авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 ||

«Нанотехнологии в России и мире. Сегодняшние черты нового технологического уклада Книга подготовлена в рамках государственного контракта № 16.647.12.2038 от 4 ...»

-- [ Страница 7 ] --

Научно развитые страны стоят перед целым комплексом проблем. Об щие для этих стран основные приоритеты, такие как ускорение экономиче ского развития и расширение международной торговли, имеют различные исходные предпосылки. Так, например, Индия и Китай обладают крупным, постоянно растущим населением. Этим странам для поддержки устойчивого экономического роста жизненно важно обеспечить питание населения и обеспечить его рабочими местами. Россия и Польша заселены гораздо менее плотно, но и для них вопросы обеспечения устойчивого экономического рос та являются одной из первоочередных задач. За десятилетия после развала Советского Союза Россия столкнулась с целым рядом серьезных экономиче ских проблем. Хотя население России уменьшается в абсолютном исчисле нии, в стране довольно высока безработица. Массовый выезд за рубеж рус ских ученых, врачей и других квалифицированных работников, начавшийся в начале 1990-х годов, значительно ослабил институционный и кадровый по тенциал России в науке, здравоохранении и сфере управления. Ситуация в Польше несколько иная: так как Польша недавно стала членом Европейского союза, ей необходимо срочно подтянуть свою экономику до стандартов ЕС.

В Китае и Индии значительная часть населения проживает на селе и характеризуется довольно низким уровнем благосостояния. Уровень разви тия сельского хозяйства этих стран ненамного опережает уровень научно развивающихся и научно-отсталых стран. Быстрый экономический рост в ос новном происходит в крупных городах, а городское и сельское население значительно отличаются по уровню доходов, образованию и обеспеченности медицинской помощью. Этот разрыв между городским и сельским населени ем особенно выражен в Китае. Соответственно, для обоих этих государств приоритеты развития сельского хозяйства и снижения бедности на селе зна чительно более важны, чем для России и Польши, хотя и они в качестве главных национальных интересов ставят всесторонне развитие экономиче ской мощи.

Среди наиболее важных задач для научно-развитых стран также стоят более экономное использование ресурсов и охрана окружающей среды. Та кие важные ресурсы, как чистая вода и пахотные земли с каждым днем со кращаются: это связано с эрозией почв, промышленными загрязнениями и ростом площадей под городские застройки. Кроме того, страны этой группы достигли такого уровня развития, когда их население становится крайне оза бочено высокой ценой, которые он платят за разрушение и загрязнение ок ружающей среды.

Для стран научно-развитой группы одними из первоочередных задач становятся недостатки в определенных районах в чистой воде и электроэнер гии, низкие санитарные нормы и недостаточная обеспеченность здравоохра нением. Недостатки в здравоохранении этих стран во многом сходны с тако выми у научно-развивающихся и отсталых стран. Значительную угрозу пред ставляют собой возможные внезапные вспышки инфекционных заболеваний.

В этих странах детская смертность выше международных стандартов, а сред няя продолжительность жизни – ниже. Конечно, страны данной группы дос тигают такого уровня развития, когда они могут уделять значительно больше внимания повышению уровня индивидуального здоровья своих граждан.

Страны этой группы также весьма озабочены развитием своих воору женных сил и передовыми разработками военной техники. Например, перед Польшей стоит проблема модернизации своих вооруженных сил для приве дения их в соответствие со стандартами своих вновь обретенных партнеров по ЕС. Россия стремится сохранить свой статус мировой военной державы.

Поддержание внутренней и частной безопасности также является одним из приоритетов для данных стран. Так Россия сталкивается с такими проблема ми, как рост организованной преступности и вооруженной оппозиции в Чеч не.

Научно-развитые страны, так же как и научно-развивающиеся и отста лые страны, для устойчивого экономического роста нуждаются в широком внедрении потребления дешевой солнечной энергии, развития беспроводных коммуникаций в сельской местности, системах биологического экспресс тестирования, маркировке продукции микрочипами. Кроме того, эти страны будут способны применять у себя методы квантового шифрования, которые обеспечат надежность и безопасность обмена информацией. Эти последние практические разработки особенно привлекательны для банковско финансовых организаций. Так же, как и в развивающихся и отсталых стра нах, в научно-развитых странах для развития сельского хозяйства приоритет ным будет использование дешевой солнечной энергии, беспроводных ком муникаций, генетически модифицированных культур, фильтров и катализа торов, и дешевых автономных жилищ.

