взаимодействиям в системах (человек/компьютер), возможностям создания искусственного интеллекта и т. п.

Этические проблемы всегда представляли важность для бизнеса, науки и промышленности, как и для общества в целом. Без установившейся профессиональной этики невозможно сотрудничество между людьми, фирмами, общественными группами, правительственными учреждениями и т. д. Наличие доверительных отношений является насущной необходимостью в самых разных областях, от академических учреждений и общественных организаций до крупных корпораций. Соблюдение норм деловой этики является основой любого серьезного бизнеса, связанного с корпоративными интересами и отношениями на коммерческом рынке, а их нарушение всегда приводит к неприятным и тяжелым последствиям как в бизнесе, так и в общественно-политической деятельности.

Соблюдение нравственных норм необходимо прежде всего для установления нормальных отношений внутри любой организации, так как успешная деятельность научного или делового коллектива требует взаимного уважения и доверия. Значение моральных факторов лишь усиливается в фирмах и организациях, связанных с наукоемкими и инновационными технологиями. Нельзя забывать и о том, что моральная репутация любой организации и ее руководства имеет огромное значение для акционеров или потенциальных инвесторов. Представляется очевидным, что эффективное и разумное осуществление сложных, социально значимых научнотехнических проектов требует от руководства и всего персонала не только технической подготовки и дисциплины, но и развитого чувства социальной ответственности.

Вообще говоря, проведение научных исследований, внедрение их результатов в промышленность и связанная с этим коммерческая деятельность всегда ставили ученых и предпринимателей перед сложными моральными проблемами. Нанотехнологии не составляют исключения в этом отношении, а лишь вносят некоторые дополнительные осложнения при рассмотрении этих проблем. Наиболее распространенными и понятными являются следующие вопросы, неизбежно сопровождающие любую научно-техническую и инновационную деятельность.

• Кто должен нести ответственность, если в результате осуществления проекта будет нанесен вред отдельным людям, обществу или окружающей среде?

• Граница между чистой наукой и технологией при изучении и использовании нанообъектов и нанопроцессов является очень условной. Каким образом в новых условиях следует определять права на интеллектуальную собственность и какие юридические нормы защиты должны при этом использоваться?

• Представляется естественным, что общественность должна быть надлежащим образом информирована относительно последствий внедрения новых технологий, связанных с появлением новых товаров и услуг. Каким образом может и должен соблюдаться баланс между требованием о полноте информации и законным требованием изобретателя на защиту авторских прав, секретов производства и коммерческой тайны?

• Развивая новые технологии и создавая новые товары, следует отдавать предпочтение более дорогим товарам для небольших групп населения или дешевым товарам массового потребления?

В этой главе используются многие источники, однако ее основное содержание взято из двух публикаций, непосредственно относящихся к социальным последствиям развития и коммерциализации нанотехнологий [135] [136] .

19.1. Сущность этических проблем

Для удобства изложения и большего понимания автор хотел бы, прежде всего, дать более четкие определения этического поведения вообще и принципов научного или теоретического подхода к проблемам этики. Такое уточнение представляется необходимым хотя бы в силу того, что лишь очень небольшое число этических понятий может отнесено к общепризнанным и бесспорным. Кроме того, этические представления вообще кажутся расплывчатыми и являются не столько следствием серьезного философского анализа, сколько отражением общедемократических идеалов западного общества. Одной из причин этой неопределенности является то, что этическими проблемами занимаются многие социальные учреждения и специалисты по различным общественным наукам, которые никак не могут выработать единой точки зрения и точных определений в этой сложной области человеческих отношений. Кроме того, этические нормы тесно связаны с идеологией и интересами различных общественных групп, зачастую придерживающихся противоположных точек зрения на обсуждаемые вопросы.

Традиционным источником этических и моральных норм человечества выступали различные религиозные доктрины [137] [138] . Считается, что религии западного мира более терпимо относятся к научно-техническому прогрессу (возможно потому, что в них обычно Бог выступает творцом, создающим мир для людей и ради их будущего блага), вследствие чего такие учения легко допускают мысль о господстве человека над природой. Однако и западные религиозные теории могут содержать явные запреты на некоторые виды научных исследований, что особенно остро проявляется сейчас в спорах о допустимости клонирования человеческих существ, использования эмбрионов и т. п. [139] Проблемам теологического анализа этических представлений, связанных с научно-техническим прогрессом, постоянно уделяет внимание журнал Zygon.

Создатели тех современных обществ, в которых церковь отделена от государства, предполагали, что с развитием цивилизации строгие этические принципы будут базироваться не на религиозных догматах, а на философских выводах, носящих характер научных доктрин. На первый взгляд это кажется вполне разумным, поскольку именно философия формально занимается правильной постановкой вопросов (и поиском ответов на них), касающихся отношения людей к окружающему миру. Философия действительно оказалась одной из важнейших компонент образования и развития в окружающем нас мире (по крайней мере, в демократических и либеральных странах), однако стоит признать, к сожалению, что в умении тонко формулировать сложные вопросы философы преуспели гораздо больше, чем в умении давать на них четкие и определенные ответы. Ценность философского образования для тех людей, которые принимают решения и руководят современной общественной жизнью, состоит лишь в том, что оно помогает им быть более последовательными и логичными, то есть учитывать не только очевидные, но и неявные факторы, связанные с этическими проблемами.

Сложность рассматриваемых проблем остро проявилась в ситуации, возникшей несколько лет назад на Международной конференции по социальным аспектам развития нанотехнологии ( Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology II: Maximizing Human Benefit). Серьезнейшие разногласия участников этой конференции привели к тому, что они вообще не смогли сформулировать общую точку зрения по вопросам этики. Философы пытались ввести в коммюнике общие положения о справедливости, равноправии и качестве жизни, в то время как специалисты в области нанотехнологии выразили сомнение в том, что представители общественных и гуманитарных наук вообще способны анализировать возникшую в науке ситуацию ввиду отсутствия специальных знаний. По мнению ученых и инженеров, современная философия перестала вырабатывать идеи и представления, способные приносить реальную пользу общественности или ученому сообществу, так как суждения и выводы философов почти всегда являются просто политическими декларациями.

Основная проблема этики и философии в отношении научных исследований и их применения заключается в том, можно ли дать какие-то объективные, научные оценки представлений о добре и зле или эти величины по-прежнему остаются всего лишь субъективными представлениями, которые люди всегда будут оценивать лишь на основе собственного опыта или интересов [140] [141] [142] .

Философская проблема определения добра и зла является одной из самых сложных в истории человеческой мысли. Среди множества существующих теорий можно отметить известную теорию немецкого философа Фридриха Ницше, который доказывал, что мораль всегда создается правящими общественными классами для подавления угнетаемых [143] . К сожалению, множество людей в мире ведет себя в соответствии с этой теорией. Более разумная позиция сводится к тому, что моральные нормы устанавливаются в обществе по общему соглашению для повышения социальных связей, эффективности совместных действий и индивидуальных усилий каждого из членов сообщества [144] [145] .

