Новейшие технологии: 4D-печать — программируемая материя

По мнению журналистов ProfiDom.com.ua, развитие технологии в перспективе несет миру новые приложения во всех областях жизни, обеспечивая беспрецедентные возможности в преобразовании цифровой информации виртуального мира в физические объекты мира материального. Это – новая технология почти на уровне магии.

Программирование материи (ПМ) — объединение науки и технологии в деле создания новых материалов, которые приобретают общее, ранее невиданное свойство — изменять во времени форму и/или свойства (плотность, модуль упругости, проводимость, цвет и т. д.), согласно заранее запрограммированному алгоритму.

На данный момент времени, разработка программируемой материи идет в двух направлениях:

• Изготовление изделий методами 4D-печати — печать заготовок на 3D-принтерах, а затем их самотрансформация под воздействием заданного фактора, например, влаги, тепла, давления, тока, ультрафиолетового света или другого источника энергии (рис. 1 и 2).
• Изготовление вокселей (дословно — объемных пикселей) на 3D-принтерах, которые могут соединяться и разъединяться для формирования более крупных программируемых структур.

Для существования огромного биоразнообразия на нашей планете достаточно 22 строительных блоков — аминокислот. Такой же подход к программированию материи имеет очень большой потенциал. Так, пиксель является элементарной единицей виртуального изображения объекта, а воксель может быть материальной единицей самого объекта в материальном мире. Оба они несут в себе некую аналогию с аминокислотой.

Элементарной единицей материи является атом, но элементарных единиц напечатанной и программируемой материи может быть намного больше и по составу, и по структуре, и по размеру. Как написали в своей новой книге Fabricated: The New World of 3D Printing Ход Липсон (Hod Lipson) и Мельба Керман (Melba Kurman): «Используя только два типа вокселей — жесткие и мягкие — можно создать самые разные материалы. Добавим к ним проводящие воксели, конденсаторы, резисторы и получим электронную плату. А включение активаторов и сенсоров уже даст нам робота».

Примеры 4D-печати

Агентство DARPA запустило программу разработки технологии программирования материи еще в 2007 году. Целью программы была разработка новых материалов и принципов их производства, наделение материалов совершенно новыми свойствами. Отчет DARPA под названием Realizing Programmable Matter представляет собой многолетний план для проектирования и построения микромасштабных роботизированных систем, которые способны превращаться в крупные военные объекты.

Примером подобных достижений является «миллимотеин» (механический белок), спроектированный и синтезированный в Массачусетском технологическом институте. Компоненты миллиметрового размера и моторизованная конструкция, созданные по аналогии с белками, позволили разработать систему, которая может самостоятельно складываться в сложную форму.

Группа из Корнельского университета, также, разработала самореплицирующуюся и самостоятельно реконфигурирующуюся роботизированную систему. Позже, были построены системы микророботов (M-блоков), в которых отдельные М-блоки имеют способность самостоятельно передвигаться и перестраиваться внутри системы.

Еще одна технология 4D-печати предполагает непосредственное включение («впечатывание») проводников или проводящих частей во время печати задания в 3D. После того как объект напечатан, части могут быть активированы с помощью внешнего сигнала, чтобы запустить устройство в целом. Это подход с большим потенциалом в таких областях, как робототехника, строительство и изготовление мебели.

Другие 4D-технологии заключаются в использовании композитных материалов, которые способны приобретать различные сложные формы на основе разнообразия физико-механических свойств. Трансформация запускается потоком тепла или светом определенной длины волны.

Встраивание датчиков в напечатанные 3D-устройства, также, имеет большие перспективы. Путем вставки наноматериалов, можно создать многофункциональные нанокомпозиты, которые способны изменять свойства, в соответствии с изменением окружающей среды. Например, датчики могут быть встроены в медицинские измерительные приборы — тонометры (для измерения артериального давления), глюкометры (для измерения уровня сахара в крови) и т.д.