Для повышения уровня здравоохранения в данной группе смогут ис пользоваться те же направления технологий, что и в научно-развивающихся и научно-отсталых странах: дешевая солнечная энергия, беспроводные ком муникации, генетически-модифицированные продукты питания, фильтры и катализаторы, экспресс-биопробы, дешевые автономные жилища, и экологи чески чистое производство. Кроме того, данные страны смогут применять у себя системы адресной доставки лекарств, которые получат распространение, в частности, в борьбе с раком. Эти страны также смогут широко использо вать разработки, направленные на сохранение окружающей среды и эконо мию природных ресурсов: дешевую солнечную энергию, беспроводные ком муникации, генетически-модифицированные продукты питания, фильтры и катализаторы, экологически чистое производство, и гибридные транспортные средства.

Повышение уровня здравоохранения за счет использования разработок дешевой солнечной энергии, беспроводных коммуникаций, генетически мо дифицированных культур, экспресс-биоанализов, фильтров и катализаторов, и экологически чистого производства, также скажется на уровне индивиду ального здоровья населения. Системы направленной доставки лекарств смо гут существенно снизить повреждения здоровых тканей при лечении, и по высить процент благоприятных исходов лечения. Улучшение диагностики и хирургических методов лечения сделают диагнозы более точными, а хирур гичесие процедуры более эффективными.

Беспроводные коммуникации, экспресс-биоанализы, фильтры и ката лизаторы, дешевые автономные жилища, микрочиповая маркировка продук ции и квантовое шифрование информации также позволят научно-развитым странам модернизировать свои вооруженные силы и военную технику. Бес проводные коммуникации улучшат процессы управляемости войсками. Экс пресс-биоанализы позволят военным медикам быстрее и точнее определять боевые патогенны в окружающей среде. Фильтры и катализаторы позволят быстрее и эффективнее проводить процедуры биологического и химического обеззараживания. Дешевые автономные жилища позволят мобильно разме щать большие воинские контингенты, а маркировка микрочипами позволит точно определять месторасположение личного состава, участвующего в бое вых операциях. Квантовое шифрование повысит защищенность тактических линий связи.

Все эти прикладные разработки смогут повысить и уровень внутренней безопасности. Квантовое шифрование защитит сетевую информацию от ха керских атак. Кроме того, разработки систем направленной доставки ле карств могут иметь большое значение при отражении атаки химическим или биологическим оружием и сведении к минимуму числа жертв среди числа населения.

С точки зрения потенциальной возможности широко использовать у себя в стране новейшие технические разработки, наиболее развитым в этом отношении является Китай, следом следуют Индия и Польша. Россия в меньшей степени способна внедрять у себя практические разработки по ос новным проблемным направлениям. В целом все упомянутые страны обла дают достаточно высоким потенциалом, чтобы практически применять науч ные разработки, направленные на развитие экономики сельского хозяйства, снижения ресурсопотребления и улучшения состояния окружающей среды.

Возможности этих стран в применении технологий, повышающих уровень здравоохранения, слегка уступают возможностям из первой группы. Из ука занных двух категорий Китай по своим возможностям приближается к груп пе научно-передовых стран, Индия слегка отстает от него. В противополож ность им Россия по своим возможностям практического применения передо вых технологий приближается к наиболее развитым представителям группы научно-развивающихся стран. Все научно-развитые страны обладают сред ними возможностями для практического применения разработок, направлен ных на улучшение индивидуального здоровья. Довольно велики и возможно сти рассматриваемых стран в деле практического применения разработок для модернизации армии и военной техники, повышения внутренней и личной безопасности. От того, насколько полно эти страны смогут использовать свои возможности по реализации технологий, зависит их экономический рост и интеграция в мировую экономику. Возможности для достижения других це лей у данных стран все же значительно ниже. Например, существует боль шой разрыв между их способностью использовать технологические новинки для развития интеграции в мировую экономику, и инноваций, предназначен ных для улучшения системы здравоохранения или ресурсосберегающих тех нологий.