Например, основываясь на существующих в обществе моральных принципах и традиционных политических действиях, правительственные организации могут вырабатывать законы, защищающие права отдельных граждан, обеспечивающие защиты окружающей среды, регулирующие трудовые отношения и т. д. Наличие этических норм позволяет судьям разбирать сложные юридические проблемы, глубоко затрагивающие интересы граждан, и выносить разумные решения в запутанных ситуациях. Любые технические и общественные нововведения, особенно те, роль и значение которых остаются неясными для публики, могут привести к дебатам и ожесточенным спорам как в прессе, так и политических организациях. Кстати, именно в этом заключается опасность для развития нанотехнологий, так как некоторые специалисты и промышленники берут на себя смелость слишком активно пропагандировать достоинства новых технологий и их потенциальные возможности. В настоящее время очень трудно выносить какие-то окончательные решения и оценки относительно добра и зла, связанного с развитием многих новых методов, поэтому следует быть особо осторожными в суждениях и прогнозах. Нельзя забывать, что в современном мире любое этическое суждение быстро приобретает политическую окраску.

Строго говоря, проблемы этики являются предметом непосредственного исследования по меньшей мере двух наук – социологии и антропологии, поскольку именно они занимаются систематизацией и изучением факторов, связанных с развитием этических норм в различных сообществах. Социологи и антропологи в своей работе постоянно сталкиваются с динамикой процессов установления этических правил при социальных и научно-технических изменениях в обществе, однако и в этих науках отсутствуют единые критерии и оценки полезности технического прогресса. Исторически сложилась ситуация, когда специалисты в этих областях науки традиционно «симпатизируют» слабым и социально незащищенным группам населения. Известно, например, что социологи почти всегда с недоверием и предвзятостью оценивают действия правительства и крупных корпораций, которые, в свою очередь, чаще всего выступают инициаторами развития новых технологий. С другой стороны, антропологи и социологи не могут договориться даже друг с другом относительно важнейших теоретических принципов возникновения этических норм. Социологи традиционно полагают, что моральные установления отражают материальные интересы различных общественных групп, в то время как антропологи постоянно подчеркивают культурный релятивизм этических норм, связывая их с огромной разницей в условиях существования.

Практически огромную пользу могло бы принести открытое и серьезное обсуждение возникающих проблем. Было бы наивным полагать, что общественные диспуты приведут нас к согласию по сложным этическим проблемам, однако сам факт обсуждения приблизил бы общество к некоторым соглашениям и общим выводам, которые могут оказаться важными в дальнейшем.

С другой стороны, признание того факта, что другие люди и группы населения имеют право на собственную точку зрения, само по себе является большим шагом к достижению консенсуса. Люди должны осознать наличие культурных ценностей и интересов, отличающихся от их собственных, что может стать основой для переговоров между социальными и национальными группами, ведущих к своеобразным «сделкам», позволяющим сторонам прийти к взаимным уступкам и общим соглашениям. Признание чужих ценностей вовсе не означает отказа от собственных, а лишь создает условия для выработки взаимоприемлемых решений или компромиссных законодательных актов.

19.2. Этика индивидуального поведения

Проблемой возникновения и становления нравственных норм отдельного человека (их можно назвать кодом этического поведения личности) занимаются многие науки, в первую очередь – социология, социальная психология и криминалистика [146] [147] . Эти нормы тесно связаны с конкретными условиями существования, поэтому, например, развитие промышленности привело к разработке высоких моральных и юридических стандартов в области защиты окружающей среды, техники безопасности на производстве, определения авторских прав и т. п. С другой стороны, представляется совершенно очевидным, что самые прекрасные законы и правила морали окажутся бесполезными в обществе или организации, где каждый человек в отдельности будет вести себя эгоистично и незаконно, добиваясь собственных преимуществ за счет нарушения порядка и прав окружающих. Этот фактор должен постоянно учитываться в групповой психологии любой фирмы и организации, включая и те, которые вовлечены в нанотехнологические исследования. Основные правила для руководителя, возглавляющего научный или производственный коллектив, могут быть, в самой общей форме, сведены к трем положениям.

1. Каждый член группы или коллектива не должен надолго терять связи с общим ходом работы, коллегами и социальной жизнью внутри организации. Накопленный в научных лабораториях опыт доказывает, что к нарушению этических норм и правил поведения чаще всего склонны те сотрудники, чьи социальные связи внутри и вне коллектива ослаблены или подавлены.

2. Постоянно следите за тем, чтобы требования или условия работы не становились чрезмерно тяжелыми. Стремление к профессиональному росту и заработку часто играет положительную роль и может служить хорошим стимулом для изобретений и рационализаторских предложений, однако повышение требований к производительности труда или активности должно быть разумным. Ситуации, когда требования к сотрудникам превосходят их реальные возможности, опасны и часто приводят к нервным срывам, неэтичному поведению, обману в отчетности и т. д.

3. Следите за тем, чтобы подгруппы или отдельные подразделения коллектива не становились слишком независимыми и замкнутыми. Очень часто именно в таких автономных группах зарождается так называемая девиантная субкультура, для которой характерны нарушения правил и этических норм. Солидарность и слаженность любой рабочей группы представляют ценность лишь до тех пор, пока эта группа действует в соответствии с законными целями и интересами всей организации. Излишняя солидарность и замкнутость какого-либо подразделения или группы должна вызывать у руководителя чувство озабоченности. Социологи хорошо знают, что такая социальная и психологическая отчужденность от коллектива может привести к так называемому узкогрупповому поведению и мышлению, при котором подразделение в рамках большой организации начинает вести «собственную жизнь», то есть перестает учитывать общие интересы, избегает серьезной критики и вносит разлад в общую жизнь коллектива.

19.3. Некоторые замечания, специфичные для нанотехнологий

Нанотехнологии рассматриваются обычно в качестве следующего этапа развития науки и техники, вследствие чего при их обсуждении речь идет чаще всего о повышения качества, надежности и возможности новых изделий. Однако в данном контексте нельзя не отметить, что некоторые особенности нанотехнологий делают их опасными для здоровья человека и состояния окружающей среды [148] [149] . Опасности связаны с тем, что очень часто химические, электрические и механические свойства наночастиц существенно отличаются от свойств тех веществ в объемном состоянии. Из этого следует, что перед внедрением наноматериалов в массовое производство необходимо прежде всего разработать методики тщательного описания и оценки их характеристик (например, задать допустимые распределения частиц по размерам). Кроме того, должна быть исследована потенциальная опасность возможного применения любых конкретных наноматериалов, как это делается обычно, например, при использовании биоматериалов разного типа.

Разумеется, невозможно подвергнуть интенсивному исследованию все возможные типы наноматериалов, поэтому должна быть разработана новая методика, позволяющая выделять характерные вещества, соответствующие классам возможных материалов. Для оценки опасности применения наноматериалов может использоваться уже существующая схема В. Лютера по управлению рисками [150] , включающая в себя четыре этапа: идентификацию опасности, описание опасности, точная оценка опасности и управление рисками в данной ситуации.

