Промышленные роботы Ч. 3 учебное пособие

Благодаря этому компьютерная техника трансформируется в единую глобальную информационную сеть огромной производительности, причем каждый человек будет иметь возможность быть терминалом – через непосредственный доступ к головному мозгу и органам чувств.

Средства отображения информации уже пополнились прозрачными и гибкими дисплеями на основе нанотрубок или квантовых точек. Через несколько лет с их помощью можно будет реализовать сворачиваемые электронные газеты, обновляемые непосредственно через беспроводные сети.

Современные транзисторы уже достигли размеров 65 нм, а впереди еще несколько переходов до границы в 11 нм. Но даже после этой «последней» границы, препятствующей дальнейшему уменьшению наноэлектроники, есть путь еще ниже – это квантовые компьютеры и спинтроника.

Гибкие дисплеи и электронные газеты (рис. 105) – это уже не фантастика. Область материаловедения существенно изменится. Появятся так называемые «умные» материалы, способные к мультимедиаобщению с пользователем. Также появятсяматериалысверхпрочные, сверхлегкиеинегорючиенаосновеалмазоида.

Рис. 105. Гибкий дисплей

Для постройки большинства объектов нанороботы будут использовать несколько самых распространенных типов атомов: углерод, водород, кремний, азот, кислород, серу, а другие уже в меньшем количестве. С освоением человечеством других планет проблема сырьевого снабжения будет решена.

141

Таким образом, на основании прогнозов, нанотехнологии обещают радикальное преобразование как современного производства и связанных с ним технологий, так и человеческой жизни в целом. Как сказал Ralph Merkle (Xerox, Palo Alto), «нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией».

Таким образом, в наше время нанотехнологии явились наиболее перспективным направлением развития робототехники. Нанороботы могут войти во все сферы жизни человека примерно через 14–15 лет.

Подробнее рассмотрим некоторые разработки для промышленности и медицины.

7.7. Идеальное нанозеркало

Лазеры типа VCSEL, благодаря эффективности, нашли широкое применение в электронике, а также в лабораторных экспериментах, например, по анализу биологических клеток. Но теперь у ученых появилась возможность сделать такие лазеры еще эффективнее.

Свыше 99,9 % падающего излучения отражает новое зеркало HCG, построенное физиками США. Толщина его составляет всего 0,23 мкм. Специалисты говорят, что новинка способна улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика. Изобретение американцев называется замысловато – «Контрастная решетка с высоким индексом преломления и шагом меньше длины волны».

Ранние версии полупроводниковых лазеров использовали в качестве зеркал кристаллы, которые обеспечивали коэффициент отражения 30 %. Это не слишком много, если учесть, что зеркала в лазере обеспечивают многократный пробег фотонов через рабочую среду, где они вызывают генерацию новых фотонов, вся эта лавина накапливается и, в конечном счете, выходит через одно из зеркал (полупрозрачное) в виде лазерного луча.

Для лазеров типа VCSEL в свое время были разработаны зеркала с отра-

жением от 99 до 99,9 %. VCSEL (vertical-cavity surface-emitting lasers –

поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором) – это высокоэффективная разновидность лазерного диода.

Зеркалами для VCSEL служит пара так называемых распределенных рефлекторов Брэгга. Состоит такое зеркало из десятков чередующихся чрезвычайно тонких слоев полупроводников двух типов: арсенида галлия (GaAs) с индексом преломления 3,6 и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) с индексом преломления 3.

142

Такая комбинация, при условии достаточного числа слоев (порядка 80), и создает зеркало с необычайно высоким коэффициентом отражения. Каждая пара соседних слоев возвращает назад лишь небольшую часть упавшего света, но 80 слоев вместе – уже почти весь.

Однако общая толщина такого зеркала может достигать 5 мкм, что для ряда перспективных применений многовато.

Но главное в том, что высокая точность, необходимая для формирования этих слоев, требует сложного производственного процесса, что отражается и на цене такого зеркала.

Зеркало HCG в 20 раз тоньше рефлектора Брэгга (рис. 106), при этом показывает отражающую способность больше чем 99,9 %, и изготавливать его намного проще и дешевле.

ВHCG работают всего два слоя (рис. 107), один из которых – воздух,

авторой – арсенид алюминия-галлия, но не сплошной, а сформированный в виде решетки с углублениями, разделенными расстоянием, меньшим, чем длина волны падающего света. Свет этот направляется в углубления, а там, сталкиваясь с границей раздела полупроводник – воздух, отбрасывается назад.

