Подпишитесь на нашу ежедневную рассылку с новыми материалами

Наука


Ирина Зимина,

Вы помните старого доброго Терминатора-Шварценеггера? Как поражал нас своими суперспособностями новый Терминатор – Т-1000? Его тело из жидкого металла могло принимать любую форму, просачиваться сквозь самые узкие щели и самовосстанавливаться из мельчайших частиц, а его конечности в зависимости от ситуации превращались то в лезвия, то в крюки… Оказывается, показанные в фильме "Терминатор 2: Судный день" метаморфозы, на которые был способен робот из будущего, – вовсе не фантастика! За подобными "чудесами" стоит реальная технология, над созданием которой сегодня работают сотни ученых.

Называется эта технология - а точнее целый комплекс технологий - программируемой материей. На трюки из киноэпопеи, поражавшие наше воображение, сегодняшние разработки в этой области пока еще не способны, но под мощью науки рушились и не такие бастионы. Цель разработок - получить материю, которая может изменять свои физические свойства (плотность, цвет, форму и т.д.) программируемым образом, через заданный пользователем алгоритм или автоматически. То есть, другими словами, иметь внутренне присущую ей способность выполнять обработку информации.

Кадр из фильма "Терминатор 2"

По каким-то причинам голливудские киношники редко обращаются к теме программируемой материи, хотя в научной фантастике она получила достаточно широкое распространение. Кроме знаменитой киносерии про киборгов можно также вспомнить последнюю Бэтмениаду Кристофера Нолана. В фильме "Бэтмен: Начало" рассказывается, что плащ Темного Рыцаря сделан именно из такой материи – из ткани, обладающей "эффектом памяти". Когда плащ встречает поток воздуха, он выпрямляется и становится жестким, словно крылья самолета, благодаря чему и удерживает владельца в воздухе.

Кадр из фильма "Бэтмен: Начало"

Конечно, программируемая материя пригодна не только для создания роботов-убийц и волшебных накидок – сфера ее применения практически безгранична. Представьте, например, что крыши наших домов смогут менять свою форму в зависимости от погоды: пошел дождь – по всей крыше образовалась система водостоков, выглянуло солнце – крыша приняла стандартный вид. Или, к примеру, задумайтесь о том, что человеку больше не нужно будет приобретать огромный парк бытовой техники – достаточно обзавестись определенным объемом программируемой материи, и тогда по мере необходимости и за считанные секунды микроволновка сможет превращаться в мультиварку, мультиварка – в пылесос, а пылесос – опять в микроволновку.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Открыть/cкачать видео




Проект Living Kitchen, дизайнер - Michael Harboun. В неактивированном состоянии такая кухня представляет собой обычную стену. Но когда владелец ставит системе конкретную задачу, прямо из этой стены в нужном направлении может вырасти кран заданного размера и формы, под краном - образоваться раковина или небольшой столик.

На данный момент разработано довольно много концепций программируемой материи, соответственно, научные исследования под одним и тем же названием ведутся во многих направлениях сразу. Таким образом, получается, что область программируемой материи объединяет очень разные, совершенно не похожие, на первый взгляд, проекты.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Открыть/cкачать видео

Например, к указанной области можно отнести молекулы, которые изменяют свою форму и другие свойства в ответ на внешние раздражители. Сюда же можно причислить и жидкие кристаллы (да-да, те самые, что применяются в мониторах), формирующие качественное изображение за счет изменения своей позиции под воздействием магнитов. Но гораздо чаще термин "программируемая материя" используют для обозначения материалов, способных самостоятельно производить сложные вычисления. Из подобных проектов наиболее активно сегодня развивается, пожалуй, клэйтроника. Клэйтроника – это концепция создания любых трехмерных структур из специальных программируемых частиц. Такие частицы называют катомами или к-атомами – клэйтронными атомами, контролируемыми атомами, а также нанороботами. По сути, наноробот – это компьютер атомического размера, который способен взаимодействовать с соседними нанороботами – например, с помощью электростатических зарядов. Нанороботы способны по команде или автоматически объединяться между собой, образуя тот или иной предмет, трансформироваться из одной вещи в другую и вновь распадаться на отдельные элементы. Вообразите себе рой – миллионы, миллиарды катомов – который может за мгновения принять любую форму, сформировать сложнейший станок, мобильный телефон или бальное платье.