Проблема опасности внедрения любых новых технологий осложняется тем, что их реальные последствия выявляются лишь после завершения всего жизненного цикла производства, то есть после этапов научноисследовательских и конструкторских работ, коммерциализации результатов и длительной эксплуатации продуктов, а также их обслуживания, хранения и утилизации. Очень часто опасности и риски отдельных этапов проявляются со значительным запаздыванием, что снижает достоверность оценки. Например, перед практическим использованием углеродных нанотрубок исследователи в соответствии с обычной процедурой проверки, естественно, изучают здоровье контрольных групп животных, вводя определенные инструкциями дозы препарата и выявляя соответствующие реакции. Серьезные проблемы могут возникнуть, когда такие трубки начнут массово использоваться в разнообразных электронных устройствах, например, при производстве компьютерных чипов, причем не в период эксплуатации (когда такие чипы изолированы внутри вычислительных схем), а позднее, когда они поступят в переработку или просто на свалки. Никто не может предсказать последствий внезапного появления в окружающей среде значительного количества углеродных нанотрубок и их воздействия на здоровье населения и экологию. С другой стороны, какие-то опасности могут проявиться на этапе развертывания широкомасштабного производства таких чипов или их монтажа в готовых устройствах. В качестве примера социальноэкономических проблем можно указать ситуацию с рынком рабочей силы, так как внедрение нанотехнологий в будущем может привести к значительным изменениям в его структуре, хотя сейчас эти разработки очень мало влияют на распределение научных и технических специалистов.

Кроме того, следует учитывать возникновение опасностей и рисков, связанных с ошибочным или преступным использованием новых технологий. Например, читатели наверняка знакомы с множеством проектов использования материалов с регулируемой наноструктурой для создания так называемых водородных аккумуляторов, то есть топливных элементов для хранения водорода. Такие водородные «контейнеры» выглядят совершенно безопасными при нормальных условиях эксплуатации, однако пока никто серьезно не попытался оценить степень риска их широкого применения в городских условиях, особенно при авариях. С другой стороны, следует помнить, что опасность неправильного применения присуща практически всем технологиям и было бы несправедливо требовать, чтобы нанотехнологии в этом отношении оказались более безопасными.

Кроме указанных и довольно понятных осложнений, появление нанотехнологий вновь напомнило о старой этической проблеме, связанной со степенью доступности достижений науки (и особенно медицины) для широких слоев населения. Эта социально-экономическая проблема является классической и выступает в качестве постоянного источника острых политических споров, поскольку социологи и общественные деятели никак не могут прийти к соглашению относительно того, следует ли считать социальное неравенство (и естественным образом связанное с этим неравенство в потреблении товаров и услуг) нарушением этических норм. Проблема является слишком общей, а отношение к ней во многом зависит от конкретных обстоятельств и механизмов возникновения этого неравенства. По мнению автора и авторитетных экономистов, принимавших участие в упомянутой выше Международной конференции по социальным аспектам развития нанотехнологии, в настоящее время можно лишь надеяться на то, что свободные рыночные отношения смогут обеспечить более быстрое и широкое распределение товаров и услуг, возникающих благодаря научнотехническому прогрессу. Разумеется, это не означает, что мы должны забывать о существовании проблемы, поэтому правительства могут и должны принимать специальные законы и предпринимать конкретные действия для более справедливого распределения социальных благ, связанных с развитием науки, особенно в сфере медицинского обслуживания.

19.4. Конвергенция технологий

Обсуждавшиеся выше этические проблемы, связанные с развитием нанотехнологий, приобретают все большую остроту из-за конвергенции наук и технологий, в результате чего новые технологии оказываются тесно связанными друг с другом. В ряде работ процесс слияния, или конвергенции, наук на нанометрическом уровне рассмотрен достаточно подробно и формально определен следующим образом:

...

Под термином «конвергенция технологий» следует понимать процесс объединения или слияния четырех наук и технологий, обозначаемых аббревиатурой NBIC (nano-, bio-, info- и cogno), переживающих в настоящее время период стремительного развития. N означает нанонауку и нанотехнологию, B – биотехнологию и биомедицину (включая генную инженерию), I – информационные технологии (включая новейшие вычислительные и коммуникационные системы) и C – когнитивистику, объединяющую науки о познании, включая теорию нейронных сетей мозга. Характерной особенностью процесса слияния выступает отчетливо выраженный эффект синергизма (взаимодействия, влияния друг на друга и совместного действия) законов и возможностей перечисленных наук и технологий [151] [152] .

Особо стоит отметить, что такая конвергенция технологий не означает образования нескольких междисциплинарных, перекрывающихся наук, сложным образом связанных друг с другом. Речь идет о гораздо большем, а именно – о создании единой науки, объединяющей на новых принципах все теории и методы перечисленных дисциплин. Возможно, такое объединение приведет к гораздо более глубокому пониманию законов природы и возможностей их использования.

С наиболее общей точки зрения можно даже утверждать, что конвергенция технологий предоставляет человечеству уникальный шанс продлить технологический прогресс, которым было отмечено все двадцатое столетие. Дело в том, что воздействие научных открытий на общее состояние человечества постепенно уменьшается. Например, демографы давно отмечают, что бурное развитие медицины не приводит больше к заметному увеличению длительности жизни. Новые методы лечения оказываются недостаточно эффективными, а продолжительность жизни сокращается из-за возникновения новых болезней и ухудшения условий существования. Слияние биологии и медицины предоставляет возможность бороться не только с опасными заболеваниями (типа раковых), но и «отодвинуть» пределы биологического старения человеческого организма. С другой стороны, конвергенция нанотехнологий и информатики открывает перед человечеством возможность продлить действие знаменитого закона Мура, в соответствии с которым мощность вычислительных устройств за каждые полтора года возрастает примерно вдвое. Именно по этому закону развивались вычислительная техника (и связанная с ней гигантская полупроводниковая промышленность!) в течение последних десятилетий. Слияние в рамках концепции NBIC позволяет надеяться на то, что этот закон будет определять технический прогресс в кибернетике еще два десятилетия, в результате чего вычислительная мощность используемых нами компьютеров может возрасти еще в 8000 раз!

Некоторые исследователи считают, однако, что конвергенция нанотехнологий будет иметь иной характер, и в течение ближайших лет мы станем свидетелями появления множества новых изделий и процессов. Например, исследования в области оборонных технологий позволят создать следующее поколение датчиков, способных регистрировать совершенно ничтожные количества химических или биологических веществ в окружающей среде, что приведет к существенному изменению не только военных, но и гражданских отраслей науки и техники. Например, в медицине могут произойти существенные изменения, если врачи получат возможность немедленно и совершенно точно оценивать состояние пациента, идентифицировать присутствие любых инфекционных и патогенных агентов, а затем сразу назначать наиболее оптимальные методы лечения.

Слияние био-, нано– и информационных технологий позволяет (возможно, впервые в истории человечества) практически использовать некоторые особенности и закономерности когнитивных технологий, относящихся к процессам познания. Революционные изменения, связанные с новыми технологиями, возможно, приведут в будущем к серьезным преобразованиям не только в отношении этических представлений (связанных с правами собственности, справедливостью и другими важнейшими представлениями), но и к фундаментальным изменениям в принципах человеческого поведения вообще.

