Молекулярный ассемблер — одна из наиболее интригующих задач нанотехнологии, открывающая доступ ко всему богатству ее возможностей. Начиная с 1970-х идея программируемой сборки структур с атомарной точностью постепенно прокладывает себе путь. Основополагающие в этой области документы Technology Roadmap for Productive Nanosystems и Nanofactory Technical Challenges видят ключ к созданию ассемблера в дальнейшем развитии органического синтеза и зондовых нанотехнологий.

В этой заметке я попытался с позиций сегодняшнего дня осмыслить возможные этапы создания и применения ассемблера. Если эта тема вызовет у читателей интерес, то я буду рад обсудить ее более подробно в комментариях и последующих статьях. Возможно, при этом удастся выработать перспективные идеи или вдохновить кого-то на эксперименты и исследования в этой важной и перспективной области.

Мастерская на чипе

Классические сканирующие зондовые микроскопы продемонстрировали возможность манипулирования атомами и молекулами, но параллельная работа уже двух зондов представляет сложную техническую проблему. Тогда как, для сборки ассемблера – сложного молекулярного робота – нужен, конечно, не один и не два наноинструмента, а целая нано-мастерская. Такая, в которой будет возможность многократно применять в любом порядке разные инструменты к разным материалам и к другим инструментам. Это позволит, начиная с весьма скудного набора инструментов, создавать с их помощью новые инструменты, приспособления и станки. Постепенно технологически развивать «мастерскую», и шаг за шагом наращивать «наностаночный парк» вплоть до создания сборочные наностанков с ЧПУ, то есть – ассемблеров.

Очевидно, это должно происходить «на чипе» (для связи с макромиром) с запасом заранее синтезированных нано-частей, с охлаждением и глубоким вакуумом и многими другими специфическими для данной задачи особенностями. Я думаю описать свое видение одного из вариантов установки, обеспечивающей эти возможности (и доступной по технологиям сегодняшнего дня), в отдельной заметке.

Технологическую стратегию развития нано-мастерской и рациональный порядок изготовления приспособлений, деталей и инструментов, определяет, конечно, конструкция ассемблера I поколения . Этот ассемблер может иметь компоновку платформы Стюарта, прямоугольной координатной машины или какую-либо еще — чем больше будет проработанных вариантов, тем лучше. Однако, от нее практически не зависит базовый набор наноизделий, которые нужно научиться собирать (будь то из атомов или заранее синтезированных компонентов) и соединять между собой:

1. Различные молекулы – наноинструменты (например из набора Фрайтаса-Меркле)
2. Жесткие диэлектрические конструкции (видимо, алмазоподобные)
3. Жесткое вращательное соединение с малым трением (подшипник)
4. Проводники (скажем, полисопряженные цепочки)
5. Электропривод (неважно, линейный или поворотный, шаговый или нет)
6. Гибкое электропроводное соединение (к движущимся частям)
7. Датчик положения (например, туннельный)

Примерно в таком же порядке возможно и их технологическое освоение. Управляемый (макроскопическим пьезоприводом) молекулярный инструмент, позволяющий собирать монолиты (тоже, тема для отдельной заметки), может изготовить очень острые наконечники для зондов установки. Следующая по сложности и важности задача — изготовить на одном из зондов электроуправляемый захват для манипулирования нанообъектами. Затем — захват с возможностью поворота, датчиком состояния и возможностью брать инструменты. Следующим шагом уже может быть платформа Стюарта. Но это, будет, конечно, еще не финал, а только начало.

Пока изделия единичны, их нет смысла извлекать из установки — они почти гарантированно потеряются прежде чем смогут достигнуть какой-нибудь другой лаборатории. Тем более, доступ воздуха и температуры в рабочую зону пока еще может попросту сдуть или окислить плоды кропотливого труда. В сборке первых ассемблеров многое может зависеть от удачи, и потому результативность повторных попыток может быть весьма разной. С другой стороны, установка не выглядит дешевой, поэтому параллельные массовые попытки создания ассемблеров хоть и желательны, но малореальны.

Ассемблер-I

Можно представить себе ассемблер I поколения в виде четырех платформ Стюарта с независимым приводом, образующих как бы квадрат. Одна служит для удержания строящегося изделия. Другая — рабочая, строит изделие. Третья — обеспечивает зарядку инструментов рабочей атомами. Четвертая — постоянно сканирует процесс сборки в режиме атомно-силового микроскопа. Внизу расположены ячейки с инструментами, а сырьем служит, скажем, молекула какого-нибудь полимера или просто окружающая местность (например, графит). Сверху готовое изделие передается ранее собранному нанозахвату. Очевидной задачей ассемблеров I поколения можно считать изготовление разнообразных вариантов асссемблеров II поколения.

