или последняя технократическая утопия.
Пожалуй, только в последнее десятилетие мы ясно поняли, что нынешнее якобы бесконечное, неостановимое индустриально-техническое развитие имеет свой закономерный и уже очень близкий конец: экологическую катастрофу. Вариантов выбора, рецептов спасения предложено немало. Об одном из самых радикальных и масштабных, претендующих на то, чтобы удовлетворить и ярых "технократов", и крайних "зелёных", рассказывает эта статья.
По мере углубления наших знаний и умений некоторые научно-технические направления стали сами подсказывать нам, что дальнейший прогресс должен идти не "вширь", а "в глубь" материи, чтобы в ходе развития требовалось не наращивать потребление энергии и материалов, а, наоборот, уменьшать его. Это означает стремление к предельной миниатюризации всех машин и технических систем, к построению их не из кусков вещества, а непосредственно из атомов и молекул.
Кажется, первым задумался об этом в конце 50-х годов американский физик-теоретик Ричард Фейнман. Он предложил идти "вглубь" постепенно: создать последовательность устройств, где каждое следующее поколение строит свои подобия всё меньших размеров. Но это означало, что придется начать с самого сложного: с конструирования самовоспроизводящихся систем.
Весной 1977 года студент Массачусетсского технологического института Эрик Дрекслер наметил другой путь решения этой задачи: опуститься "вглубь" сразу, но зато начать с довольно простых молекулярных устройств - с искусственных подобий биологических молекул, работающих в живых клетках. Конечно, простота этих структур очень относительна, но всё же воспроизвести их современными методами - не безнадежная задача. А потом эти простейшие молекулярные машины можно использовать для построения все более сложных систем, вплоть до самовоспроизводящихся.
Это направление Дрекслер предложил по аналогии с микроэлектроникой назвать нанотехнологией; значение приставки "нано" - здесь то же, что и в названиях дробных единиц измерения, то есть одна миллиардная доля, 10-9, только используется в более широком смысле - просто как указание на очень малые размеры.
А начинать с больших деталей, и затем уменьшать их - бесперспективно. Ведь никакая обработка не поможет отсечь от куска материала всё лишнее и оставить одну-единственную нужную молекулярную цепочку.
Мы очень кратко сообщали о работах по нанотехнологии в №7 "ТМ" за 1987 год, но о ней, несомненно, стоит рассказать подробно.
Итак, Эрик К. Дрекслер вместе с небольшой группой энтузиастов в конце 70-х годов начал работы по нанотехнологии в Станфордском университете. Он решил, что для создания самого первого поколения наномашин можно использовать те же "строительные блоки", что и в биологических системах - 20 аминокислот из которых синтезируются все природные белки. При этом, конечно, придется сохранить и главный "строительный принцип" природы - соединение этих аминокислот в линейную полипептидную цепочку. Подобные цепочки замечательны тем, что после своего образования в клетке они сами сворачиваются в определённую трёхмерную структуру. А такие структуры уже приобретают биологическую активность, то есть становятся "биоинструментами" и "биомашинами" клетки, способными выполнять в ней определенные функции.
Таковы прежде всего энзимы (ферменты) - катализаторы всех биохимических реакций. Они могут выборочно присоединять к себе определенные молекулы и тем самым модифицировать их, менять их свойства, заставлять их реагировать друг с другом. Ферменты типа рестриктазы и лигазы способны в заданных местах разрезать и сшивать нити ДНК. Более сложные внутриклеточные структуры - рибосомы могут синтезировать полипептидные цепи по заданной программе, записанной в молекулах ДНК или РНК.
С другой стороны, есть белковые структуры, выполняющие механические функции - стоек, тяг, рычагов. Это, например, различные каркасы для пространственного размещения активных молекул, волокна мышечных клеток, жгутики для передвижения у бактерий.
