Для космического крейсера второго класса «Непобедимый» встреча с ними закончилась трагедией. В романе Станислава Лема бесчисленная армия нанороботов предстает силой грозной и почти всемогущей. Сторонники клэйтроники с этим соглашаются, хотя уверены: враждебной эта сила не будет. Наоборот, она сделает нашу жизнь окончательной фантастикой.
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.
"