19.5. Практические рекомендации

Рекомендации по проблемам этики, которые можно предложить разным организациям и фирмам, связанным с развитием нанотехнологий, можно свести к следующим общим положениям:

Необходимо постоянно повышать профессиональную этику сотрудников. Ни одна организация, особенно относящаяся к разряду мелких или средних, не может поддерживать высокие этические нормы в одиночку, но фирмы и профессиональные организации должны совместно поддерживать и развивать высокие стандарты деловой этики, особенно в периоды быстрых и важных изменений в социальных и технических условиях окружающего мира.

Старайтесь подчеркнуть важность соблюдения этических норм. Нравственная сторона деловых отношений должна контролироваться на всех уровнях управления и производства, особенно в отношении высшего персонала. Это требование особенно важно для крупных фирм и корпораций, в которых отдельные подразделения слабо связаны друг с другом, в результате чего возникают сложные проблемы связи и передачи ответственности.

Не стесняйтесь привлекать консультантов по проблемам управления. Приглашенные специалисты по этике и менеджменту, конечно, не могут и не должны решать конкретные проблемы текущей деятельности фирмы, однако часто они, пользуясь своим богатым опытом, могут предложить альтернативные решения или неожиданные варианты поведения руководства и персонала. Большую пользу приносят семинары и различные учебные мероприятия, направленные на повышение квалификации управляющих кадров. Безусловно, при организации производства наноизделий и наноматериалов следует провести с управляющим и техническим персоналом беседу об этических проблемах, связанных с выпуском и использованием новых товаров и услуг.

Следует всемерно поддерживать стремление персонала к повышению знаний, то есть постоянно снабжать руководителей производства, технических специалистов и неформальных лидеров трудовых коллективов новейшей информацией относительно производимых материалов и товаров. Работники должны не только осознавать возможности, создаваемые нанотехнологиями, но и иметь представление об общих тенденциях их развития, например, о перспективах слияния технологий в будущем и т. п. Настоящий профессионал всегда видит горизонты развития в своей области, а некомпетентность и слабая информированность могут рассматриваться в качестве отсутствия у специалиста профессиональной этики.

Высказанные в статье мнения отражают лишь позицию автора, а не представляемый Национальный научный фонд США.

Эпилог

Майкл Кригер

(см. биографическую справку к главе 8)

Начало истории нанотехнологий часто связывают с выступлением знаменитого физика, Нобелевского лауреата и профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана на рождественской встрече членов Американского физического общества в конце 1959 года. Выступление гораздо позднее получило широкую известность под названием «Внизу полным-полно места» [153] . Позднее Р. Фейнман вернулся к этой теме в своей малоизвестной лекции «Инфинитезимальные машины» 1983 года [154] . Высказанные в этих выступлениях идеи и стали основой того, что сейчас называется нанотехнологией, однако судьба этих работ оказалась довольно странной. Дело в том, что замыслы и фантазии Р. Фейнмана не только значительно обгоняли научную мысль своего времени, но и высказывались в присущем ему шутливом и провокационном стиле. Фейнман считался и считается блестящим стилистом, автор интереснейших и забавных воспоминаний, в результате чего долгие годы специалисты не причисляли эти работы к серьезным научным трудам, а считали их просто беллетристикой, игрой воображения, которой Р. Фейнман прославился в истории физики. Ценность этих работ была неочевидна даже самому автору, что легко заметить в публикуемом ниже тексте лекции «Инфинитезимальные машины». В 1983 году Р. Фейнман говорил: «Я не вижу практического применения этим маленьким машинам и не очень понимаю, зачем я вообще начал их придумывать…» Очень жаль, что он не дожил до наших дней и не прочитал одну из многочисленных книг по нанотехнологиям (например, именно ту, которую держит в руках читатель), чтобы увидеть, к каким неожиданным практическим результатам привели высказанные им фантастические идеи.

Предваряя публикацию, хотелось бы сделать несколько замечаний по истории самого текста, составленного на основе видеозаписи лекции Фейнмана в известной Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) в калифорнийском городе Пасадена. В принципе, лекцию «Инфинитезимальные машины» можно было поместить и в начале книги, используя в качестве своеобразного введения в нанотехнологию, так как в ней Фейнман комментирует некоторые вопросы, затронутые в речи «Внизу полным-полно места» 1959 года. В отличие от этой ставшей знаменитой речи предлагаемая читателю лекция долгое время оставалась фактически неизвестной и забытой до 1993 года, когда благодаря усилиям и инициативе сотрудников Калтеха и JPL удалось разыскать запись и издать ее в полном виде [155] .

Особой благодарности за сохранение, изучение и обработку текста, а также публикацию лекции заслуживают издатель Вильям Триммер и профессор Стив Сентуриа, стараниями которых удалось воссоздать лекцию, сохранив научную ценность и личное обаяние выступления Р. Фейнмана. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что данная лекция вовсе не является повторением продающейся видеозаписи телевизионной лекции Р. Фейнмана под названием «Крошечные машины» (Tiny Machines), снятой в 1984 году калифорнийской студией Big Sur специально для ненаучной аудитории (художники, артисты и т. д.).

Разумеется, читатель легко уловит связь между предлагаемым текстом и знаменитой речью Фейнмана, однако лекция позволяет нам проследить ход мыслей великого физика и особенности его отношения к тому, что позднее будет названо нанотехнологиями. Кроме того, живая речь автора позволяет, хотя бы частично, передать обаяние личности и стиля Фейнмана, которое всегда завораживало аудиторию.

Очень важно отметить, как менялось отношение автора к вычислительной технике. Стоит вспомнить, что интерес Фейнмана к вычислительной математике относится еще к годам его работы над первой атомной бомбой в рамках знаменитого «Манхеттенского проекта» в годы Второй мировой войны. В те годы вычислительные машины еще не были созданы, и громоздкие математические вычисления осуществлялись огромной командой из людей-вычислителей, вооруженных арифмометрами. Предложенные Фейнманом новые методы параллельных расчетов позволили значительно повысить эффективность и производительность вычислений и ускорить решение важнейших технических задач. В 1959 году, когда была произнесена речь «Внизу полным-полно места», в полупроводниковой технике широко применялись транзисторы, но в вычислительной технике еще использовались вакуумные лампы, запись на магнитных барабанах и т. п. Возможно поэтому Р. Фейнман уделял тогда мало внимания конкретным проблемам развития кибернетики. Однако 1983 год, когда была записана предлагаемая беседа, может быть отнесен уже к совершенно иной «эпохе», для которой характерно появление персональных компьютеров, развитие первых сетей и нарастание «агрессивных» тенденций закона Мура. Неудивительно, что Фейнман в 1983 году уделил гораздо больше внимания проблемам развития вычислительной техники, тем более что время записи «Инфинитезимальных машин» относится к созданию известного годового курса «Физика вычислительных процессов», который Фейнман читал в Калтехе (совместно с Калдером Мидом и Джоном Хопфильдом). Стоит вспомнить, что до этого Мид и Хопфильд пытались организовать этот учебный курс в 1981–1982 гг. (поскольку сам Фейнман лечился от рака), однако результаты были настолько малоутешительными, что рассматривался вопрос о его отмене. Лишь кратковременное возвращение Фейнмана к активной деятельности и его настойчивость позволили сохранить и расширить курс, что подчеркивает контекст записи этой лекции [156] . Помещая текст «Инфинитезимальные машины» в конце книги, я надеюсь привлечь внимание читателей к богатству идей нанотехнологии, а также просто напомнить о ярком и интересном выступлении блестящего физика и популяризатора науки Р. Фейнмана.

