Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности
Шрифт:
Создание нанотехнологических «блоков» и устройств, способных к целенаправленному объединению в макроскопические системы, неотделимо от прогресса в области методологии и инструментальной техники. Прежде всего это подразумевает разработку новых устройств, позволяющих не только наблюдать за атомно-молекулярными процессами и описывать их количественно, но и руководить ими, то есть манипулировать нанообъектами. Понимание процессов изготовления новых объектов (из элементов типа атомов и молекул) должно включать в себя и какое-то представление о возрастании информационного содержания таких систем. Еще раз отметим, что слияние методов нанотехнологии, биологии и электроники в молекулярных системах может означать фактически «истинную мимикрию», то есть воссоздание точных атомарных копий некоторых природных биологических механизмов, обеспечивающих биологические реакции за счет комбинации определенных датчиков и приводных систем.
Нанотехнологии находятся на самой ранней стадии развития, однако обладают огромным потенциалом и обещают стать основой следующей научно-технической революции и дальнейшего прогресса человечества. Например, упомянутая выше возможность быстрого скрининга ДНК в принципе позволяет надеяться на создание «индивидуальной» диагностики, когда медицинское обслуживание пациента будет основываться на анализе его собственного генетического кода. Эта фантастическая возможность может поменять наши представления о роли классической медицины вообще и даже означать «завершение» развития этой науки.
Для достижения намеченных целей человечеству предстоит преодолеть целый ряд существенных препятствий. Прежде всего ученые должны разработать принципиально новые технологии и методологии, которые могут быть названы «творческими» или развивающимися. Создание материалов и устройств, позволяющих непосредственно наблюдать атомно-молекулярные процессы и активно регулировать их, выводит нас на принципиально новый уровень познания и управления биологическими законами. Трудно даже представить те возможности, которые откроются перед учеными после понимания законов
Благодарности
Авторы выражают благодарность Институту изучения клеточной миметики для космических исследований при НАСА (Institute for Cell Mimetic Space Exploration, CMISE, a NASA URETI), Национальному институту здоровья (NIH), Национальному научному фонду и Управлению перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (DARPA) за финансовую поддержку.
Раздел IV Конвергенция и интеграция
Глава 18 Конвергенция и интеграция
Майкл К. Роко
Майкл К. Роко является одним из крупнейших специалистов и руководителей нанотехнологических исследований в США, также автором и редактором многих основных книг и учебников в данном направлении. Область собственных научных интересов М. Роко связана с многофазными системами, компьютерным моделированием и нанотехнологиями. В 1991 году он возглавил первую федеральную программу США по исследованиям в области нанотехнологий, которая позднее (при его непосредственном участии) преобразовалась в известную Национальную нанотехнологическую инициативу США (NNI), ставшую примером для многих других стран. М. Роко имеет множество почетных званий и наград. Газеты и журналы часто называют его одним из ведущих организаторов научной революции, связанной с нанотехнологиями.
В настоящее время на наших глазах возникает новая целостная наука, основанная на материальном единстве окружающего нас мира, что становится особенно заметным при изучении вещества на атомно-молекулярном, то есть нанометрическом уровне. Новая наука не только открывает широчайшие перспективы для изучения природы, инноваций и развития технологий, но и обещает нечто большее, а именно – возможность объединения наук и технологий на новой основе. Самые разные области деятельности, казавшиеся ранее далекими и разделенными, с появлением нанотехнологий неожиданно стали «переплетаться», воздействовать друг на друга и проявлять синергизм, то есть совместные характеристики, возникающие лишь при взаимодействии. Нанотехнологии демонстрируют настолько отчетливую тенденцию к слиянию с биологическими и информационными технологиями и подходами, что это уже привело к созданию серьезной научной концепции о конвергенции ряда научных дисциплин. Речь идет в первую очередь о слиянии нанотехнологии, биотехнологии, информационных технологий и наук о познании (получивших общее название когнитивистики). Эта концепция, обычно обозначаемая аббревиатурой NBIC (Nano-Bio-Info-Cogno), в сочетании с новейшими достижениями в области системотехники, математики и вычислительной техники, получила широкое распространение. В принципе эта теория позволяет мечтать о создании новой научно-технической картины мира, основанной на представлениях о сложном единстве материального мира, обусловленном иерархичностью, взаимосвязью и трансформацией его компонент.
