Умная материя: будут ли предметы вокруг состоять из нанороботов?
Автомобиль, меняющий форму кузова в зависимости от погоды и дорожного покрытия; стул, превращающийся в кресло; скальпель, перестраивающийся в пинцет прямо в теле пациента. Еще с 1980-х французский химик-нобелиат Жан-Мари Лен пропагандировал идеи создания самоорганизующейся материи, сложных супрамолекулярных структур, способных контролируемо, по команде принимать ту или иную форму. Чуть позднее Норман Марголус и Томмазо Тоффоли озвучили концепцию вычислительной машины, состоящей из множества параллельно работающих микрокомпьютеров, которые могли бы взаимодействовать с соседями и моделировать различные физические процессы реального мира. Как только начался бум нанотехнологий, обе идеи быстро нашли друг друга.
В 1993 году Джон Холл, рассуждая о том, как может выглядеть нанотехнологичная версия ремня безопасности, выдвинул концепцию «утилитарного тумана», популяции наноустройств, которая в нужный момент может принимать облик подходящего инструмента. Смартфон, трансформирующийся то в телефонную трубку, то в фотокамеру; лампа, пересобирающаяся в телеэкран. Все это — самоорганизующаяся «умная» материя, песок или даже пыль, состоящая из мириад подвижных, взаимодействующих друг с другом роботов размерами менее микрона.
Рой роботов
Миниатюрные роботы Kilobot разработаны в Гарварде специально для изучения группового поведения. Система позволяет загружать программы и передавать команды сразу целому рою, подзаряжать всю стаю одновременно. 33-миллиметровые аппараты взаимодействуют на дистанции до 7 см.
Стремительное уменьшение электроники, микромеханики и оптики, которое продолжается все последние годы, дает надежду на то, что такие устройства могут быть созданы обычным инженерным подходом «сверху вниз», за счет все большей миниатюризации уже существующих технологий. Появились беспроводная связь, подходящие материалы, способные менять форму, например под действием слабого тока, — теоретически они позволят микро-, а затем и нанороботам гибко реагировать и подстраиваться под условия и друг под друга. Все предпосылки к прорыву сложились еще в начале 2000-х, и профессор Университета Карнеги — Меллона Сет Голдштейн одним из первых стал работать над таким проектом.
Прототипы атомов
«Инъецируемые хирургические инструменты, морфируемые мобильные телефоны — все это только вершина айсберга», — говорит профессор Голдштейн. Концепция, которую его команда совместно с исследовательским центром Intel в Питтсбурге прорабатывает уже больше десяти лет, известна под названием клэйтроника и успела войти даже в арсенал научной фантастики. Это бесчисленное множество крошечных программируемых роботов, «к-атомов», которые способны двигаться и соединяться друг с другом, образуя формы трехмерных объектов.
Теоретически каждое такое устройство в отдельности не должно быть слишком сложным: ему достаточно нести микропроцессор, модуль беспроводной связи, набор датчиков, однопиксельный дисплей, аккумулятор и электромагниты для контролируемого соединения с соседями. Еще в 2005-м были созданы прототипы таких «к-атомов» в виде невысоких цилиндров диаметром 44 мм, по периметру каждого из которых располагалось по 24 магнита. Энергия поступала через поверхность стола, на который роботы опирались контактными ножками. Получая команду, они включали то один, то другой электромагнит, перемещаясь друг относительно друга, соединяясь и разъединяясь.
Позднее Голдштейн и его соавторы с помощью литографии собрали «к-атомы» диаметром уже около миллиметра. Эти крошечные устройства неспособны разве что передвигаться, однако уже несут компоненты для беспроводного получения энергии и для связи. По расчетам разработчиков, чтобы добиться полноценной клэйтроники, осталось уменьшить размеры устройств еще на порядок, до величины около микрометра. Куда более сложной задачей выглядит не физическая, а программная сторона поведения «к-атомов».