В заключение мне хотелось бы особо отметить деятельность составителя данного сборника не только в издании этой книги, но и в развитии нанотехнологий. Линн Форстер долгие годы выступал в качестве организатора конференций, семинаров и исследований по нанотехногии на самом разном уровне. В предлагаемой читателю книге ему удалось собрать квалифицированных авторов, которые на достаточно высоком уровне, но в популярной и доступной форме представляют общую картину исследований в нанотехнологиях. Книга написана легко, и ее с пользой и удовольствием могут прочитать читатели с самым разным уровнем подготовки вплоть до людей, которым просто интересно понять, что скрывается за постоянными упоминаниями о нанотехнологиях и наноустройствах. Мне бы хотелось выразить особую благодарность Линну Форстеру за его деятельность по пропаганде нанотехнологии вообще и сложную работу по сбору материалов для данной книги в частности.

Майкл Кригер Caltech’63 Willenken Wilson Loh & Stris

Глава 20 Инфинитезимальные машины

Ричард Фейнман

Запись беседы с Ричардом Фейнманом 23 февраля 1983 года в Лаборатории реактивного движения (Пасадена, Калифорния). Печатается с разрешения IEEE Log Number 9210135.

Беседа начинается с вводных слов друга и коллеги Р. Фейнмана, известного физика Ала Хибса.

Я с удовольствием предлагаю вам лекцию «Инфинитезимальные машины», прочитанную моим учителем и старым другом Ричардом, который почти не нуждается в представлении. Он получил образование в Массачусетском технологическом институте (МТИ) и Принстоне, где получил ученую степень в 1942 году. Многие из вас наверняка слышали о его чудачествах и особых талантах. В годы Второй мировой войны он работал в Лос-Аламосе, где прославился умением разгадывать коды и шифры замков. Позднее в Корнелльском университете он экспериментировал с вращающимися обручами, а в Калифорнийском технологическом институте стал известен в качестве барабанщика, умеющего отбивать сложные ритмы южноамериканских и тихоокеанских мелодий. В том же Калтехе он занимался также разгадыванием иероглифов древних майя и выступал в качестве художника, специализировавшегося на изображении обнаженных женщин и т. д. Не стоит и напоминать, что он был большим любителем утренних пробежек трусцой.

Ричард с успехом занимался множеством дел, но Нобелевскую премию ему присудили только по физике. Он уверяет, что не помнит точной даты, но полагает, что это произошло примерно в 1965 году. Для любого другого человека такая забывчивость показалась бы кокетством или странностью, но его знакомые склонны доверять этой фразе, поскольку Ричард никогда не страдал излишней скромностью. Раз говорит, что забыл – значит действительно забыл!

Когда Дик Дэвис попросил меня провести беседу, он ничего не сказал о видеокамере и всем остальном, а просто предложил мне представить, что я разговариваю с приятелями. Мне и в голову не приходило, что приятелей будет так много! Мне было бы легче, если бы я мог рассказать вам много интересных вещей, но в действительности, конечно, я смогу поведать не очень многое, даже если буду говорить долго.

20.1. Мысли о лекции «Внизу полным-полно места»

Когда в 1960 году я выступил с речью, озаглавленной «Внизу полным-полно места» и посвященной будущим технологиям изготовления разнообразных миниатюрных объектов, в сущности, я говорил об известных вещах. Дело в том, что множество важных понятий (например, числа, информация или вычислительные процессы) вообще никак не связаны с конкретными размерами чего-либо. Никто не мешает записать число очень маленькой цифрой, составленной, например, из атомов (я упоминаю атом, потому что невозможно представить себе более миниатюрный элемент для записи!). Из этого сразу следовало, что мы можем научиться записывать огромный объем информации в очень малых физических формах, что, кстати, и произошло затем за весьма короткое время.

Меня много раз просили еще раз поговорить обо всем этом и высказать свое мнение о происшедших переменах, поэтому тему беседы можно обозначить очень просто – возвращение к лекции «Внизу полным-полно места».

Как я и говорил в 1960 году, мы вполне можем обозначить цифру или любой знак комбинацией всего из нескольких атомов. В принципе, нам хватило бы для записи даже одного атома, однако давайте представим себе, что мы имеем две пригоршни разных типов атомов, например, золота и серебра. Сейчас каждый школьник знает, что этого достаточно для записи, поскольку мы можем просто обозначать цифру 1 отдельным сгустком атомов золота, а цифру 0 – сгустком атомов серебра. Для наглядности представьте себе, что эти атомы имеют форму маленьких красивых кубиков, вдоль ребра которых можно уложить всего около сотни атомов. Располагая последовательно такие крошечные кубики, мы можем записать любое число или любую информацию в очень малом объеме пространства. Например, можно легко подсчитать, что содержание всех книг во всех библиотеках мира (включая картинки, графики и т. п.), записанное такими кубиками, не будет превышать по объему куб с ребром 1/20 дюйма, то есть пылинку, едва различимую невооруженным глазом.

Если вы предпочтете не объемную, а простую запись на поверхности, то эффект оказывается столь же впечатляющим. При уменьшении размеров в 25 тысяч раз все содержание знаменитой «Британской энциклопедии» может быть изложено на кончике иголки, огромная библиотека Калифорнийского технологического института вполне разместится на библиотечной карточке, а вся мировая литература вообще может быть записана на площади страниц газеты Saturday Evening Post. Я выбрал уменьшение размеров в 25 тысяч раз по той простой причине, что дальнейшая миниатюризация осложняется проблемами с длиной волны света, которую придется использовать при считывании текста. В сущности, это не является принципиальным ограничением, поскольку, в конце концов, вы можете воспользоваться для считывания электронным микроскопом, пучком электронов и т. п.

Поскольку я сказал о возможность записи и считывания с использованием пучка электронов, необходимо подчеркнуть – это является вполне осуществимым практически, и несколько лет мне назад прислали изображение текста, уменьшенное примерно в 30 тысяч раз. Размеры букв на картинке составляют около одной десятой микрона! ( Показывает аудитории изображение)

Кроме того, в речи 1960 года я много говорил относительно создания крошечных механических устройств типа двигателя или автомобиля, хотя и не мог предложить для них разумного практического применения. Достигнутый в этой области прогресс пока незначителен. Одна из моих идей заключалась в том, чтобы создать микроскопический двигатель, последовательно применяя пантографы (уменьшенные «руки», манипуляторы) или другие механические устройства типа тех, которые используются в дистанционных действиях с радиоактивными препаратами. На каждом этапе механической обработки мы будем пользоваться уменьшающимися в несколько раз (например, в четыре раза) манипуляторами, причем каждый из них начинает свою работу с создания следующего, уменьшенного манипулятора и т. д.

