Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Каждый ротор имеет “гнезда” по окружности, конфигури рованные под определенные молекулы. Находясь в окружении молекул, “гнезда” селективно захватывают только заданные молекулы и удерживают их до тех пор, пока молекула не ока жется внутри устройства. От “гнезда” ее отсоединяет стержень, расположенный внутри ротора. Такие роторы могут быть спро ектированы из 105 атомов и иметь размеры порядка (7х14х14 нм) при массе 2х10 21 кг. Они смогут сортировать молекулы, сос тоящие из 20 и менее атомов, со скоростью 106 молекул/сек при энергозатратах в 10 22 Дж на 1 молекулу. МСР позволяет созда вать давление в 30 000 атмосфер, потребляя 10 19 Дж.

Рис 118 Молекулярный сортирующий ротор

Роторы полностью обратимы и поэтому могут быть исполь зованы как для нагнетания, так и для выгрузки молекул газов, воды и глюкозы. Каждый ротор имеет 12 “гнезд” для присоеди нения молекул, расположенных по длине окружности ротора. МСР позволят нагнетать в резервуары химически чистые веще ства, в которых не будет ни одной чужеродной молекулы.

Присоединительные “гнезда” роторов имеют специфичес кую структуру и будут производиться путем конструирования их атом за атомом по примеру строения активных центров не которых ферментов. Так, фермент гексокиназа имеет присое динительные “гнезда” для глюкозы.

198

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Ральф Меркле, исследователь из компании Xerox и коллега Эрика Дрекслера, предполагает, что для большинства “присоединительных гнезд” для молекул, вытянутых в длину и имею щих линейную структуру, можно использовать нанотрубки. Ральф рассчитал, какого диаметра должны быть нанотрубки для различных моле кул. Выглядеть такой рецептор может так, как показано на рисунке 119.

А Роберт Фрайтас предлагает ряд “механических” рецепто ров для сортировки молекул. Они имеют разное исполнение, но смысл один и тот же: рецептор, по сигналу с компьютера, автоматически принимает форму искомой молекулы.

Рис 120 Сортирующие рецепторы Фрайтаса

Интеграция в одном устройстве МЭМС, электроники и чувствительных наноэлементов породило огромное многооб разие интереснейших научных проектов, многие из которых уже воплощаются в жизнь, а часть пока что находится в стадии разработки. Рассмотрим некоторые из них.

Проект “Умная пыль”

В романе известного фантаста Станислава Лема «Непобе димый» грозным оружием будущего были не громоздкие кос мические крейсеры или танки, а микроскопические частички кремния. По отдельности эти песчинки представляли собой бе зобидный кварцевый песок, но, объединяясь в пылевые тучи, превращались в мощное оружие.

Благодаря развитию МЭМС предсказания фантаста стано вятся реальностью. В 1998 году американские ученые из воен ного агентства DARPA выдвинули концепцию “умной пыли” (smart dust). Суть ее заключается в том, чтобы разбрасывать с самолетов над зоной боевых действий тысячи крошечных сен соров радиопередатчиков, которые незаметно для противника

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

станут отслеживать все его перемещения и действия. Предпола галось также, что простые по отдельности сенсоры будут само организовываться в сложную, наделенную искусственным ин теллектом сеть, которая сможет производить фильтрацию и первичную обработку собранных данных, дабы переправлять командованию лишь существенную информацию.

Одной из самых плодотворных разработок в этом направле нии стал совместный проект Калифорнийского университета в Беркли и корпорации Intel, в рамках которого созданы умные сенсоры Motes (в переводе с англ. – “пылинки”). Что же предс тавляют собой эти “пылинки”? Это миниатюрные чувствитель ные приборы размером с таблетку аспирина, способные авто номно работать в любых условиях и с помощью радиоволн объ единяться в локальные сети для передачи собранной информа ции центральному компьютеру.

Исследователи изготовили несколько сотен эксперимен тальных “умных пылинок”. Все “пылинки” снабжены сенсора ми и радиопередатчиками, передающими сигнал по цепочке от одного робота к другому. Поскольку объем памяти “пылинки” составляет лишь несколько килобайт, то для их совместной ра боты разработали специфическую “крошечную” операцион ную систему TinyOS, оперирующую файлами размером поряд ка 200 байт, и соответствующую систему баз данных TinyDB, проводящую внутрисетевую обработку данных. Стоит отме тить, что при этом они отличаются достаточно долгим сроком службы – их батареек хватает на несколько лет! Секрет такой долговременной работы “пылинок” заключается в том, что они включаются лишь на короткое время: делают замеры, передают сигнал – и снова “засыпают”.