Серьезные средства в разработку программируемой материи вкладывает не кто-нибудь, а компания Intel. Инновационное вещество, созданное специалистами Intel, состоит из крошечных шариков, обладающих фотоэлектрическими свойствами и способных преобразовывать электрическую энергию. Эти шарики могут комбинироваться в различные структуры, "держась" друг за друга с помощью электростатических сил (похоже на то, как прилипает к стене воздушный шарик, потертый о волосы). Та или иная форма задается массе таких мини-сфер посредством специальных программ. Первые прототипы сфер имели диаметр, измеряемый в сантиметрах и миллиметрах, но пару лет назад ученым удалось добиться уменьшения диаметра частиц до 300 мкм - это в 4 раза толще человеческого волоса.

В рамках концепции программируемого вещества сотрудники Массачусетского технологического института работают с материалом, который они сами называют "умным песком". "Песок" состоит из кубов с гранями в 10 миллиметров, внутри которых находятся элементарные микропроцессоры, обладающие 2 килобайтами памяти и способные сохранять до 32 килобайт программного кода. На четырех сторонах кубов расположены электроперманентные магниты – они нуждаются в электроэнергии только при включении и выключении и остаются намагниченными даже при прерывании электропитания. Магниты используются кубами для соединения друг с другом, для передачи энергии и для коммуникации.



Теоретически "песчинки" могут собраться в любую форму. Например, если положить в ящик с "умным песком" мини-копию нужного инструмента, через несколько секунд частицы сформируют полноразмерный предмет. После использования инструмент можно вернуть к родительскому песку, где он распадется на множество "песчинок", готовых к новым операциям. Интересно, что процесс создания вещи в данном случае идет не методом сборки из отдельных деталей, а отсеканием ненужного объема – подобно тому, как из-под резца скульптора возникает статуя. Правда, перед тем, как "умный песок" будет готов творить подобные чудеса, нужно во много раз уменьшить размер кубов, но ученые утверждают, что это вполне реально.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Открыть/cкачать видео

Однако не только нанороботами жива программируемая материя – к этой области многие специалисты относят и синтетическую биологию. Под синтетической биологией сегодня понимают новое направление промышленной технологии на стыке генной инженерии, химии, информатики и электроники, позволяющее проектировать и создавать биологические системы, в том числе и такие, которые не встречаются в природе. В перспективе эти системы могли бы помочь человечеству решить самые масштабные задачи: наладить дешевое и бесперебойное производство чистой воды, дефицитных сегодня лекарств и вакцин, пищевого сырья, избавиться от избытка углекислого газа в атмосфере.

Строительным материалом для синтетических биосистем являются клетки – в данном случае именно они выступают в роли однородных мелкомодульных вычислительных компонентов. Как и нанороботов, человек может запрограммировать клетки на выполнение нужных ему действий, например, на синтез биотоплива или свечение в темноте. Только для этого, конечно, понадобится не компьютерный код, а биологический – ДНК. В какой-то степени тело человека тоже является программируемой материей, ведь именно через ДНК контролируется жизнедеятельность, рост и развитие клеток в организме.

В будущем для создания синтетических биосистем планируется использовать так называемые "биокирпичи" – созданные с нуля либо выделенные из клеток фрагменты ДНК, отвечающие за синтез конкретного белка. Путем внедрения тех или иных биокирпичей в код материнских клеток можно научить данные клетки реагировать нужным образом на те или иные стимулы - условно говоря, биосистема в ответ на изменение температуры может изменить цвет или начать светиться. Врачам понадобилась система, умеющая, например, производить лекарство от редкого синдрома Гурлера? Возьмем наиболее подходящие для этой цели клетки-реципиенты, просто добавим в их генетический материал соответствующие биокирпичи (как вариант – сразу вырастим клетки с заданными свойствами) – вуаля! На данный момент в базе Массачусетского технологического института насчитывается уже более 140 биокирпичей, но проблема их применения заключается в том, что зачастую фрагмент чужеродной ДНК при внедрении в клетку либо уничтожает ее, либо сам уничтожается ей.

Схема превращения группы ДНК в биокирпич

20 мая 2010 г. было объявлено о революционном прорыве в синтетической биологии: создании первого в мире синтетического организма, способного к размножению. Работы по выращиванию живой клетки на основе искусственного генома велись в Институте Крэйга Вентера (Сан-Диего, США) под руководством самого Крэйга Вентера в течение 15 лет. В настоящее время синтетической биологией занимается более 100 лабораторий по всему миру.

Программируемые материалы – состоящие из нанороботов или живых клеток – могут найти применение повсеместно: в различных отраслях промышленности, медицине, энергетике, транспортной отрасли, в науке, в искусстве, в быту. Их использование способно принципиально изменить способы производства, ремонта, утилизации вещей, перекроить на новый лад всю мировую экономику – и заставить человека взглянуть на материальную сторону жизни совершенно по-иному. Одним словом, как только создание программируемой материи встанет на поток, мир перевернется с ног на голову. 
Нужные услуги в нужный момент