Я тут же предложил приз в 1000 долларов за мотор размером в 1/64 дюйма исходя из того, что такой двигатель невозможно изготовить в обычных условиях простой механической или ручной обработкой металла. Впрочем, это утверждение тоже сложно доказать. Я помню, что после окончания речи Дон Глезер (он потом получил Нобелевскую премию, это что-то да значит!) вдруг сказал мне, что такой мотор искусный мастер сможет изготовить вручную, так что следовало бы сразу указать точность 1/200 дюйма. Помню, как я ответил ему, что такое задание показалось бы невозможным и просто убило бы желание соревноваться у потенциальных мастеров. Поразительно, но Глезер оказался прав, и позднее такой мотор был собран вручную!

Конечно, создание таких микроскопических объектов, хотя бы ради забавы, является очень интересной технической задачей. Взгляните на этот крошечный двигатель, размеры которого примерно соответствуют точке обычного типографского шрифта. Понятно, что невооруженным глазом, собственно говоря, разглядывать нечего. К счастью, изготовивший это устройство и подаривший его мне мистер Мак-Леллан, снабдил игрушку очень красивым и удобным крошечным механизмом с увеличительным стеклом, позволяющим рассматривать двигатель с разных сторон (Фейнман передает аудитории мотор Мак-Леллана для рассмотрения).

20.2. Какими возможностями мы обладаем сегодня?

Конечно, мне хочется заглянуть в будущее и оценить прогресс наших возможностей создавать миниатюрные объекты. В той лекции я говорил об очень многом, от крошечных автомобилей до средств записи, компьютеров и информации. Хотя название сегодняшней лекции связано с бесконечно малыми машинами (мне хочется употребить даже старый термин машинерия), но в действительности, говоря об очень малых объектах, мы не можем уходить от проблем вычислительной техники и информации.

На первом слайде я просто демонстрирую некоторые микроскопические объекты, уже запущенные в коммерческое производство. Речь идет о вычислительных чипах размерами около 3 х 4 мм, в которых толщина соединительных проводов составляет несколько микрон (напомню, что микрон составляет одну миллионную часть метра или тысячную часть миллиметра), причем поперечные размеры при их изготовлении регулируются с точностью около трех мирон. Компьютерные чипы начали производить пять лет назад, поэтому сейчас уже существуют коммерческие образцы с точностью изготовления проводов до 0,5 микрона.

Такие чипы изготавливаются, как известно, напылением последовательных слоев через так называемые маски. ( Фейнман объединяет термином «напыление» все процессы изготовления схем в полупроводниковой технике) Затем можно, например, обработать маской (шаблоном) пластину точно направленными световыми лучами, в результате чего материал несколько изменяется и его можно будет дальше обрабатывать различными химическими методами (например, травлением), получая на нем требуемые паттерны, электрические схемы и т. д. Вытравливая и осаждая различные материалы (оксиды, кремний, кремний с диффузными добавками и т. п.) на последовательных этапах обработки, можно получать очень сложные и интересные паттерны или схемы, позволяющие осуществлять сложные операции. Эта техника четверть века назад казалась немыслимо сложной, но сейчас она стала основой крупномасштабных технологических процессов.

Настоящая и серьезная проблема заключается в том, сколь долго мы можем развивать и углублять эти технологии? Чуть позднее я буду говорить о том, насколько миниатюризация необходима и ценна для вычислительной техники, однако стоит вспомнить, что длина световых волн конечна, то есть вся технология литографического изготовления паттернов и масок принципиально не может обеспечивать точность выше длины полуволны используемого источника света. В настоящий момент в лабораторных условиях удается добиться точности около половины микрона, а в коммерческих технологических процессах она составляет примерно один микрон.

Итак, вы представляете себе наши возможности в лабораториях и на производстве, но я хочу предложить еще одну тему для размышлений. Майкл Исааксон из Лаборатории субмикронных исследований связался с одним моих друзей, художником-модернистом по имени Том Ван-Сант (Tom Van Sant). Я лично восхищаюсь его творчеством и считаю его истинным модернистом, то есть человеком, способным не только понимать современную культуру, технологию, науку и даже сущность природы, но и находить новые возможности их отображения и восприятия.

Позвольте показать вам на следующем слайде одну картин Ван-Санта. На первый взгляд, это просто произведение искусства, не правда ли? Зритель видит изображение человеческого глаза, отчетливо различая ресницы, брови и даже зрачок. Таких изображений в истории искусства было создано множество, но фокус состоит в том, что в данном случае вы видите лишь увеличенную копию самого маленького изображения глаза, созданного человечеством вообще! В действительности размеры картины составляют лишь около четверти микрона, то есть 250 миллимикронов, так что размеры зрачка равны 15–20 миллимикрон, а по диаметру центральной точки в зрачке можно уложить лишь около ста атомов! Легко понять, что художник вышел практически к мыслимым границам миниатюризации, так дальнейшее уменьшение деталей изображения потребует от него использования отдельных атомов. Нельзя представить себе никакого дальнейшего развития этой техники.

Я надеюсь, что картина понравилась и хочу поразить вас еще одним его необычным произведением. Поскольку ему нравится экспериментировать с изображением человеческого глаза, на следующем слайде вы вновь видите глаз. Картина очень хороша по колориту и форме, ее можно отнести к настоящим произведениям искусства, но что-то в ней настораживает, не правда ли? Я прошу зрителей, понявших смысл изображения, не выдавать секрета, поскольку я хочу пояснить секрет картины следующими слайдами, на которых детали даны в ином масштабе. Увеличив изображение, мы вдруг начинаем различать детали и штрихи, которые художник использовал для нанесения «морщинок» и особенностей глазницы, а при дальнейшем увеличении (следующий слайд) мы вдруг понимаем, что изображение глаза особым образом «вмонтировано» в общий вид города Лос-Анжелес на снимке, полученном из космоса! Человеческий глаз на картине представляет собой лишь элемент картины, и сейчас я поясню, как художнику удалось получить столь необычное изображение.

Снимок действительно сделан из космоса по системе LANDSAT, а глаз в углу картины предварительно создал на земле сам художник довольно необычным трюком. Дело в том, что Ван-Сант построил в пустыне рядом с Лос-Анжелесом устройство, моделирующее глаз, как бы имеющий в диаметре около 2,5 километров. Эту совершенно нетривиальную задачу художник решил весьма оригинальным методом. Он специальным образом расположил на очень большой территории набор из 24 зеркал с длиной стороны всего около 2 футов (~60 сантиметров), рассчитав их положение и ориентацию таким образом, чтобы отраженный ими солнечный свет попадал именно в ту точку, где должен находиться спутник LANDSAT, пролетая в очередной раз над городом Лос-Анжелес. Сигналы от зеркал попадают в объектив спутника, накапливаются при последовательных пролетах над городом, обрабатываются запоминающим устройством спутника и, в конечном итоге, создают со временем вполне устойчивые точки или элементы изображения (специалисты по связи называют их пикселями), складывающиеся в картину огромного человеческого глаза на краю города. Именно эту картину я и показал на первом слайде. Вот что я называю настоящим модернистским искусством! Выше я говорил о самом крошечном изображении, а описанное изображение можно считать самым большим произведением искусства, когда-либо созданным человеком. Изучив более внимательно исходную картину, можно заметить небольшое искажение, связанное с отсутствием одной точки на изображении. Когда художник с друзьями стал проверять свою установку, то оказалось, что одно из зеркал действительно сброшено с опоры и на нем легко различимы следы лапок диких кроликов, расплодившихся в окрестностях города. Кролик сумел уничтожить одно из зеркал и лишить Ван-Санта одного из пикселей на изображении.