Запрограммированный и напечатанный мир будущего

Но, даже, все эти перечисленные примеры уже относятся ко вчерашнему дню технологий. Усложнение отдельных узлов, использование альтернативных наноматериалов и сырья, а также различных источников активации (вода, тепло, свет и т. д.) — это уже пройденный этап.

Представьте себе мир, в котором материальные объекты — от крыльев самолета до мебели и зданий — могут менять форму или свойства по команде человека или запрограммированной реакции на изменение внешних условий, таких как температура, давление или ветер, дождь. В таком мире отпадает потребность в новом сырье — заготовке древесины, выплавке металлов, добыче угля и нефти. У производства будущего не будет отходов, не нужно заботиться о переработке пластика или сборе металлолома.

Новые материалы самопроизвольно или по команде будут распадаться на программируемые частицы или компоненты, которые затем можно повторно использовать для формирования новых объектов и выполнения новых функций.

Долгосрочный потенциал программируемой материи и технологии 4D-печати заложен в создании экологически более устойчивого мира, в котором меньше ресурсов потребуется для обеспечения продуктами и услугами растущего населения планеты.

Одним из перспективных направлений развития 4D-печати и программирования материи является разработка под конкретный заказ наборов из нескольких вокселей различных форм и с разными функциями, а затем их программирование для еще более специализированных приложений. Теоретически можно изготавливать воксели из металла, пластика, керамики или любого другого материала. Основные принципы такой технологии аналогичны функционированию ДНК и самоорганизации биологических систем.

История изобилует примерами новых технологий, нарушающих устои мировой торговли и геополитики (например, телеграф и Интернет). 3D-печать уже оказала свое влияние, а внедрение 4D-технологий будет иметь еще большие последствия.

Программируемая материя будет иметь широкий спектр применения и в военных целях. Военная промышленность США уже разрабатывает 3D-печать запчастей в полевых условиях, а также проектирует более дешевое, удобное и легкое «напечатанное оружие». Становятся ненужными транспортировка и хранения тысяч запчастей рядом с полем боя или на боевых судах. Достаточно «ведра вокселей», чтобы изготовить вышедшую из строя деталь, более того, на изготовление новых деталей можно будет пускать ненужные в данный момент объекты, ведь они сделаны из стандартных вокселей.

Итогом видится самотрансформирующийся на наноуровне робот, реализация которого настолько близка, что Терминатор уже не выглядит фантастикой.

Однако на пути к такому радужному будущему предстоит ответить на ряд вопросов:

• Проектирование

Как программировать САПР для работы с программируемой материей, которая включает многомасштабные, многоэлементные компоненты, но самое главное — статические и динамические части?

• Разработка новых материалов

Как создать материалы с многофункциональными свойствами и встроенными логическими возможностями?

• Соединение вокселей

Как гарантировать надежность воксельных соединений? Она может быть сравнима с прочностью традиционных изделий, при этом позволяя реконфигурацию или вторичную переработку после использования?

• Источники энергии

Какие методы использовать для генерации энергии в источниках, которые должны быть одновременно пассивными и очень мощными? Как хранить и использовать эту энергию для активации отдельных вокселей и всего программируемого материала изделия?

• Электроника

Как эффективно встроить электронное управление или создать управляемые свойства самой материи в нанометровом масштабе?

• Программирование

Как программировать и работать с отдельными вокселями — цифровыми и физическими? Как программировать изменение состояний?

• Стандартизация и сертификация

Нужно ли разрабатывать специальные стандарты для вокселей изделий из ПМ?

• Безопасность

Как гарантировать безопасность деталей и изделий из ПМ?

Прим. ред. – если все обстоит именно так, то мы стоим на пороге абсолютно новой эпохи, которая несет в себе целый комплекс новых угроз и рисков, совершенно неизвестных всему предыдущему опыту человеческой цивилизации

Об этом ProfiDom.com.ua расскажет в следующей публикации

ProfiDom.com.ua 

(Окончание следует)