Возможно, наука и техника переживают сейчас уникальный момент своего развития, результатом которого станут не только новые процессы и товары, но и принципиальное улучшение всех условий человеческого существования. Слияние технологий может оказаться принципиальным условием новой научной революции. Дело в том, что до сих пор отдельные нанотехнологии выступали лишь дополнением или развитием уже существующих технологий, но слияние в рамках концепции NBIC может привести к фундаментальным одновременным изменениям во всех областях человеческой деятельности, включая работу, обучение, медицину, групповые взаимодействия, общественные структуры и т. д. [130] В жизни человеческого сообщества появятся принципиально новые орудия труда, новые технологии и новые товары. В этой главе авторы попытались описать возможные изменения в сфере науки и образования, а также обсудить некоторые проблемы, связанные с ожидаемыми революционными научно-техническими преобразованиями.
18.1. Рамки научно-технического развития
С большой долей уверенности можно предсказать, что исследования в течение ближайших десятилетий приведут ученых к более общей научной картине мира, в которой разные научные дисциплины будут сливаться, демонстрируя единство свойств и законов окружающей нас природы. Объединение и слияние наук будет означать их синергическое воздействие друг на друга, в первую очередь, в четырех направлениях, которые сейчас переживают период бурного развития: (1) нанонаука и нанотехнология; (2) биотехнология и биомедицина, включая генную инженерию; (3) информационные технологии, включая вычислительную технику и средства связи, и (4) когнитивные науки, связанные с изучением самих процессов познания (включая когнитивистику, теорию нейронных сетей мозга и системные подходы). Синергическое объединение этих наук в нанометрическом масштабе объектов и процессов обещает новые значительные достижения. Процесс слияния и развития наук будет носить сложный характер, так что аббревиатуру NBIC следует рассматривать не как перечисление конкретных наук (nano-, bio-, info- и cogno- ), а как «стенографический» значок для обозначения еще не познанных взаимодействий между этими науками и связанными с ними технологиями.
Предполагаемое слияние наук и технологий может привести к невиданному прогрессу в условиях жизни как отдельных людей, так и общества в целом, но только при условии внимательного и серьезного отношения общества к этическим и социальным проблемам развития нанотехнологий. Эта проблема имеет государственное значение, и правительство США подтверждает это своей активной деятельностью. В качестве основных направлений развития указаны следующие шесть: познание и коммуникации, здоровье и физическое совершенство, групповые и социальные преимущества (включая новые товары и услуги), национальная безопасность, наука и образование, бизнес и общественные организации [131] [132] .
Концепция NBIC должна привести не только к созданию совершенно новых товаров, услуг, материалов и устройств, но и к созданию каких-то еще не имеющих названия типов производств, приемов медицинского обслуживания, транспортных систем и даже принципиальных методик научного исследования. Нам сейчас трудно представить, как будет происходить научное исследование, осуществляемое одновременно всем комплексом средств, выработанных в физике, химии, биологии, математике и информатике. Сочетание возможностей этих наук и технологий может стать важнейшим инструментом познания окружающего нас мира, методом проектирования новых устройств и организации неожиданных форм промышленного производства.