Рис. 106. Сравнение зеркала HCG (слева) и распределенного рефлектора Брэгга (справа) (тёмно-серый – полупроводниковаярешетка, светло-серый– воздух)

Рис. 107. Электронная микрофотография зеркала HCG

143

Исследователи отметили, что воздух как компонент с низким индексом преломления могли бы заменить другие материалы, например диоксид кремния с индексом преломления 1,5.

Поскольку лазеры типа VCSEL используются в оптических коммуникациях, оптических мышах и других системах, требующих низкого расхода энергии, высокоэффективные и при этом дешевые и технологичные зеркала HCG смогли бы обеспечить тут если не революцию, то существенный скачок вперед.

Новое зеркало работает в более широком диапазоне частот, чем зеркало Брэгга. А это важно, поскольку оптические технологии все больше используют сине-фиолетовые лазеры. Более короткая длина волны дает возможность применить более высокую плотность упаковки, к примеру, питов (углублений, кодирующих биты) на лазерных дисках.

Исследователи также работают над мобильным зеркалом HCG для микроэлектромеханических систем (MEMS) вроде лазеров с настройкой длины волны. Сокращение размера зеркала лазера означает существенное сокращение веса, что является особенно важным для быстродействующих устройств MEMS.

Авторы нового зеркала также добавляют, что их детище можно напечатать на той или иной поверхности. А это позволит создавать по новой технологии тонкие и легкие органические полимерные дисплеи.

В общем, тонкие полупроводниковые полоски, которые и глазом разглядеть невозможно, в перспективе станут основой для массы новых устройств, извлекающих выгоду из впечатляющего параметра отражения HCG.

7.8. Наноманипуляторы

Нанотехнологии обещают многое: необычайную электронику и прочные сверхлегкие материалы, микрокапсулы, доставляющие лекарства к нужным клеткам, и военные роботы-пылинки. Однако «нанолевши», разрабатывающие эту технику, нуждаются в «нанопинцетах» и «наномолотках».

Машины, которые могут манипулировать крошечными объектами с точностью позиционирования в считанные нанометры, называют наноманипуляторами.

Обычно это весьма сложные механизмы, довольно большие и тяжелые, а главное – очень дорогие (стоимость их десятки тысяч долларов).

Это вызвало необходимость создания более дешевых и маленьких манипуляторов.

144

Уже не первый год конструируются наноманипуляторы, которые отличаются от аналогов несколькими удивительными вещами.

Они сравнительно просты, компактны и дешевы, а изготовить их легко без применения каких-либо супертехнологий.

Один из первых таких манипуляторов под названием HexFlex был собран ученым Мартином Калпеппером почти что из подручных материалов и обошелся всего в 2 тысячи долларов.

Аппарат показал точность позиционирования исследуемой (обрабатываемой) детали по всем осям менее 5 нм (при движении в сотни микрон), чем посрамил многие существующие аппараты ценой в десятки раз выше.

Сейчас же автор этой машинки разрабатывает целую плеяду ее «родственников», отличающихся многими деталями и параметрами, но работающих на одних и тех же принципах.

В основе всех их лежит монолитная металлическая деталь – плоская пластина затейливой формы (форма различается у разных вариантов наноманипуляторов Калпеппера), прочная, но упругая (рис. 108, 109).

Рис. 108. Центральная монолитная деталь наноманипулятора

Важно, что в основе манипулятора именно упругая монолитная деталь. Ведь там, где есть собрание нескольких звеньев, неизбежно появляются люфты и ошибки при работе – такой подход к созданию манипуляторов Калпеппер называет «старой парадигмой».

145

Все вместе эти детали закрепляются на массивном алюминиевом основании, выточенном с высокой точностью.

Воздействуя электромагнитными приводами на определенные точки центральной пластины, изобретатель получает за счет сил упругости и внутреннего напряжения в детали маленькое (словно масштабируемое в десятки раз) перемещение центра этого узла (к которому и крепится «наковальня» для нанозаготовки) по шести степеням свободы. Это, очевидно, линейные перемещения по трем осям и повороты по трем осям (рис. 111).

Рис. 111. Упрощенная схема центральной детали, наглядно показывающая, как нажатие на управляющие элементы (белые стрелки) приводит к смещению центра в любом желаемом направлении

Отдаленно происходящее с этой пластиной напоминает следующее. Представьте спиральную пружинку, поставленную вертикально на столе.

Нажмите на нее сверху, чтобы первый виток опустился на сантиметр. На сколько опустится самый нижний виток?