Язык стаи
Будь то морфируемый смартфон или скальпель, каждый «к-атом» должен легко и быстро занимать положенное место и выполнять соответствующие функции. Количество возможных степеней свободы в системе, состоящей из миллионов подвижных и активных участников, оказывается очень велико. Для того чтобы просто рассчитать положение каждого наноробота, потребуется колоссальная вычислительная мощность. Поэтому разработчики пытаются распределить решение большинства задач между всеми «к-атомами» так, чтобы они лишь получали общие инструкции, а затем могли просто реагировать на свое локальное окружение. Создаются специальные высокоуровневые языки программирования, отдающие базовые вычисления отдельным узлам, а ученые, биологи и робототехники разных стран ищут оптимальные алгоритмы поведения для роботизированных стай.
Занимается этим и исследователь из лаборатории Sheffield Robotics Андреаджованни Рейна*. На его столе двигается и взаимодействует, переключая разноцветные светодиоды, целая стая микроскопических роботов на питающих их ножках. Работая с этим роем, ученый старается определить законы, которые позволяют простым, не требующим больших затрат действиям и реакциям приводить к возникновению очень сложных форм поведения. Так организованы движение птичьей стаи и насекомых в муравейнике, активность пользователей социальных сетей и нейронов головного мозга. Так же сможет действовать и рой нанокомпьютеров «умной» материи.
Каждый Kilobot стоит $14, но целый рой может обойтись недешево. Поэтому иногда ученые создают их виртуальные модели, исследуя поведение стаи в тысяче устройств.
«Речь идет о смене парадигмы управления, — рассказал нам Андреаджованни. — Сегодня роботы выполняют команды, которые обеспечивают реализацию разных функций в зависимости от данных, поступающих от сенсоров. Агенты программируемой материи должны быть такими крошечными, что не смогут исполнять такой сложный код. Поэтому главным принципом действия стаи должна стать децентрализация, отсутствие единого управляющего и контролирующего модуля. Система работает без команды, на основе самоорганизации, которая происходит в результате локальных взаимодействий и обмена данными. Управляющая команда лишь решает, какие типы частиц и в каком количестве требуются. Затем уже реализуется не управляющий код, а самосборка, приводящая к формированию объекта с нужными свойствами. Пока что мы еще работаем над концепциями этой новой парадигмы».
Снизу вверх
В то время как одни разработчики движутся «сверху вниз», создавая технологии миниатюризации роботов, химики, следуя путем Жан-Мари Лена, идут в обратном направлении, с самого «низа» — от атомов, молекул и молекулярных комплексов. Полученные ими прототипы мало напоминают будущие частицы программируемой материи, однако демонстрируют массу полезных способностей. Коллоидные частицы диаметром около сотни нанометров имитируют работу реактивных двигателей и перемещаются под действием струи газа, образующегося внутри них в ходе химической реакции. Твердые частицы по «команде» перекристаллизовываются, меняя форму. Совершенствуются и технологии управления их поведением — с помощью радиосигналов, слабых токов или магнитных полей.
Рано или поздно обе эти тенденции сольются друг с другом, как это уже случилось ранее с идеями Жан-Мари Лена, Марголуса и Тоффоли. Тогда решения, найденные биологами и информатиками, позволят в полной мере использовать разработки супрамолекулярной химии, а крошечные нанороботы «умной» материи начнут исполнять любую нашу прихоть. Сет Голдштейн уверен, что этот моментса настанет достаточно скоро, и считает, что главные препятствия перед пришествием нанороя — вовсе не технологические и не программные.
Персональный комок «умной» материи, способный превратиться в личный микробеспилотник или смартфон, должен включать миллионы, а то и сотни миллионов наноразмерных «к-атомов». Во сколько обойдется производство каждого такого устройства? Даже если оно будет стоить всего доллар, то приобрести полноценную армаду нанороботов смогут лишь очень богатые люди. Да и при себестоимости в цент они окажутся слишком дороги для настоящего массового использования. Впрочем, оптимисты считают, что те революции, которые уже происходят в информатике, микроэлектронике и химии, сами вскоре приведут к очередной революции в промышленности. И тогда «умный» нанорой сможет позволить себе каждый.