Можно с уверенностью предсказать, что в промышленности все шире будут применяться биологические методы и подходы, на чем основаны некоторые из зарождающихся сейчас новейших производств и научных методик. В качестве известных примеров можно назвать фармацевтическую геномику, так называемую нейроморфную технологию, регенеративные методы в медицине, производство многофункциональных биочипов, синтез молекулярных систем с многоуровневой архитектурой, монтаж трехмерных электронных устройств со сложной иерархией, создание новых видов программного обеспечения для моделирования сложных природных явлений и т. п. Во многих случаях биологические методы и подходы используются при изучении сложных явлений на атомно-молекулярном уровне, создании новых материалов, разработке новых вычислительных методик и решении других сложных задач. Все эти комплексные, междисциплинарные исследования объединяют общие подходы когнитивистики, то есть науки о познании в самом широком смысле этого слова. Очень часто используемые или изучаемые системы являются слишком сложными для непосредственного анализа, и в этих случаях когнитивистика позволяет исследователям находить неожиданные и нестандартные решения на разных этапах решения задачи (проектирование новых изделий, производство товаров и услуг, поиск новых форм организации или обслуживания).
Многие ведущие правительственные организации США, включая Национальный научный фонд, Национальное управление по авиации и космонавтике (NASA), Агентство по защите окружающей среды, Министерство обороны и Министерство энергетики (которое в США традиционно занимается разработкой ядерного оружия), уже приступили к осуществлению некоторых смешанных проектов. Речь идет о междисциплинарных научно-технических разработках, относящихся одновременно к двум или трем элементам предложенной выше аббревиатуры NBIC. Пока объем таких исследовании невелик, но проекты рассчитаны на длительную перспективу. Их тематика включает, например, моделирование нервной системы, общее повышение возможностей человеческого организма (что имеет важное прикладное значение в военных нанотехнологиях), «изучение процессов изучения» и исследование возможных социальных последствий широкого внедрения нанотехнологий. Последний пункт должен относиться, в сущности, ко всем планам и проектам в рассматриваемой области, поскольку многие специалисты уже осознали важность этических и социальных аспектов для любых программ в области нанотехнологий. Некоторые крупные компании разрабатывают собственные проекты, так или иначе связанные с конвергенцией наук и технологий. Понятно, что любое широкое и эффективное внедрение новых товаров и услуг потребует участия и понимания со стороны потребителей и различных групп общественности.
Государство и общество должны быстро выработать систематический, обдуманный и ответственный подход к сложнейшей проблеме конвергенции и интеграции наук и технологий. В данной главе автор попытался дать очень сжатое описание существующей ситуации и указать на некоторые тенденции, опасности
18.1.1. Возможности
Выработка связного и последовательного подхода к весьма сложной проблеме конвергенции технологий должна основываться на приоритетах развития потенциальных возможностей человечества, повышения производительности и создания принципиально новых товаров и услуг. Необходимость и настоятельная потребность в выработке такого подхода диктуется пятью принципами, сформулированными в докладе Организации Объединенных Наций, посвященном общим проблемам науки (особенно в свете возникновения нанотехнологий) и ее воздействия на развитие человечества [133] и в докладе бывшего директора Международного валютного фонда А. Гринспана [134] .
1. Ускоряющийся научно-технический прогресс обещает дальнейшее развитие человечества на индивидуальном и на коллективном уровне. В настоящее время стали возможны получение и обработка сигналов как от отдельных клеток человеческого организма, так и от его нервной системы в целом. Наука получила возможность замещать или регенерировать отдельные части тел, а также создавать аппараты или другие устройства, способные непосредственно взаимодействовать с тканями человеческого организма и нервной системой.