Государства с наивысшим уровнем научно-технического развития од новременно находятся и на верхних ступеньках лестницы экономического развития. Основные проблемы, стоящие перед такими странами, обычно от личаются от проблем менее развитых стран, так как уже достигли опреде ленного уровня развития в решении основных задач, которые еще только предстоит решить менее развитым странам. Хотя национальные приоритеты передовых стран и могут совпадать с таковыми у развивающихся или отста лых стран, мотивации таких приоритетов значительно различаются у разных групп. Характерным примером может быть такой приоритет, как развитие экономики и международной торговли. Нации рассматриваемой группы уже являются мировыми экономическими лидерами, проблемы для них состоят в сохранении своего лидирующего положения, а при возможности и получения дополнительных преимуществ на агрессивном мировом рынке. Так Южная Корея активно кооперируется с Китаем, который быстро набирает свой науч но-технический потенциал, и становится новой ведущей экономической си лой. США, Японии и другим экономическим сверхдержавам также необхо димо постоянно развиваться. Кроме того, в научно-передовых странах опе режающими темпами идет рост затрат на здравоохранение. Население этих стран стремительно стареет, и они вынуждены увеличивать производитель ность своих будущих рабочих сил для финансирования самых передовых ме дицинских методик.

Старение населения и высокий уровень жизни заставляют научно передовые страны включать вопросы улучшения индивидуального здоровья в одни из первых пунктов национальных программ. Задачи общего развития системы здравоохранения в этих странах также стоят на повестке дня, но их решение не так значимо. Дело в том, что эти страны и так обладают довольно развитыми системами здравоохранения, которые нуждаются лишь в незначи тельных улучшениях. Исключением может быть разве что совершенствова ние организации экстренной медицинской помощи на случай возможных стихийных бедствий и катастроф.

Себестоимость энергии в данной группе стран обычно довольно высо ка. В то же время общественное мнение весьма негативно настроено против загрязнений окружающей среды и неэффективного потребления ресурсов Соответственно, граждане научно-развитых стран чаще других наций высту пают за чистоту природы и расчетливое использование национальных при родных ресурсов. Этот фактор выдвигает указанные проблемы в число пер воочередных национальных задач.

Для некоторых стран с передовым уровнем научно-технического раз вития принципиальное значение приобретают вопросы национальной и об щественной безопасности. Когда отдельные страны сталкиваются с пробле мами терроризма, как это случилось с США 11 сентября 2001 года, или с Ис панией и Великобританией, пострадавших от взрывов поездов, вопросы контр-террористических мероприятий надолго прописываются в списках на циональных приоритетов. Общественное мнение этих стран требует ужесто чить меры внутренней безопасности. Укрепление вооруженных сил и разви тие новых систем вооружений также являются приоритетами развития для рассматриваемой группы стран, но для разных стран по разным причинам.

Так Израиль и Южная Корея имеют на своих границах потенциально враж дебные государства, а США, например, стремится сохранить свое глобальное военное превосходство.

Научно-передовые страны, так же как менее научно-технологически развитые государства, для развития своей экономики и поддержания конку рентоспособности на мировом рынке нуждаются и в таких разработках, как дешевая солнечная энергия, беспроводные коммуникации, экспресс биопробы, радиочастотные маркеры продукции, и квантовое шифрование информации.

Но в отличие от менее развитых стран страны рассматриваемой группы могут применять у себя эти технологические разработки гораздо бо лее широко: обеспечить всеобщий доступ к информации, всестороннее ис пользование датчиков и сенсоров, применять разработки тканевой инжене рии, и использовать встраиваемые в одежду микрокомпьютеры. Широкий доступ к информационным сетям открывает новые перспективы для бизнеса, расширяет возможности глобальной торговли через Интернет. Повсеместное внедрение сенсоров позволяет эффективнее отслеживать перемещение това ров, определять потребности рынка и обеспечивает большую безопасность электронных сделок. Накопление опыта в использовании сенсоров и обра ботки информации значительно расширят коммерческие возможности любой компании. Такой же эффект может дать профессиональное использование методов производства и продуктов тканевой инженерии в медицине. Носи мые микрокомпьютеры открывают новые горизонты в компьютерном секто ре экономики.