Конечно, на ноль – он же опирается на стол. А средний виток? Наверное, на полсантиметра. А участок, лежащий на пару миллиметров выше поверхности стола? Он сместится на доли миллиметра. Вот вам и преобразователь ваших грубых движений в «тонкие». Воздействуя на три (или шесть) точки затейливых «звездочек» и «треугольников» со «снежинками» (т.е. на центральные детали манипуляторов) и смещая их на доли миллиметра или даже микроны, инженер получает нанометровые смещения центра этой детали.

147

Разнонаправленное или симметричное подталкивание краев пластины и трех «шайб» с отверстиями, висящими на тонких усиках, в ту или иную сторону производит желаемое воздействие на исследуемую деталь. Подталкивание это обеспечивают электромагнитные соленоидные приводы (рис. 112).

Создавая предварительное напряжение в фигурной детальке, экспериментаторы могут комбинировать высочайшую

ной связью. Это верхняя мощная «крыша» устройства, снабженная шестью емкостными датчиками перемещения, передающими данные в компьютер, управляющий электромагнитным приводом (рис. 113).

Рис. 113. Наноманипулятор в сборе (сверху блок контроля перемещений образца)

Любопытно, что на движение центрального узла машины влияют даже звуки беседы, которые отражаются на экране веселой чехардой цифр.

148

Новые наноманипуляторы, которые ученые проектируют сейчас, будут надежно защищены от внешних возмущений, так что текущие рекорды точности позиционирования и передвижения нанодета-

7.9. Медицинский наноробот общего применения

Новые научные разработки в области медицины в скором времени приведут к тому, что будут побеждены самые опасные и неизлечимые болезни, и не только вирусного и бактериального происхождения, но и генетического.

За счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и «облагораживающих» ткани организма, можно будет достигнуть бессмертия человека, не говоря об оживлении и излечении безнадежно больных и людей, которые были заморожены методами крионики.

Биологи смогут «внедряться» в живой организм на уровне атомов, и поэтому станут возможными и «восстановление» вымерших видов, и создание новых типов живых существ, в том числе биороботов.

Молекулярные ассемблеры– основной инструмент человека для манипуляций внаномире. Любойвирусвопределенномсмыслетакжеявляетсяассемблером.

Разрабатываются наночастицы, которые являются универсальным диагностическим инструментом. Считается, что клетки на ранних стадиях большинства болезней производят перекись водорода. Поскольку до сих пор не было никаких методов для слежения за этим процессом в теле, детали производства перекиси и ее роль в болезни будут уточняться.

Для этих целей послужат синтезированные наночастицы. Они невероятно чувствительны и позволяют обнаружить наномолярные концентрации перекиси водорода. Это особенно важно, потому что медики не уверены, какие же количества перекиси водорода присутствуют в организме при различных болезнях.

149

Основное назначение наночастиц, однако, состоит в том, чтобы использовать их как простой универсальный инструмент для диагностики большинства болезней.

В будущем наночастицы будут вводиться иглой в определенную область тела (например, сердце). Если наночастица столкнется с молекулой перекиси водорода, она будет излучать свет. Если доктор увидит значительное свечение в исследуемой области, то он будет знать, что это ранние признаки болезни.

Наночастицы проникают глубоко в ткани и испускают свет на большой длине волны, что делает их чувствительными индикаторами перекиси водорода, произведенной при любом воспалении.

Так как основная функция наноробота – передвижение по кровеносной системе человека, то он должен иметь мощную навигационную систему. Устройству необходимо иметь несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации, коммуникации и работы с отдельными молекулами.

Также нанороботу необходима мощная транспортная система, доставляющая отдельные атомы и молекулы от хранилищ к наноманипуляторам и обратно. Для работы с пораженными структурами устройство будет оборудовано набором телескопических наноманипуляторов разного применения.

Материал, из которого будет изготовлен наноробот, – алмазоид или сапфироид. Это обеспечит биосовместимость человека и большого количества наномашин.

Также необходимо наличие приемопередаточных устройств, позволяющих нанороботам связываться друг с другом. И наконец, для удержания крупных объектов необходимы телескопические захваты.

На основании выдвинутых требований была построена модель медицинского наноробота общего применения (рис. 115). В идеальном случае это устройство будет способно «ремонтировать» поврежденные клетки, ткани; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды; производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой; уничтожать бактерии, вирусы.

Максимальный размер устройства не должен превышать 1×1×3 микрона (без двигательных жгутиков).

150