Вообще-то первые структуры такого рода уже синтезированы методами генной или белковой инженерии, но в основном, видимо, придётся использовать то, что уже есть в природе, - сейчас узнаем почему. Так или иначе, есть надежда, что для первых простейших наномашин удастся подобрать основной ассортимент почти готовых деталей и узлов молекулярных размеров. А объединить их в единую конструкцию, выполняющую заданные функции, помогут те же ферменты. Так появится первое поколение наномашин, и с их помощью начнется сборка более сложных систем.
Но, предлагая использовать вначале биоподобные структуры, сам Дрекслер главное внимание уделяет "техногенным" наномеханизмам, созданным по типу обычных больших машин. И это вполне понятно.
Прежде всего нет смысла отказываться от массы идей, накопленных долгим развитием макротехнологии. Это всё то, до чего "не додумалась" природа, начиная с колеса и кончая цифровым компьютером. Поэтому Дрекслер в своих работах подробно обосновал способы построения на атомном уровне подшипника и зубчатой передачи, рассмотрел проблемы трения скольжения и т.д.
Простейшие наномашины.
Кроме того, биоподобные структуры (и всё, что они могут создать) - это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разлагаются при повышенных температурах и давлениях, не могут с большой точностью обрабатывать твёрдый материал, действовать в агрессивных средах и т.п. Да и не все нужные виды наномеханизмов можно сконструировать из 20 аминокислот, выстроенных в линейную цепь. Значит, неизбежно потребуется широко использовать разнообразные неорганические молекулы и кристаллоподобные структуры.
Ещё хуже то, что белковую наномашину пока никак не удаётся спроектировать. Невозможно даже предсказать - в какую структуру свернётся вновь синтезированная полипептидная цепь, а тем более - на что окажется способной эта структура, да и сможет ли она вообще что-то делать. И уж совсем безнадёжной кажется обратная задача: исходя из нужной нам функции белковой молекулы рассчитать первичную последовательность её аминокислот (а это и есть задача проектирования).
Как уже говорилось, всем этим занимаются специалисты по генной и белковой инженерии, но они ещё далеки от уверенного решения даже прямых задач. В основном они проводят небольшие модификации ферментов с уже известной структурой и функцией, надеясь усилить их активность, избирательность и т.д., действуя при этом часто "на ощупь".
Как видим, есть много серьёзных причин сделать ставку на устройства, близкие к обычным машинам. В то же время без биоподобных структур очень трудно начать манипулировать отдельными атомами и молекулами, да и другие их сильные стороны терять не хочется. Поэтому во втором поколении наномашины соединят в себе свойства и живых и технических систем, включат в свой состав и ферменты и шестерёнки.
Основным типом машин второго поколения, по мысли Дрекслера, станет так называемый ассемблер, то есть сборщик. Из любых нужных атомов и молекул он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двигатели, "станки", вычислительные устройства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекулярный робот со сменными программами на "перфолентах" типа цепочек РНК или ДНК, но в отличие от живых систем легко изменяемых и заменяемых. Процесс смены программы мог бы напоминать заражение клетки вирусом, от чего она перестраивается на синтез чуждых ей белков.
С созданием сборщиков нанотехнологию можно будет считать окончательно родившейся, получившей твёрдую самостоятельную основу.
Вот как представляет Дрекслер общие черты сборщиков и их работу. По аналогии с биомолекулами и современными сложными механизмами обычного типа можно считать, что сборщику для выполнения его задач достаточно иметь порядка 10 тыс. подвижных и неподвижных узлов, каждый из которых построен в среднем из сотни элементарных деталей - атомов (итого порядок сложности - около миллиона атомов). Это соответствует размеру примерно в одну тридцатую средней бактерии.
Внешне сборщик можно представить как ящик с "рукой" - манипулятором длиной в сотню атомов. Сам манипулятор прост, но может оперировать сменными инструментами любой сложности. Инструментами служат молекулы, имеющие активные реакционные центры, то есть участки, способные образовывать прочные химические связи с другими молекулами. Внутри сборщика размещены устройства, двигающие манипулятор, заменяющие молекулярные инструменты в его захвате и, конечно, содержащие программу всех действий.