Для того чтобы повышать уровень личного здоровья своего населения научно-передовые страны также будут нуждаться в разработках для получе ния дешевой солнечной энергии, беспроводных коммуникациях, генетически измененных сельскохозяйственных культурах, экспресс-биопробах, фильтрах и катализаторах, системах направленной доставки лекарств, дешевых авто номных жилищах, экологически чистом производстве, тканевой инженерии, разработках передовых диагностических и хирургических методов. Кроме того, всеобщий и быстрый доступ к информационным сетям позволит в лю бой момент получать информацию о состоянии здоровья каждого пациента, где бы он в это время не находился. Новые методы тканевой инженерии по зволят минимизировать осложнения при лечении, откроют новые возможно сти в лечении ран, травм и других заболеваний. Новые методы лечения смо гут позволить ранее неизлечимым больным или людям, страдающим хрони ческими заболеваниями, вновь активно участвовать в жизни общества. Но симые микрокомпьютеры позволят докторам постоянно контролировать со стояние здоровья своих пациентов. Всеобщий широкий доступ к информаци онным сетям также внесет свой вклад в повышение эффективности системы здравоохранения стран с данным уровнем развития.

Научно-передовые страны смогут использовать у себя практически все прикладные разработки, направленные на ресурсосбережение и сохранение чистоты окружающей среды: дешевую солнечную энергию, системы беспро водных коммуникаций в сельской местности, генетически модифицирован ные сельскохозяйственные культуры, фильтры и катализаторы, экологически чистое производство, и гибридные средства транспорта. Для повышения уровня национальной и общественной безопасности научно-развитые страны смогут использовать разработки в областях беспроводных коммуникаций, экспресс-биопроб, фильтров и катализаторов, систем направленной доставки лекарств, дешевых автономных жилищ, и квантового шифрования. Кроме то го, широкий доступ к информационным сетям расширит возможности обме на информацией и позволит отслеживать индивидуальную деятельность от дельных лиц. Широкое распространение сенсоров окажет неоценимую по мощь правоохранительным органам. Миниатюрные коммуникационные уст ройства вместе с носимыми микрокомпьютерами позволят персоналу посы лать сообщения и оперативно получать инструкции в случае возникновения конфликтных ситуаций.

Беспроводные коммуникации, экспресс-биопробы, фильтры и катали заторы, дешевые автономные жилища, электронные радиочастотные метки – все это можно будет использовать для укрепления и модернизации воору женных сил и систем вооружений. Кроме того, всесторонний доступ к ин формационным сетям позволит более эффективно вести военное планирова ние и проведение операций, решать вопросы логистики и военного обеспече ния. Широкое применение сенсоров откроет улучшенные возможности для тактической разведки и определения целей. Внедрение носимых микроком пьютеров значительно улучшит управляемость войсками.

Какие бы приоритеты развития не выбрали научно-передовые страны, из всех рассматриваемых групп они обладают наибольшими возможностями для практического применения самого широкого спектра передовых техно логий. В этих странах наиболее развиты движущие силы и минимальны барьеры на пути научно-технического развития, они обладают развитой ин фраструктурой и высокими физическими и людскими ресурсами.

Глобальная технологическая революция, которую мы будем наблюдать в течение ближайших 15 лет, будет обладать целым рядом характерных осо бенностей.

Нет никаких признаков того, что ускоренное технологическое развитее сможет замедлить свои темпы в ближайшие полтора десятилетия. То же ка сается тенденций к дальнейшей интеграции и слияния различных научных и технологических направлений. И действительно, большинство из 16 рассмат риваемых в нашей работе прикладных направлений развития являются пло дами интеграции как минимум трех, а некоторые и всех четырех, из основ ных научных дисциплин: биотехнологии, нанотехнологии, материаловеде ния, и информационных технологий. В основе этих тенденций лежит разви тие глобальных коммуникаций (связь через Интернет, научные конференции и публикации) и успехи в области создания новой измерительной аппаратуры (развитие и многозадачное использование сверхчувствительной и избира тельной аппаратуры).

В последующие 15 лет способности различных стран к использованию плодов научно-технического прогресса будут существенно различаться. Эти различия будут проходить по множеству параметров: по уровню развития го сударственных институтов, по человеческим ресурсам, по движущим силам и барьерам на пути применения новых технологий. Соответственно, и глобаль ная технологическая революция по-разному отразится на жизни различных стран.

Научно-передовые страны Северной Америки, Западной Европы, Азии и Австралия, по-видимому, смогут практически применять у себя технологи ческие новинки по всем 16 обозначенным в нашей работе технологическим направлениям. Для решения встающих перед ними проблем эти страны смо гут обозначать соответствующие приоритеты в своих программах нацио нального развития.

