Одна из наиболее важных задач нанотехнологии и наноробототехники – создание робота размерами с бактерию или меньше, способного «строить» из атомов различные объекты, предварительно заданные человеком, а также строить самого себя из тех же атомов – т.е. «размножаться» (реплицироваться), как это делают настоящие бактерии. Эрик Дрекслер, пионер нанотехнологии, назвал подобные машины «ассемблерами», т.е. сборщиками. Соответственно, подобный робот должен быть изготовлен из частей с атомарной точностью. Сделать это можно будет с помощью управляемого механосинтеза – формирования химических связей за счет механического приближения электронных оболочек атомов друг к другу.

Самореплицирующаяся структура – это такая структура, которая может производить собственные копии, построенные из того же материала, что и сам репликатор (см. рис. 1). Если не разработать технологию самореплицирующихся структур, молекулярное производство ограничится только микроскопическими продуктами. Поэтому для применения нанотехнологии в конструировании макроскопических продуктов необходимо наличие технологии создания и управления реплицирующимися структурами.

Фундаментом теории самореплицирующихся структур является теория фон Неймана, написанная в 1940 году. Природа использует репликаторы повсеместно – как в клеточной машинерии клетки, так и при репликации живых организмов. Давно созданы компьютерные программы, способные к репликации, одни из них, в особенности «вирусные» программы, ведут себя подобно настоящим вирусам. Поэтому нет причин полагать, что самовоспроизводящиеся структуры создать невозможно.

Рис 1. Репликаторы – представление художников

Для того чтобы понять, как репликаторы могут из нескольких роботов микронных размеров превратиться в орбитальные комплексы, необходимо обратиться к простой математике. Опираясь на модель фон Неймана, можно сделать ряд интересных выводов о самореплицирующихся структурах (далее – репликаторах). Если представить себе подобный репликатор как «конструктора», то при изготовлении третьего репликатора двумя другими репликаторами процесс репликации будет вдвое быстрее. Далее, увеличивая количество репликаторов и специализируя их, получим сложную систему, репликация которой будет гораздо быстрей, чем в системе из обычных репликаторов.

Репликаторы могут быть простые и сложные. Простая система состоит из руки робота и контроллера, который обрабатывает входящие сигналы (Ральф Меркле, 1996). Другая – более сложная – состоит из приблизительно 100 молекулярных «заводов», производящих части наномашин (редукторы, моторы, дифференциалы, подшипники, и др.). Архитектура такого репликатора предполагает наличие транспортировочных конвейеров и манипуляторов для крупноузловой сборки.

Наноманипулятор, описанный Эриком Дрекслером, состоит из 4×106 атомов без приводящих моторов и базы (см. рис. 2). Пусть с добавлением контроллера движения и вспомогательных механизмов простой репликатор будет состоять из 1×107 атомов. Пусть, далее, манипулятору необходимо 1×104 шагов для размещения атома, включая время смены инструмента.

Рис. 2 Наноманипулятор Эрика Дрекслера

Пусть манипулятор работает со скоростью 1×106 шагов в секунду. Тогда такой простой системе необходимо 1×1011 шагов для того, чтобы собрать свою копию. Это займет 1×105 секунд или около 28 часов. Для производства макроскопических объектов необходимо выполнять 1×1020 операций (размещения атомов, перемещения узлов и т.д.) в секунду. Для этого необходима популяция репликаторов в количестве 1×1018 (каждый в отдельности работает со скоростью 1×102 шагов в секунду). Для производства такого количества репликаторов необходимо 60 генераций, что займет около 69 дней.

Если теперь поставить целью построение большого репликатора, то одним простым репликатором это будет выполнено за 600 лет (при его скорости 1×102 шагов в секунду). Большой репликатор будет содержать внутри заводы по производству меньших репликаторов и частей к ним. Если строить сложную систему большим количеством репликаторов, то на это необходимо 472 часа для создания 131072 простых репликаторов и, далее, 42 часа для сборки сложной системы. Задача построения такого репликатора сложна и невозможна без наличия беспроводных систем управления и мощных компьютеров, способных точно управлять большим количеством автономных роботов.

Эрик Дрекслер в «Машинах Создания» описал систему репликаторов, вышедшую из-под контроля. Он назвал эту техногенную катастрофу «серой слизью». Представьте себе, что алмазоидные нанороботы из-за ошибки в программе стали разбирать всё вокруг себя на атомы, из которых они тут же собирают собственные копии. Так за два года (используя модель фон Неймана) вся биосфера Земли может превратиться в месиво, состоящее из одних нанороботов. Это, конечно, очень страшно. Тем более что этот процесс практически невозможно будет остановить. Подобный сценарий описал Майкл Крайчтон в последней книге «Молитесь». Сам принц Чарльз испугался подобной перспективы и пытался наложить вето на развитие нанотехнологий в Великобритании. Из-за чего страна в последние годы заметно отстала от США, Китая, Японии и Европы. За рубежом NASA совместно с несколькими исследовательскими лабораториями провели исследования, которые доказали: репликатора можно построить! При этом он будет не сложнее, чем процессор Pentium IV (см. рис. 3)! Но та же команда доказала, что построить систему репликаторов, разрушающих все на своем пути, достаточно трудно – ее надо специально спроектировать. По ошибке никакая репликативная система не сможет привести к катастрофе.

Рис.3 Нанороботы, работающие совместно

Наноробототехника и репликаторы в космической отрасли могут помочь в создании сверхмалых кибернетических летательных аппаратов, которые можно будет использовать в качестве зондов. Также, вероятно, станет возможным построение автономных орбитальных комплексов на основе самореплицирующихся структур (см. рис.4).

Рис.4 Космическая капсула-робот POD, описанная Артуром Кларком –
он хоть и «макро», но без нанотехнологий тоже не обойдется

На сегодняшний день NASA интересует создание автономных кибернетических устройств, способных к репликации для освоения Луны и Марса. Специалисты считают также, что создание сверхмалых автономных космических устройств откроет новое направление в освоении космоса и солнечной системы.

Дальнейшие работы ученых будут направлены на создание безопасных и управляемых систем репликации.

Автор Свидиненко Юрий