Річард Фейнман - Там, внизу, багато місця, Методолог
Сайт присвячений винахідницьким завданням та методам їх вирішення.
Secondary menu
You are here
Submitted by content manager на ср, 19/01/2011 - 23:10
Я хотів би описати ще одне поле, на якому поки що мало що було зроблено, може бути зроблено дуже багато. Це поле не зовсім таке, про які йдеться сьогодні у фундаментальній фізиці (тобто нічого про елементарні частки). Це швидше ставитиметься до фізики твердого тіла у тому сенсі, що нова сфера діяльності може розповісти нам багато цікавого про дивні явища, що відбуваються у складних ситуаціях. Крім того, у цій галузі може бути величезна кількість технічних програм.
Я хочу поговорити про проблему управління та контролю за тілами у малих масштабах.
Як тільки я згадую про це, люди говорять мені про мініатюризацію, і як далеко вона сьогодні просунулась. Вони говорять мені про електричні двигуни, які мають розмір нігтя на мізинці. Вони кажуть, що на ринку є пристрої, за допомогою яких ви можете записати Біблію на шпильковій головці. Але це лише поверхові підступи до того, що я маю намір обговорити. Це напрочуд маленький світ, який знаходиться там, внизу. У 2000 році, коли люди будуть озиратися назад, вони будуть здивовані, чому до 1960 року не було нікого, що почав би серйозно рухатися в цьому напрямку.
Чудеса біологічних системВражаючі приклади мікроскопічного, надкомпактного запису в біологічних системах. У біології інформація не просто записується, вона обробляється та використовується. Незважаючи на те, що самі біологічні системи (маються на увазі біоклітини) дуже малі, вони можуть здійснювати дуже різноманітні та дуже активні дії:виробляти різні речовини, змінювати власну форму та виконувати інші складні операції. Уявіть собі можливості, які відкриваються у разі виготовлення мікроскопічних об'єктів, які можуть виконувати такі дії!
По суті виробництво таких надмалих об'єктів може бути комерційно цікавим. Наприклад, можна нагадати про деякі проблеми, пов'язані з обчислювальною технікою. Комп'ютери повинні зберігати величезну кількість інформації. Дуже важливо мати можливість «прати» попередню інформацію та записувати на її місце нову, причому завжди шкода знищувати матеріал, на якому здійснюється запис. Однак якщо для запису потрібно лише мізерний обсяг легко відтворюваної речовини, то матеріал можна не економити, а просто викидати після зчитування інформації.
Існуючі обчислювальні машини занадто громіздкі, і мені хочеться обговорити (не вдаючись у деталі практичної реалізації пропонованих ідей) можливість суттєвої зміни їхнього розміру. Якщо, наприклад, діаметр сполучних проводів становитиме від 10 до 100 атомів, то розмір будь-якої схеми не перевищуватиме кількох тисяч ангстрем. Кожен, хто пов'язаний з комп'ютерною технікою, знає про ті можливості, які обіцяє її розвиток та ускладнення. Якщо кількість елементів, що використовуються, зросте в мільйони разів, то можливості комп'ютерів істотно розширяться. Вони навчаться міркувати, аналізувати досвід і розраховувати власні дії, знаходити нові обчислювальні методи тощо. Зростання числа елементів призведе до важливих якісних змін характеристик ЕОМ.
Розглянемо, наприклад, таку проблему. Будь-який з нас легко сприймає зображення або обличчя іншої людини, однак поки не вдалося створити комп'ютер, який був би здатний досить швидкосприймати зображення та розпізнавати на ньому людські обличчя. Зрозуміло, комп'ютери що неспроможні ідентифікувати ці особи (поки здатні лише зіставити два абсолютно однакових зображення). Тим часом людина без будь-яких проблем дізнається знайоме обличчя через багато років, на різних відстанях або при різному освітленні, тобто мікрокомп'ютер, закладений у наш мозок природою, легко справляється із завданням, абсолютно непосильним для найпотужніших сучасних обчислювальних систем. Причина цього в тому, що кількість логічних елементів усередині нашої маленької черепної коробки (її можна розглядати як виконаний з кістки корпус цього мікрокомп'ютера) значно перевищує кількість елементів у найвищих сучасних комп'ютерах, що мають значні розміри. Справа не в тому, що існуючі комп'ютери надто великі, а в тому, що елементи мозку мають мікроскопічні розміри, і це наводить мене на думку про створення субмікроскопічних елементів.
Мініатюризація методами напилення
Звичайно, необхідно подумати про способи створення таких пристроїв. Як можна виготовляти такі надмалі елементи і які виробничі процеси повинні застосовуватися? При думці про використання заданим чином розташованих атомів згадуються можливості застосування тонких напилених шарів з атомів провідників та ізоляторів. Дійсно, вже зараз ми вміємо формувати напиленням необхідні зміни, що містять всі необхідні крихітні елементи електричних схем (котушки, конденсатори, транзистори тощо) в необхідному порядку. Однак хочеться запропонувати, хоча б жартома, і зовсім інші методи. Чому б, наприклад, не виробляти крихітних комп'ютерів тими ж методами, якими ми виробляємо великі? Чому б не навчитися обробляти мікроскопічні об'єктитак само, як обробляються великі вироби, тобто навчитися штампувати або відливати їх, свердлити в них отвори, різати, паяти і т.п.