Такие страны, как Китай и Индия в Азии, Бразилия и Чили в Южной Америке смогут использовать технологические инновации для поддержки своего экономического роста и улучшения благосостояния своих народов, если они смогут преодолеть специфические барьеры на пути практического внедрения научных изобретений. Новые зарождающиеся технологические супердержавы – Китай и Индия – имеют наибольшие шансы приблизиться по уровню своего развития к научно-передовым странам мира. Научно-развитые страны Восточной Европы представлены в нашей работе Польшей. По видимому, она незначительно отстает в своем развитии от Китая и Индии. По контрасту с ней Россия, по-видимому, будет обладать гораздо меньшим по тенциалом для практического применения новых технологий: ее возможно сти практического внедрения технологических инноваций: её могут даже опередить наиболее развитые страны из научно-развивающейся группы (Бра зилия, Чили, Мексика и Турция).

Научно-отсталые страны во всем мире будут сталкиваться с многочис ленными серьезными проблемами, среди которых распространение инфекци онных и других заболеваний, отсутствие достаточного количества чистой во ды и низкие санитарные нормы, ухудшение состояния окружающей среды.

Эти страны также не будут обладать достаточным количеством ресурсов для решения встающих перед ними проблем. Исходя из этого, эти страны поста раются получить максимум выгоды из доступных им к 2020 году новых тех нологий. Однако, для того, чтобы получить хоть какую-то практическую пользу от технологических инноваций, эти страны должны будут много по работать для развития у себя соответствующей инфраструктуры, повысить свои физические возможности для проведения инноваций и поднять квали фикацию рабочей силы. В этом им может оказать поддержку иностранное спонсорство и международные программы помощи. Однако, для того чтобы воспользоваться плодами научно-технического прогресса, эти страны долж ны будут самостоятельно усовершенствовать свои системы государственного управления для достижения большей внутренней стабильности.

Ускоренное технологическое развитие и растущие экономические воз можности выдвигают вопросы экономической безопасности на одно из пер вых мест, даже для научно-передовых стран. Если любая страна хочет под держивать свои высокие передовые возможности по внедрению инноваций, ей следует постоянно заботиться о том, чтобы ее законы, общественное мне ние, инвестиции в НИОКР, и уровень образования населения были движу щими силами, а не барьерами на пути к практическому применению новых технологий. Кроме того, такие страны должны постоянно наращивать и под держивать инфраструктуры, которые дадут им конкурентные преимущества в этой гонке технологий.

Для научно-отсталых и даже части научно-развивающихся стран во просы наращивания своего технологического развития не являются перво очередными для успешного практического применения новых технологий.

Более существенные проблемы для указанных стран представляют общая не развитость государственных институтов, отсутствие развитых физических людских ресурсов, включая неэффективность действий правительств. Разви тие таких стран может осуществляться при условии устойчивого экономиче ского роста, достижения более полного социального равенства, улучшения систем здравоохранения и защиты окружающей среды, обеспечения общест венной безопасности и политической стабильности. Страны, наиболее благо получные по указанным факторам, с большей степенью вероятности смогут применять у себя новые технологии. Если наименее развитые страны хотят получать выгоду от применения новых технологий, они должны предвари тельно добиться успехов по всем указанным выше направлениям.

По мере протекания глобальной технологической революции мощные силы будут не раз менять векторы ее развития, приоритеты технологических разработок и области их применения. Несмотря на все сложности таких про гнозов, если мы научимся предсказывать суммарный эффект от таких моду лирующих сил, мы научимся предсказывать будущее. В то же время, теку щие тенденции технологического развития будут существенным образом оп ределять направления научно-технических разработок в течение ближайших 15 лет. К 2020 году многие страны в большей или меньшей степени начнут применять у себя рассмотренные в настоящей работе технологические инно вации, и эффект от их применения внесет значительные изменения в жизнь на всем земном шаре Глава 11. Конвергенция технологий Термин «Конвергентные технологии» используется в литературе для описания таких научных и технологических направлений, которые взаимно обогащают и дополнят друг друга в достижении определенной цели. Термин «конвергентные технологии» обычно относят к процессам «перекрестного оплодотворения» таких научных направлений, как нанотехнологии, биотех нологии, информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) и когнито логия. Все это вместе часто обозначают аббревиатурой NBIC (nano-, bio-, info-, cogno-). Такой процесс своеобразной параллельной эволюции наук приводит к тому, что прогресс в одной области значительно ускоряет разви тие в других областях. Прикладные разработки, получаемые в ходе такой со вместной эволюции, обещают давать колоссальные экономические преиму щества. Если быть более конкретным, то огромный потенциал обусловлен именно появлением «Конвергентных прикладных разработок», то есть таких разработок, которые получаются в результате конвергенции отдельных науч ных и технологических дисциплин, а не являются продуктом отдельных тех нологий.