Как и рибосомы в клетке, сборщики будут работать в ёмкостях со специальной жидкостью, богатой исходными материалами, молекулами-заготовками, а также "топливом" - молекулами с большим запасом химической энергии.
Видимо, "рука" будет просто ожидать, пока нужная молекула, пройдя через избирательную насадку, в своем хаотическом движении не ударится о захват. По этому принципу работают активные участки всех ферментов. В их структуре есть изгибы, которые по форме и размеру точно соответствуют нужной молекуле - и никакой другой. У быстрых ферментов скорость обработки составляет миллион частиц в секунду при достаточной их концентрации в среде.
Сборщик.
Рабочий цикл сборщика, таким образом, может повторяться примерно миллион раз в секунду. Эту оценку можно подтвердить другим, независимым рассуждением: "рука" сборщика примерно в 50 млн. раз короче руки человека, и, значит, если сохранять эквивалент инерционных нагрузок, она сможет двигаться примерно во столько же раз быстрее. Опять же для надёжности зададим сверхнизкую инерционную нагрузку, соответствующую одному движению человеческой руки в минуту. Для наноманипулятора это будет эквивалентно примерно тому же миллиону движений в секунду (50 000 000:60).
Как предупреждает Дрекслер, для практической наноинженерии очень опасны хаотические тепловые колебания атомов и молекул. Они могут помешать манипулятору робота обрабатывать и устанавливать детали с нужной точностью. Правда, в определенных случаях они полезны, например, когда манипулятор "ожидает" случайного наскока молекулы для её захвата. Но для прецизионных операций тепловые колебания вредны. По этой причине Дрекслер спроектировал очень "толстый" манипулятор (конус 30 нанометров в диаметре и 100 - в длину), сложенный из атомов углерода по типу алмазной решетки. Это придаст ему такую жёсткость, что его тепловые перемещения не превысят половину диаметра атома.
Управлять сборщиками "вручную" из-за огромной скорости их работы, конечно, невозможно. Это должны делать нанокомпьютеры, программируемые на каком-нибудь обычном языке управления промышленными роботами.
Для связи с этими крошечными машинами можно использовать нанокомпьютерный интерфейс или непосредственно передавать команды по проводам, достаточно толстым на управляющем конце, чтобы использовать обычную микротехнологию. Возможно, удобнее будет передавать команды по радио. Подходящим средством управления наномашинами мог бы стать и свет.
Вообще роль света в нанотехнологических устройствах может быть огромной, что особенно подтверждают достижения последних лет. Совсем недавно, например, полностью раскрыты молекулярные структуры фотосинтетических пигмент-белковых комплексов бактерий и зелёных растений, детально выяснен механизм их работы. Учёные начали думать об искусственном воспроизведении этих структур. Та же тенденция видна в исследовании механизма зрительного восприятия.
Светочувствительные молекулярные системы могут использоваться и во многих других областях, где этого не сумела сделать природа. Можно будет задействовать весь ассортимент известных фотохимических и фотофизических эффектов. Например, свет может изменять форму определенных молекул. Перемещения атомов при этом происходят за триллионные доли секунды. Наконец, свет может стать и источником энергии для наноустройств.
Что касается нанокомпьютеров, то Дрекслер и здесь предлагает использовать механические принципы. Он разработал концепцию вычислительного устройства, в котором двоичный код реализуется двумя фиксированными положениями прочных линейных карбиновых молекул из 7-8 звеньев длиной 1 нм. Эти микроскопические стерженьки скользят в твёрдой матрице по каналам, пересекающимся под прямыми углами, так что один стерженёк может перекрывать (или не перекрывать) путь другому. Трёх параллельных каналов, пересечённых четвёртым, достаточно, чтобы образовать универсальную логическую ячейку. Набор таких ячеек позволяет реализовать любой процеср вычислений или обработки информации.