Что же касается принципов самоорганизации сети, то в ее основу положена логическая система простых “локальных пра вил”. Когда на местности развернуты тысячи сенсоров и шлю зов маршрутизаторов, то простое правило для каждого сенсора гласит: “Установить связь с ближайшим шлюзом”. Следова тельно, все сенсоры автоматически группируются вокруг бли жайших шлюзов.

Первые испытания “умной пыли” проводились в марте 2001 года на военной базе в Калифорнии. Тогда с самолета бы ло сброшено шесть “умных пылинок”. Попадав на землю, они

200

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

тут же объединились в беспроводную сеть и приступили к изме рению напряженности магнитного поля вокруг себя. А после того как мимо проехала машина, принялись рассчитывать ее скорость и определять направление движения, сообщая эти данные переносному компьютеру, находящемуся в ближайшем лагере.

Области применения “умной пыли”:

Благодаря таким качествам, как беспроводность, автоном ность, миниатюрность, множественность, надежность и отно сительно низкая стоимость, “умная пыль” уже стремительно находит применение в повседневной человеческой жизни. По мимо военных и полицейских приложений, самоорганизующи еся сенсорные сети могут использоваться и в мирных целях — от наблюдения за окружающей средой до присмотра за пожи лыми людьми. Приведем лишь несколько примеров использо вания “умной пыли”, давшего высокие положительные резуль таты.

Каждое лето остров Дикой Утки в двенадцати милях от бе регов штата Мэн подвергается массовому нашествию морских птиц, собирающихся здесь для выведения потомства. Чтобы выяснить, сколько птенцов они высиживают и какие условия для этого требуются, орнитологу Джону Андерсону приходи лось каждый сезон обследовать тысячи норок, выбиваясь из сил и нарушая покой птиц. После того как два года назад Ан дерсон и его группа разбросали по острову сеть “умных пыли нок” и подключили питающуюся от солнечной батареи базо вую станцию к Интернету, их жизнь и работа коренным обра зом изменились. “Вы можете находиться в любой точке мира, – восхищается Андерсон, – и знать, что в данный момент проис ходит в любой из норок, куда мы подбросили наши маленькие

инезаметные сенсоры”.

Впрошлом году биолог университета Калифорнии в Берк ли Тодд Доусон развернул в местном ботаническом саду сеть из 80 миниатюрных приборов производства корпорации Intel и получил первую в мире трехмерную картину изменений мик роклимата в вечнозеленом лесу. Аналогичный, но более масш табный проект по исследованию экосистем осуществляет сей час с помощью тех же малышек лос анджелесский университет Калифорнии в лесном заповеднике около города Palm Springs.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Другие исследователи испытывают «motes» в качестве сред ства для моделирования последствий землетрясений, монито ринга движения транспорта в военных зонах, использования во ды в сельскохозяйственных угодьях, получения информации о состоянии зданий, дорог, загрязнении водоемов – этот перечень можно продолжать до бесконечности. В частности, это будет очень важно для тех «motes», которые будут использоваться в го родах для обнаружения признаков нападения биотеррористов.

Одним из обоснованных опасений являются сомнения по поводу правомочности данной технологии. Помимо позитив ных применений, “умная пыль” может играть роль и незамет ного подслушивающего устройства (особенно если учесть сов ременные темпы минитюаризации электроники), что дает ее обладателям большие возможности для вторжения в личную жизнь граждан. А по мере ее распространения вероятность зло употреблений полученной информацией может только расти. Но поскольку остановить научно технический прогресс еще не удавалось, это, по видимому, должно привести к совершен ствованию законов с учетом появившихся новых технических возможностей покушения на неприкосновенность личности.

Проект “Электронный нос”

Представьте, что вы после продолжительной вечерней про гулки заходите в дом, где печется яблочный пирог. С первой же секунды ваш нос, почуяв и распознав аппетитный аромат, сооб щит об этом вашему мозгу.

Как это происходит? Дело в том, что практически любое химическое вещество издает специфический запах. Попадая в нос, молекулы этого вещества, присутствующие в воздухе в не больших концентрациях, раздражают соответствующие рецеп торы, передающие в мозг информацию о наличии в воздухе оп ределенных веществ посредством нейронной сети.

Известно, что чувствительность носа у людей сильно раз личается. Профессиональные дегустаторы парфюмерии обла дают уникальным “нюхательным” даром и превосходят в этом обладателей обычных носов. Специально натренированные со баки ищейки способны “вынюхивать” определенные виды наркотических или взрывоопасных веществ. Но ни одна собака не в состоянии уловить запах человека в помещении, где силь

202