Конвергентные технологии рассматриваются большинством экспертов в качестве наиболее вероятного кандидата на развитие будущей «новой тех нологической волны», которая окажет глубокое воздействие на экономиче ские и социальные аспекты жизни общества.

В последние десятилетия наблюдается значительный прогресс когни тивных исследований в вопросах изучения процессов мышления и их связи с различными структурами человеческого мозга. Успехи когнитивной невро логии в последнее время не в последнюю очередь связаны с инновационны ми технологиями получения изображений, позволяющих изучать активность различных отделов мозга и их взаимосвязи с процессами мышления.

Когнитология и информационно-коммуникационные технологии все гда находились в тесной и неразрывной связи и взаимно обогащались друг от друга. Прогресс информатики, компьютеринга, компьютерных наук в целом всегда в некотором смысле использовал результаты исследований в когнито логии. Ожидается, что в будущем ИКТ смогут использовать достижения в исследованиях процессов мышления в своих практических разработках, а также, в свою очередь, способствовать пониманию фундаментальных про цессов, происходящих в мозге и в сфере сознания.

Ожидается, что в будущем тесная взаимосвязь ИКТ и когнитологии может дать впечатляющие результаты. Уже сегодня можно выделить сле дующие области повышенного интереса:

А) Создание интерфейса мозг-машина, а также искусственных уст ройств поддержки органов чувств (например, имплантатов улитки уха или сетчатки глаза).

Б) Получение изображений мозга, в основном в связи с развитием ска нирующих устройств на основе магнитного резонанса.

В) Создание адаптированных интерфейсов человек-машина, особенно систем распознавания речи и машинной обработки естественных языков.

Г) Пприкладные разработки на основе искусственных нейронных се тей.

Д) Техники распознавания образов, которые могут внести порядок в большие неструктурированные базы данных. В более широком контексте та кие исследования включают в себя и компьютерные изображения, и, по видимому, могут вырасти в тенденцию смены машинного зрения на когни тивное видение.

Среди всех четырех определенных выше доменов конвергенции наи большее распространение получили работы с «изображениями», за ними следуют работы по «распознаванию образов», «человеко-машинным интер фейсам» и «когнитивным системам и моделям». Первые прикладные разра ботки не будут технической калькой процессов познания – они будут пы таться имитировать эти процессы, используя более упрощенные «схематиче ские гипотезы» (то есть будут «поверхностными» в отличие от «углублен ных»). Несмотря на это, диапазон разработок и их экономический потенциал просто огромны. Различные эксперты соглашаются в том, что в долгосроч ной перспективе такие прикладные разработки будут становиться все более совершенными и изощренными. Множество точек зрения на эту проблему может быть и не позволяют реалистично оценить развитие в ближайшее де сятилетие, но они свидетельствуют о том, что в данной области ожидается интенсивное развитие.

Информационно-коммуникационные технологии оказали существенное влияние на пути развития и методы работы биологических наук. Вычисли тельные методы и передовая компьютерная аппаратура стали неотъемлемой частью биологических, биохимических и биофизических исследований, и, что более важно, способствуют увеличению конвергенции между биотехно логиями и ИКТ. В частности, можно выделить две основных области в доме не конвергенции Биотех-ИКТ, а именно: (а) «Биоинформатику»10 и (б) «Вы числительную (компьютерную) биологию»11, а также два дополнительных технологических направления в домене Биотех-ИКТ, а именно: (в) техноло гии бесконтактной диагностики и мониторинга (включающие в себя био сенсоры и биомаркеры, напрямую связанные с ИКТ-технологиями), и (г) биоустройства, сочетающие в себе сенсоры и эффекторы, то есть такие мик роустройства, которые смогут работать внутри живого организма.