Запоминающее устройство ёмкостью в миллиард байт займёт в таком исполнении объём бактерии - один кубический микрон. Длительность вычислительного цикла, то есть время перемещения стерженька из одного положения в другое, при его ничтожных размерах, составит всего 50 пс (10-12 с). Поэтому быстродействие такой механической системы будет выше, чем у лучших современных макрокомпьютеров.
Естественно, компьютер может быть и электронным. При этом, пишет Дрекслер, если только верны идеи Р.Фейнмана, высказанные им в статье 1985 года "Квантовые компьютеры", их быстродействие будет ещё на 3-5 порядков больше.
Все сказанное до сих пор, кажется, не предвещает особенных потрясений в нашей повседневной жизни. Пожалуй, описанные здесь машины смогут стать лишь дорогими игрушками для учёных и военных. Их массовое производство представляется безнадежно нерентабельным. Но все эти предположения останутся верными лишь до тех пор, пока в один прекрасный (а может быть, и страшный) день не будет создано самовоспроизводящееся наноустройство.
Всем видам таких устройств Дрекслер дал общее название "репликатор", то есть копировщик. Прислушайтесь внимательно к этому слову. Может быть, когда-нибудь оно обозначит новую эру в жизни человечества. Она начнётся, если будет построен один-единственный копировщик. Этого окажется достаточно для такого гигантского переворота во всех областях человеческой деятельности, какого, может быть, ещё не знала история.
Не слишком ли сильно сказано? Давайте посмотрим.
Итак, построен один копировщик. Допустим, что он в тысячу раз сложнее сборщика, то есть число атомов в нем равно примерно миллиарду. Тогда, работая всё с той же более чем умеренной производительностью - миллион атомов в секунду, копировщик соберёт собственную копию за тысячу секунд, то есть за четверть часа. Опять-таки эта оценка подтверждается независимым соображением: примерно за то же время в благоприятных условиях делится клетка микроба. Новая копия немедленно приступит к самовоспроизведению, и через 10 ч в растворе со строительными и "энергетическими" молекулами будет плавать уже около 70 млрд. копировщиков, а менее чем за сутки их масса превысит тонну.
Не будем развивать идею о том, как Земля покроется километровым слоем копировщиков. Для этого их надо ещё научить питаться "подножным кормом". Мы, конечно, не будем торопиться и оставим их в баке со спецраствором, без которого они обречены на гибель.
Задумаемся о другом. Эта тонна сверхсложнейших устройств получена в течение суток без всяких затрат человеческого труда. А вторую тонну можно получить уже не за сутки, а... правильно - всего за 15 минут - только подавай раствор. Вопрос о цене пожалуй что и отпадает. Немного осмелев и нарастив за неделю-другую нужную массу копировщиков, можно заставить их прямо из самих себя сложить... ну, допустим, мост через Берингов пролив.
Но дело, конечно, не в количественных рекордах. В наступившей "новой эре" исчезнет необходимость и в любом квалифицированном человеческом труде.
Вот, например, Дрекслер подробно описывает, как с помощью копировщиков построить, то есть, простите, вырастить, ракетный двигатель.
Процесс идёт в баке, на дно которого помещают подложку - основание. Крышка бака герметически закрывается, и насосы наполняют его вязкой жидкостью, содержащей в виде взвеси копировщики, перепрограммированные на новые функции сборщиков.
В центре подложки находится "зародыш" - нанокомпьютер, хранящий в памяти все чертежи будущего двигателя, а на поверхности имеющий участки, к которым могут "прилипать" сборщики из бурлящей вокруг взвеси. Каждый из них получает информацию о назначенном ему пространственном положении относительно зародыша и приказ захватить своими манипуляторами несколько других сборщиков из взвеси. Они также подключаются к компьютеру "зародыша" и получают аналогичные приказы. За несколько часов в жидкости вырастает некое подобие кристаллической структуры, с мельчайшими подробностями очерчивающей форму будущего двигателя.
Снова включаются насосы, заменяя в баке взвесь сборщиков раствором строительных материалов. Компьютер зародыша отдает команду, и часть составляющих каркас строителей отпускает своих соседей, складывает манипуляторы и также вымывается, оставляя ходы и каналы, которые будут заполнены нужными атомами и молекулами.