Ассемблер-II

Если конструкция первых ассемблеров формируется по принципу «хоть что нибудь работающее из того что было», то в последующих поколениях функциональность все более превалирует над простотой сборки. Теперь станут доступны изогнутые, напряженные, многоэлементные структуры — такие, как на картинках Дрекслера.

Фактически, в совершенствовании конструкций, тут может пройти не одно поколение ассемблеров, а много. Но все они по-прежнему, мало автоматизированы — управление ассемблером может выглядеть не проще, чем управление макроскопическим заводом или космическим кораблем. Параллельная работа нескольких таких устройств потребует параллельной работы нескольких коллективов операторов и множества нанопроводников для коммуникации. Предложенная Zyvex широковещательная передача одинаковых команд (broadcast architecture) требует малореальной на данном этапе идентичности конструкций и состояний всех ассемблеров. Поэтому естественной следующей задачей является автоматизация на наноуровне.

Нанокомпьютер

С помощью ассемблеров II поколения и механических захватов и инструментов будет удобно строить и тестировать разнообразные варианты элементарных ячеек вычислительных и запоминающих наносистем. Конечно, нет и речи о тем, чтобы вручную собрать ассемблером сколь-нибудь приличное количество нанопроцессоров, а потом вручную собрать их нанозахватом в мощный вычислительный прибор. На этом этапе задача другая — создать контроллер ассемблера, позволяющий минимизировать его коммуникации с макромиром. То есть уйти от прямого управления приводами ассемблера с макроэлектронных устройств и от постоянной передачи на макроуровень показаний датчиков и результатов сканирования.

Ассемблер-III

Это ассемблеры со встроенными наноконтроллерами. Отправлять в ассемблер атомный чертеж детали, наверное нет смысла, потому что построение алгоритма сборки детали делается однократно — и это может делать макро компьютер. Имеет смысл загружать в контроллер ассемблера последовательность операций, своего-рода аналог G-кода, содержащую данные о типе атомов, координатах и способах их установки. Эта информация уже может быть загружена параллельно во много ассемблеров. А от них требуется только обратная связь об успешном приеме программы и сигналы готовности изделий. Потребуется и специальная инфраструктура, включающая в себя некий коммутатор, через который можно подключаться к выбранному ассемблеру или вспомогательному устройству, линии электропередач и системы снабжения сырьем.

Всё это сделает атомную сборку очень быстрой, а для небольших деталей — почти мгновенной. Это позволит изготавливать и собрать (пока вручную, нанозахватами) в различных вариантах значительно более сложные системы — ассемблеры IV поколения.

Ассемблер-IV

Представляет собой ячейку масштабируемой производственной наносистемы. Это первые ассемблеры — репликаторы, то есть машины, способные к самовоспроизводству без прямого вмешательства человека. Масштабируемость подразумевает способность расширяться за пределы экспериментальной установки, то есть стойкость к различным факторам окружающей среды. Вероятно, в каждой ячейке будет иметься внутренняя полость для молекулярной сборки-разборки с тщательно поддерживаемым абсолютным вакуумом, хранилища для разных видов атомов, компьютер, шлюзы для ввода-вывода материи и средства коммуникации с соседями. Можно представить разные варианты пространственной организации систем из таких ячеек, в том числе подвижных. Важно чтобы их компьютеры образовывали сеть, способную общаться с макрокомпьютером как единое целое. И на этом шаге производственные и вычислительные возможности системы становятся макроскопическими, а громоздкая технологическая установка — ненужной. Появляется также важная возможность автоэволюции деталей и узлов — путем массового параллельного их производства и испытания в разных условиях, и, конечно, быстрого прототипирования и обновления всей производственной наносистемы.

Нанотехнологические продукты и системы

Являются конечным продуктом молекулярной нанотехнологии. Можно представить себе различные монолитные изделия (которые производственная система автоматически строит по автоматически сгенерированной стратегии) или, что более соответствует стилю нанотехнологий, «умную материю», принимающую нужные формы и свойства путем перепрограммирования и пространственной реорганизации ячеек. Такие ячейки, умышленно проектируемые неспособными к репликации и переработке косной материи, могут быть устроены гораздо проще ячеек производственной наносистемы и могут безопасно и широко распространяться. В зависимости от среды «обитания» и назначения можно представить себе системы подобные пластилину, а также водные, воздушные, действующие в человеческом организме (медицинские и нейроинтерфейсные нанороботы), космические и т.п.

Я буду рад, если кто-нибудь предложит дополнительные идеи, или поделится своим альтернативным представлением о путях создания и использования молекулярных наноассемблеров. То, что одному кажется очевидным и даже банальным, кому-то другому может никогда и не прийти в голову.