Давайте всерйоз замислимося над тим, що заважає створити надмалу копію якогось механічного пристрою, наприклад звичайного автомобіля? Насамперед мають виникнути проблеми з точністю обробки деталей. Припустимо, що автомобіль виготовляється з точністю в один десятитисячний метр (при меншій точності поршні будуть, наприклад, застрявати в циліндрах двигуна і робота машини буде порушена). При мікроскопічній обробці слід подбати про розміри атомних порядку. Копія автомобіля, зменшеного в 4000 разів, матиме в довжину близько 1 мм, так що зазначена вище стандартна точність обробки деталей двигуна (одна десятитисячна) повинна в крихітній моделі відповідати розмірам близько 10 атомів (зрозуміло, якщо дещо знизити вимоги до експлуатаційних характеристик цього мікроавтомобіля , можна додатково зменшити його розміри).
Обговорення проблем, пов'язаних зі створенням таких малих механізмів, ставить перед нами низку цікавих фізичних проблем. Зменшення розмірів веде, природно, до відповідного зменшення маси та площ контактів, тому деякі параметри механізмів (наприклад, маса і сили інерції) втрачають своє значення. Інакше кажучи, ми можемо вважати, що міцність використовуваних матеріалів значно зросла. Більше того, механічні напруження і пов'язані з ними деформації (що виникають, наприклад, в деталях, що обертаються) повинні значно зменшитися (вони залишаться незмінними лише в тому випадку, якщо швидкість обертання зросте в стільки ж разів, у скільки зменшаться розміри). У той же час слід пам'ятати і про зернисту структуру металів, через що намікрорівні можуть виникнути серйозні проблеми, зумовлені мікронеоднорідністю матеріалів. Тому, можливо, надмалі механізми слід було б виготовляти з аморфних речовин, що мають високооднорідну структуру (типу пластиків або скла).
Деякі проблеми можуть виникнути і при виготовленні деталей електроустаткування (наприклад, мідних дротів або магнітних пристроїв), оскільки магнітні властивості об'єктів істотно залежать від їх розмірів (це пов'язано з так званою доменною структурою магнітних матеріалів). Тому нам доведеться задуматися про можливості створення та використання магнітів, що складаються не з мільйонів доменів (як прийнято рахувати у фізиці), а з одного єдиного домену. Зрозуміло, схему електроживлення автомобіля не можна просто зменшити у кілька тисяч разів, а слід суттєво змінити. Але я не вважаю, що при цьому можуть виникнути якісь важливі ускладнення.
Набагато важливіші проблеми повинні виникнути при забезпеченні мастила таких надмалих механізмів. Справа в тому, що в'язкість мастил зростає в міру зменшення розміру зазорів (і при відповідному збільшенні швидкості). Якщо не прагнути дуже високих швидкостей і застосовувати замість олії гас або інші рідини, то ситуація може виявитися небезнадійною. Однак я хочу звернути увагу на те, що реально можна обійтися, мабуть, взагалі без мастила! Існує безліч інших можливостей. Наприклад, мікроскопічні підшипники зможуть працювати і в сухому стані, оскільки тепло, що виділяється в таких пристроях, може розсіюватися настільки легко і швидко, що підшипники не будуть нагріватися.
Однак миттєве відведення тепла в мікрооб'ємах не дозволить нагріти до достатньої температури бензин у камері згоряння, внаслідок чого вУ мікроавтомобільниках не можна використовувати звичні двигуни внутрішнього згоряння. Прийде пошукати якісь інші хімічні реакції, що дозволяють отримувати енергію при низьких температурах (можливо, найкращим рішенням стане просто подача електроенергії від зовнішнього джерела).
Сотні крихітних маніпуляторів
Я думаю про створення системи з електричним управлінням, в якій використовуються виготовлені звичайним способом «обслуговуючі роботи» у вигляді зменшених у чотири рази копій «рук» оператора. Такі мікромеханізми зможуть легко виконувати операції у зменшеному масштабі. Я говорю про крихітні роботи, забезпечені серводвигунами і маленькими «руками», які можуть закручувати настільки ж маленькі болти і гайки, свердлити дуже маленькі отвори і т.д. Коротше кажучи, вони зможуть виконувати всі роботи в масштабі 1:4. Для цього, звичайно, спочатку слід виготовити необхідні механізми, інструменти та руки-маніпулятори в одну четверту звичайної величини (насправді ясно, що це означає зменшення всіх поверхонь контакту в 16 разів). На останньому етапі ці пристрої будуть обладнані серводвигунами (зі зменшеною в 16 разів потужністю) та приєднані до звичайної системи електричного керування. Після цього можна буде користуватися зменшеними у 16 разів руками-маніпуляторами! Сфера застосування таких мікророботів, а також мікромашин може бути досить широкою – від хірургічних операцій до транспортування та переробки радіоактивних матеріалів.