2. Слияние (конвергенция) наук возникает из единства материального мира при рассмотрении на наноуровне и означает объединение знаний, которое может стать основой не только бурного технологического прогресса, но и развития общечеловеческих ценностей (включая философию, искусство и т. п.). Это требует от нас более глубокого понимания поведения биосистем и процессов преобразований вещества в таких системах. Нанонаука требует от ученых разработки новых инструментов и приборов для измерения, контроля и манипуляций на атомно-молекулярном уровне. Такие системы должны обладать какой-то новой, иерархической архитектурой и описываться новыми математическими и информационными теориями. Большинство древних цивилизаций основывалось на представлениях о всеобщей взаимозависимости, однако ценность таких объединяющих подходов признавалась только философами, так как наука просто не могла сформулировать принципы взаимозависимости процессов. Лишь пятьсот лет назад некоторые гении эпохи Ренессанса вновь смогли заметить «единство природы», однако недостаток знаний привел современную науку к высокой специализации и созданию слабо связанных между собой научных дисциплин. Только сейчас человечество вновь получает возможность объединить различные науки и получить последовательные причинно-следственные связи процессов во всем диапазоне изучаемых явлений, от наномасштабных до макроскопических. Такой подход возвращает нас к идеалу Ренессанса и позволяет развить его.
3. Ускоренное развитие и масштабы изменений ключевых технологий настоятельно диктуют необходимость быстрой выработки нового подхода, особенно с учетом появления множества новых процессов, материалов и продуктов. В четырех основных направлениях, объединенных аббревиатурой NBIC (nano-, bio-, info- и cogno) можно предсказать следующую смену научных парадигм:
• В настоящее время нанотехнологические разработки находятся в переходной стадии от чисто научных исследований к выработке систематического подхода и созданию новых промышленных процессов. Следующим этапом их развития должно стать развитие крупномасштабных коммерческих производств.
• Основными направлениями развития биотехнологий стали молекулярная медицина, наносистемная техника, фармацевтическая геномика и производство биоматериалов. Все эти направления достаточно легко могут быть интегрированы в рамках единого подхода, что может привести к созданию единой технологии с прекрасными перспективами развития и коммерческого производства.
• Информационные технологии сейчас переживают период бурного развития, связанного с миниатюризацией устройств и повышением их быстродействия. Дальнейшее развитие в этом направлении связано с созданием новых архитектур, трехмерным дизайном устройств и повышением их функциональных возможностей, что может быть обеспечено, в первую очередь, использованием биологических систем и подходов, а также так называемой технологии «переработки знаний» (knowledge-based technologies). По понятным причинам особое внимание исследователей сейчас привлекает анализ поведения очень больших и сложных систем с иерархическим внутренним устройством.
• Когнитивные науки по определению нацелены на описание и объяснение работы мозга, сознания и закономерностей человеческого поведения на основе элементарных физических, химических и биологических процессов, происходящих на уровне нейронов, а затем каким-то образом приводящих к целенаправленному, системному поведению. В этом направлении очень интересны исследования по созданию смешанных систем (человек-компьютер) и изучению их эволюции. Кроме того, во многих социальных науках представляют важность работы по изучению общественных структур, описываемых упомянутыми большими и сложными системами с иерархическим внутренним устройством.
4. Процесс конвергенции наук в рамках концепции NBIC является настолько важным и значительным, что любые программы и разработки в этой области должны тщательно контролироваться. Решения и действия должны осуществляться с некоторой долей осторожности (любым действиям должно предшествовать внимательное изучение), осмотрительности, подробного обсуждения (решения должны приниматься на основе логически взвешенных и демократических процедур) и предусмотрительности (исследователи должны постоянно помнить о возможности нежелательных и опасных последствий).
5. Развитие науки и технологии следует рассматривать в качестве основного и главного источника общего прогресса человечества.