А теперь давайте сравним обе картины и попробуем провести для них некоторые количественные оценки. Достижение Ван-Санта заключается в том, что он дает нам два изображения человеческого глаза, одно из которых в 100 000 раз меньше, а второе – в 100 000 раз больше нормального, и это неожиданным и странным образом позволяет нам оценить огромную разницу в масштабах изображения. Мы вдруг увидели один и тот же объект одновременно в двух ракурсах: размером в пылинку и в виде структуры, растянувшейся в 2,5 километра по калифорнийской пустыне. Само ощущение такого изменения масштабов является восхитительным, но меня интересует не художественное восприятие, а именно изменение масштабов, причем не столько в сторону уменьшения, сколько в сторону увеличения. Как будет выглядеть глаз, увеличенный еще в 100 000 раз, когда его размеры сравнятся с кольцами Сатурна, а сама планета будет соответствовать зрачку?

Я использовал эти картины, чтобы дать возможность ощутить проблемы, связанные с изменением масштабов, продемонстрировать существующие возможности миниатюризации и оценить прогресс, достигнутый в этой области со времени лекции 1960 года. Чуть позднее я поделюсь мыслями об очень важном вопросе дальнейшего уменьшения размеров вычислительных устройств, а сейчас мне хочется рассказать еще кое-что о миниатюрных машинах и устройствах.

20.3. Как можно изготавливать крошечные машины?

Под термином «машина» я понимаю любое составленное из подвижных частей и деталей (типа колес и других механических деталей) устройство, поведением которого мы можем управлять. В качестве общего термина тут подошло бы несколько устаревшее понятие «машинерия», в котором особо важным для определения является наличие подвижных частей или деталей, представляющих собой четко различимые объекты. Я должен сразу признаться, что относящиеся к миниатюрным машинам мысли и предсказания лекции «Внизу полным-полно места» 1960 года оказались в основном ошибочными. Точнее говоря, мои предсказания о быстром развитии разнообразных механических микроустройств просто не сбылись. Единственным полноценным образцом такого микродвигателя можно считать мотор Мак-Леллана, который я только что вам продемонстрировал.

Возможно, неудача моих предсказаний связана и с тем, что мы так и нашли никакого практического применения для этих маленьких машин, и я сам не понимаю, почему меня так заинтересовала проблема сборки микроскопических механических устройств. Я поделюсь с вами своими мыслями и идеями на этот счет, но повторяю – это только игра, и я сам не понимаю своей увлеченности этими игрушками. Я много раз тщетно пытался найти для них какое-нибудь разумное практическое применение, но пока мне это не удалось. Я понимаю свои неудачи, а вы можете шутить по поводу предложений, которые я сейчас выскажу. Договорились?

Прежде всего, давайте задумаемся о том, как мы можем изготовить такие машины? Повторю, что я говорю об очень маленьких, крошечных машинах и устройствах, размеры которых не превышают десяти микрон (одной сотой миллиметра), что в сорок раз меньше того двигателя, который я показывал. Такие машины практически невидимы при рассмотрении невооруженным глазом. Вы почти наверняка удивитесь, но я начну с утверждения, что современная техника позволяет легко (я повторяю, легко!) изготавливать такие устройства. Напомню, что в каждом измерении такой мотор будет меньше двигателя Мак-Леллана в сорок раз, то есть по объему он будет меньше в 64 000 раз! Я уверен, что, используя современную полупроводниковую технику, можно серийно производить такие двигатели, и я сейчас предложу вполне разумную технологию такого производства.

Дело в том, что, применяя обычную технику последовательного напыления слоев кристаллических структур, можно дополнительно вводить слои или участки из веществ, которые могут быть в дальнейшем удалены из структуры (например, химическим растворением или травлением). Такие «вставки» лишь незначительно увеличат размеры изделий, но, комбинируя их в нужном порядке, можно образовать практически любую механическую конструкцию. От технологов требуется лишь научиться напылять участки требуемой формы и размеров из таких материалов, которые позднее могут быть удалены растворением, выпариваем, испарением и т. п. Вспомните, что классическая техника отливки заключается в изготовлении образцов из разнообразных материалов (типа воска), которые позднее растапливаются и вытекают из формы под воздействием жидкого металла. Ничто не мешает нам использовать такой метод и такие материалы для изготовления миниатюрных устройств, а материалы можно по-прежнему условно называть «мягким воском». В процессе напыления вы лепите из этого «воска» структуры требуемой формы, вводите между ними необходимые детали из кремния или двуокиси кремния и т. п., а затем вытапливаете «воск» удобным способом и получаете запланированную микроскопическую структуру. Я уверен, что, комбинируя такие процессы, уже сейчас вполне можно изготовить двигатель, линейные размеры которого будут в 40 раз меньше, чем у двигателя Мак-Леллана.

Вы помните, что я закончил лекцию «Внизу полным-полно места» обещанием приза в 1000 долларов тому, кто первый изготовит работающий электродвигатель с внешним управлением, объем которого не превышает 1/64 кубического дюйма. По тем временам сумма приза была довольно внушительной, но я был холостяком и не очень беспокоился о расходах. Помню, что когда позднее перед вступлением в брак я объяснял невесте свое невеселое финансовое положение, она удивилась и сказала, что не рассчитывала на многое, но и не представляла таких сложностей. Уже после свадебного путешествия я вдруг вспомнил, что обещал еще тысячу долларов за крошечный моторчик. Боюсь, что жена надолго потеряла доверие к моим способностям управлять семейным бюджетом вообще, выслушав в робкие объяснения по этому поводу.

Сейчас, когда я вынужден заботиться о семье и думать о том, как заплатить за уроки верховой езды для дочки и обучение сына в колледже, я не могу, при всем желании, обещать такие призы за достижения в создании микроскопических изделий. К счастью, мистер Мак-Леллан сказал, что изготовил двигатель не ради приза, а всего лишь из желания принять вызов и решить интересную техническую головоломку.

Изготовив конструкцию с двигающимися частями, можно заставить их перемещаться под воздействием электростатических сил. Внешнее управление может осуществляться по микропроводам (формирование которых, кстати, давно освоено производителями полупроводниковой техники), которые могут быть присоединены к компьютеру для полной автоматизации и точности управления. Таким образом, практически мы можем уже сейчас заняться изготовлением микроскопических роторов, двигателей и других электромеханических устройств.

20.4. Какое применение могут иметь эти малые машины?