Специальные усики оставшихся сборщиков интенсивно гребут, создавая в каналах непрерывный ток жидкости, содержащей "топливо" и исходные материалы и выносящей из рабочей зоны отходы и тепло. Система связи, замкнутая на компьютер зародыша, передаёт команды каждому строителю.
Там, где требуется наибольшая прочность, сборщики складывают атомы углерода в алмазную решетку. Где критичны тепловая и коррозионная устойчивость, на основе окиси алюминия создаются структуры кристаллической решётки сапфира. В тех местах, где напряжения невелики, сборщики экономят вес конструкции, меньше заполняя поры. И по всему объёму будущего двигателя атом за атомом выкладываются клапаны, - компрессоры, датчики и т.д. На всю работу потребуется менее суток времени и минимум человеческого внимания (но не труда!).
А ведь в результате в отличие от обычных двигателей получилось изделие, которое не имеет ни единого шва и выигрывает в массе примерно в 10 раз по сравнению с современными конструкциями. По своей структуре оно, пожалуй, больше похоже на драгоценный камень.
Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологии. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологии это станет реальностью. Конструкция, более прочная, чем сталь, более лёгкая, чем дерево, сможет, подобно мускулам (используя тот же принцип скользящих волокон), расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет полностью преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нём неограниченное время, к тому же превратив оболочку скафандра в "умножитель силы". В освоении космоса наступит новая эра.
Но то ли ещё начнётся на Земле? Сборщики сделают практически всё практически из ничего, используя любое "подножное сырье", воду и воздух, где есть главные нужные элементы - углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний; остальные, как и для живых организмов, потребуются в микроколичествах. Исчезнут вспомогательные производства и вся так называемая "группа А", а предметы потребления будут производиться прямо "на дому".
Нанотехника восстановит озонный слой, очистит от загрязнений почву, реки, океаны, атмосферу, демонтирует заводы, плотины, рудники, запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнеры. Города и дороги будут расти как трава. В пустынях поднимутся леса фотосинтетических элементов, которые дадут нужное количество электроэнергии, пищевых веществ и универсального биологического топлива - АТФ (аденозинтрифосфатной кислоты). Следы промышленной деятельности почти исчезнут с лица Земли, сократятся сельскохозяйственные угодья, большую часть планеты покроют сады и естественные экосистемы...
Произойдёт новая научная революция. Сопоставимые с размерами сборщиков приборы, научное оборудование и натурные модели будут проектироваться и реализовываться в "металле" за считанные секунды. На них одновременно и с огромной быстротой пойдут миллионы параллельных экспериментов любой сложности, результаты которых обобщит искусственный интеллект и выдаст в нужной форме.
Принципиально иным станет образование. Дети получат карманные наноконструкторы, создающие движущиеся модели животных, машин и космических процессов, которыми они смогут управлять. Игровые и учебные наномашины откроют доступ к мировому знанию, разовьют по индивидуальной программе умственные способности.
Неузнаваемо изменится медицина. Последовательно проверяя и если надо "исправляя" молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий, в том числе генетических. Человек будет жить сотни может быть, тысячи лет.
Труд в современном смысле, то есть "в поте лица", который с незапамятных врёмен был главным содержанием жизни, перестанет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимости, цены, денег. Как считает Дрекслер, в таком полностью обновлённом обществе осуществится настоящая утопия - но не из тех, где даётся рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. Наоборот, каждый человек получит максимальное разнообразие вариантов существования, возможность, не мешая другим, свободно избирать и менять образ жизни, экспериментировать, ошибаться и начинать сначала.
Дрекслер не наивен. Он понимает, что реальная картина нанотехнологического бытия может оказаться не совсем радужной, старается предусмотреть возможные осложнения и наметить выходы, но, наверное, это уже тема другой статьи. А пока, может быть, свои мнения захотят высказать читатели?
Борис Понкратов, научный обозреватель.