Для выполнения задач, сформулированных этим программным документом ООН, необходимо создать инфраструктуру, обеспечивающую развитие всех относящихся к концепции конвергенции NBIC исследований и их приложения к разным отраслям науки и производства. Например, уже сейчас можно перечислить основные задачи, связанные с реализацией концепции NBIC: развитие теории архитектуры и методов синтеза трехмерных наноструктур, а также материалов, устройств и систем на этой основе; направленная сборка атомарных и молекулярных структур; создание темплатов, матриц и шаблонов для синтеза гетерогенных наноструктур; многомерный и многомасштабный дизайн материалов и процессов; новые методы создания интегральных устройств; создание стандартных промежуточных наномасштабных «строительных блоков» и т. д. Особого внимания заслуживают проблемы физической и химической стабильности создаваемых наноструктур, а также обеспечение надежности их работы.18.1.2. Критерии прогресса
Масштабные изменения, которые ожидают общество в связи с развитием нанотехнологий, настолько значительны, что требуют выработки некоторых новых критериев и социально-экономических показателей. Появление на рынке совершенно новых продуктов, услуг, форм медицинского обслуживания и т. д. делает бессмысленными некоторые старые методы оценки состояния окружающей среды, условий жизни и т. п. Кроме того, существенные изменения в промышленности неминуемо влекут за собой соответствующие трансформации параметров и функций социальной инфраструктуры. Например, развитие нанотехнологий неизбежно должно привести к значительным изменениям системы образования и профессиональной подготовки, что потребует, в свою очередь, изменений в финансировании и т. д. Новые социально-экономические реалии потребуют новых критериев, которые должны вводится на основе более общих и единых принципов оценки (физики называют такой подход целостным, или холистическим), а возможно, даже исходя из научно-технических соображений. Например, в качестве основного параметра социального прогресса можно использовать представление об энтропии социальной системы или ее частей. Этот параметр очень удобен для оценки развития технологий и наиболее наукоемких производств. С физической точки зрения уменьшение энтропии означает повышение и совершенствование используемых методов. Например, в информационных технологиях оно соответствует меньшей диссипации энергии при передаче и обработке сигналов, в нанотехнологиях – оптимизацию использования материальных ресурсов и снижение уровня загрязнения окружающей среды, в биотехнологиях – большую стабильность производимых материалов и т. д. Новые параметры оценки социальной системы должны учитывать те важные изменения, которые развитие нанотехнологий внесет в общественную инфраструктуру, систему образования, производительность оборудования и способность общества создавать новое «знание».
18.2. Обзор состояния и перспектив промышленности
В настоящее время можно уверенно утверждать, что примерно к 2015 году осуществляемые и планируемые научно-технические разработки в области нанотехнологий приведут к весьма серьезным качественным и количественным изменениям в промышленном производстве. При этом произойдут крупномасштабные и структурные изменения во многих традиционных производствах, а также возникнут и разовьются совершенно новые отрасли промышленности, связанные с новыми научно-техническими приложениями. Развитие нанотехнологий будет определяться, по-видимому, следующими основными особенностями:
• К 2015 году уже будут функционировать коммерческие производства и целые заводы, производящие материалы и устройства на основе нанотехнологий, то есть в этих производствах размеры объектов и процессов будут контролироваться с точностью до нанометров (по крайней мере, в одном из измерений). Для традиционной кремниевой электроники это практически означает снижение размеров транзисторов основных типов до 10 нм. Такое уменьшение размеров устройств означает, что их можно будет интегрировать в схемы с биологическими структурами и т. п.
• Использование нанотехнологий в области медицины и биологии позволит в те же сроки разработать новые методы диагностики и лечения многих хронических и тяжелых заболеваний. Предполагается, что к 2015 году будут созданы датчики, позволяющие надежно регистрировать появление в организме злокачественных образований на самой ранней стадии, что позволит значительно повысить эффективность лечения и заметным образом снизить показатели смертности от раковых болезней.
• В соответствии с упомянутой выше концепцией NBIC удет происходить дальнейшая интеграция наук и технологий, что создаст широкие возможности для внедрения нанотехнологий и их слияния с традиционными методами биологии, электроники, медицины и т. п. В медицине и биотехнологии широкое распространение получат разнообразные нанобиосистемы, которые станут основным средством не только исследования состояния организма, но и самого процесса лечения. При разработке новых материалов и приборов исследователи будут уделять основное внимание увеличению сроков эксплуатации и обеспечению их биосовместимости с тканями организма.