Я уже говорил, что не представляю толком, каким образом эти крошечные машины могут применяться на практике. Я много думал на эту тему и хочу предложить некоторые разумные (или хотя бы частично разумные) ответы, а вы попробуйте оценить их здраво. Предположим, человек находится в замкнутом помещении и может открывать или закрывать окошко, пользуясь, например, какой-то рукояткой. Физики прекрасно знают эти устройства и называют их оптическим затвором или светоклапанным устройством. Размещая такие крошечные затворы по всему помещению, можно легко сконструировать масштабное устройство, которое создает светом требуемые картины или изображения. Снабдив систему блоком быстрого электронного управления процессов переключения изображений, мы фактически можем создавать телевизионное изображение по всему помещению. Я вовсе не настаиваю, что предлагаемая мною система телевидения имеет ценность, а лишь вношу предложение. Кстати, я лично вижу мало толку в расширении возможностей телевидения вообще, потому что обычно его роль сводится к рекламе какой-то ерунды, например, туалетной бумаги.

Более серьезным мне кажется возможность использования микроскопических устройств для непрерывной и автоматической очистки поверхностей, что в некоторых случаях может иметь важное техническое значение.

Возможно, кому-то покажется привлекательной идея снабдить такие устройства острыми режущими инструментами (типа сверл) для обработки поверхности, но мне она представляется неразумной по целому ряду причин. Прежде всего, можно вспомнить, что вещество на очень малых масштабах может обладать удивительной прочностью, так что любое микроскопическое режущее устройство окажется бесполезным и грубым. Атомарные силы могут оказаться столь сильными, что режущее устройство придется постоянно затачивать. Кроме того, в процессе любого «бурения» на атомарном уровне пропадают преимущества индивидуального характера использования описываемых машин (я хочу сказать, что множество микроскопических сверл всегда разумнее заменить одним сверлом крупного размера). В целом следует признать, что в качестве инструментов такие машинки имеют мало перспектив, особенно для обработки твердых поверхностей. Наиболее интересным в применении микроустройств (если, разумеется, мы придумаем им какое-то применение) выступает возможность их дифференцированного использования в различных условиях.

Одна из абстрактных возможностей, реализации которой я тоже пока не вижу, состоит в том, чтобы микромашины проверяли качество электронных соединений в компьютерных сетях. Было бы просто замечательно, если бы будут заранее «запускать» микророботов в те участки чипов, где они могли бы сами создавать нужные контакты и соединения. Возможно, для удобства нам следовало бы проектировать внутри схем какую-то систему передвижения (шестеренки или зубчатые передачи) для таких роботов?

А что если мы начнем применять их в процессах создания полупроводниковых устройств и чипов? Разумеется, вы можете законно возразить, что мы уже имеем множество технологических приемов для изготовления чипов (выше я говорил о методах напыления слоев) и поэтому не нуждаемся в новых способах, но я предлагаю задуматься о следующем. Нельзя ли использовать микророботов для механического создания тех самых масок или шаблонов, которые столь широко применяются в полупроводниковой технике? Подумайте, сколь удобными они могут оказаться в регулировании процессов напыления слоев в кремниевых структурах. Используя такие механически собранные шаблоны, мы могли бы очень легко «испарять», то есть удалять атомы с требуемых мест или, наоборот, «вставлять» их в нужные участки структуры. Процессами наслоения можно было бы управлять не химически, а электронными командами по заданной программе.

Я могу напомнить, что в существующих технологиях изготовления полупроводниковых устройств постоянной проблемой является создание так называемых масок (трафаретов или шаблонов), которые необходимо тщательно (очень тщательно!) проектировать. В процессе создания многослойных кремниевых структур формирование каждого слоя требует обработки светом, травления, дальнейшего напыления и множества корректирующих операций. Всем этим можно было бы пренебречь, но при большом числе слоев (например, около нескольких сот) начинают накапливаться ошибки и техническая проблема становится весьма сложной и утомительной.

Неужели эти операции нельзя упростить и убыстрить? Представьте, что у вас есть возможность создавать маски без использования источников света и связанных с этим ограничений. Пусть микроскопические машины сами по заданной программе открывают и закрывают участки схемы, предназначенные для напыления или травления. Разумеется, легко сообразить, что важнейшим недостатком такой машины станет скопление «отходов» на выходе, снижающих чистоту процессов напыления, однако ничто не мешает нам создать сложную трехмерную структуру с трубками, контейнерами и клапанами (все это должно иметь, разумеется, крошечные размеры!), способными обеспечить подачу или удаление требуемых веществ. Такой агрегат, с автоматической регулировкой расхода веществ, сможет двигаться вдоль поверхности кристалла, заливая ее микроскопическими «струями» материалов и создавая заданную программой трехмерную электронную схему. Наращивая последовательно слои структуры, мы можем получать любые трехмерные полупроводниковые устройства и приборы.

Я напомню, что почти все современные кремниевые структуры являются плоскими, то есть двухмерными. Они содержат обычно всего несколько слоев, но даже это создает большие сложности при монтаже. Каждый электронщик знает о так называемом эмпирическом законе Рента, в соответствии с которым число соединений и проводов возрастает по степенному закону (с показателем около 2,5) с числом элементов, входящих в состав устройства. Современная техника позволяет размещать огромное количество устройств и элементов даже на крошечных поверхностях кремниевых чипов, однако плотность монтажа (число необходимых соединений) нарастает столь стремительно, что превращается в серьезнейшую техническую проблему. В шутку можно сказать, что скоро мы будем создавать на чипах одни соединительные сети, так что не останется места для самих транзисторов и других устройств.

С проблемой размещения и соединения нескольких электрических цепей на одной плоскости постоянно сталкиваются электронщики и инженеры, которым приходится в каждом отдельном случае решать сложнейшие задачи монтажа. Переход к трехмерным структурам сразу позволяет избавиться от проблемы соединения элементов, так как провода могут располагаться в пространстве между слоями (как я говорил, внизу полным-полно места!). Я совершенно уверен, что полупроводниковая техника уже в ближайшие годы перейдет к трехмерному монтажу. Кстати, для этого необязательно применять именно предлагаемые мною фантастические и сумасшедшие микромашины, поскольку наверняка можно придумать и другие технологические приемы, позволяющие создавать многослойные (сотни или тысячи слоев!) полупроводниковые структуры.

Таким образом, у нас возникает реальная потребность и возможность создавать микроскопические машины с трубками и клапанами, работающие в очень малых масштабах. Разумеется, мы приступим к их производству лишь после того, как убедимся в их практической ценности, но потом мы сможем использовать их и для других целей, включая изготовление других машин.

До сих пор я говорил лишь о машинах, внутри которых есть движущиеся части или детали (сверла, клапаны и т. п.), которые могут работать по заданной программе в требуемых местах схемы, однако ничто, в принципе, не мешает задуматься о возможности создания подвижных микроустройств. Например, они могут двигаться вдоль поверхности, вдоль заранее созданных щелей и закрепляться в заданных точках посредством шарниров, стержней и т. п. Вполне можно придумать Т-образные щели или пазы, позволяющие машинам при необходимости скользить над поверхностью или приподниматься над нужными участками. Возможно, проблему движения удастся легко решить за счет использования «колес» или простого скольжения.

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.

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.