Кроме указанных направлений (от (а) до (г)) можно наблюдать еще ряд отдельных кластеров конвергенции: биологические компьютеры12, создание «Биоинформатика» использует различные прикладные и вычислительные сред ства и подходы для обработки и использования информации, получаемой в ходе биотех нологических исследований.

Областью «Вычислительной биологии» является прикладные, аналитические и теоретические методы, математическое моделирование и компьютерная симуляция в био логии.

Биологические системы более надежны и потребляют значительно меньше энер гии, чем самые эффективные технические системы виртуальных моделей живых клеток или других биологических систем с по мощью компьютерных технологий, биометрия13, и биомиметика14.

Одним из ключевых направлений прикладных разработок, требующих совместного использования ИКТ и нанотехнологий, является наноэлектрони ка, однако и другие направления этого домена могут быть не менее значимы.

Можно выделить три основных кластера исследований, а именно: (а) Нано электроника, (б) Нанофотоника, и (в) Симуляция и моделирование. Наиболее значимым кластером конвергенции является наноэлектроника, так как она имеет колоссальное значение для полупроводниковой промышленности. Все возрастающие объемы передающейся информации, использование в конст руировании информационных каналов подходов из области оптики объясня ют нарастающий интерес к (нано)фотонике.

Кроме основных, можно говорить о появлении еще двух кластеров:

(г) Обработка изображений и Распознавание образов и (д) Нейронные сети.

ИКТ и материаловедение могут существенно дополнять и взаимно обо гащать друг друга: наиболее яркими областями такого довзаимодополнения являются два важнейших кластера конвергенции: (а) Электроника и (б) Имитация и моделирование. Тогда как первый домен интуитивно понятен, то второй выявляется довольно неожиданно, и его наличие может говорить о возросшей необходимости подведения теоретической основы для выявления «новых» подходов к «старым» проблемам. Вслед за этими двумя кластерами наметилось появление следующих: (в) Фотоника и телекоммуникации, (г) Обработка изображений и распознавание образов (IPPR – Image Processing and Pattern Recognition) и (д) Нейронные сети. В то время как важность IPPR для других доменов (таких как обработка и производство) вполне очевидна, Биометрия является прикладной областью, занимающейся разработкой способов автоматической верификации и идентификации пользователя, таких как сканирование ра дужки глаза, систем распознавания лица человека и т.д.

Биомиметика является развитием идей создания искусственных систем на основе синтеза информационных и биологических систем значимость его для материаловедения не вполне очевидна. Этот факт говорит о том, что потенциал развития материаловедения на сегодня может быть не дооценен. Также это относится и к кластеру нейронных сетей.

В приведенной ниже таблице 8 дан обзор основных кластеров конвер генции ИКТ с четырьмя научными дисциплинами, рассматриваемыми здесь.

Таблица 8. Основные кластеры конвергенции ИКТ с научными дисци плинами Информационно-коммуникационные технологии Интерфейсы мозг-машина и формирование образов в мозгу Обработка естественных языков и распознавание речи Когнитология Разработки на основе искусственных нейронных сетей (ИНН) Техника распознавания образов Биоинформатика Вычислительная биология Технологии бесконтактной диагностики и мониторинга (био Биотехнология маркеры, включающие в себя ИКТ-технологии) Биоустройства (включая комбинированные сенсоры и эффек торы) Наноэлектроника Нанофотоника Имитация и моделирование Нанотехнологии Обработка изображений и распознавание образов Разработки нейронных сетей Электроника Имитация и моделирование Фотоника и телекоммуникации Материаловедение Обработка изображений и распознавание образов (ОИРО) Нейронные сети Беглый взгляд на представленную выше таблицу показывает, что неко торые кластеры (конвергенции) состоят из трех и более научных дисциплин.

В некоторых случаях это интуитивно понятно. Так дальнейшая миниатюри зация элементной базы ИКТ требует прогресса как в материаловедении, так и в производстве наномасштабных устройств. В двух случаях, однако, образо вание кластеров конвергенции совсем не очевидно. Например, (искусствен ные) нейронные сети и «техника для обработки изображений и распознава ния образов» являются важной областью в домене конвергенции ИКТ-Когно, но совершенно неожиданно видеть их в области интересов нанотехнологий и материаловедения.

Еще один существенный факт, выявленный экспетрным анализом – это высокая значимость такого кластера, как «имитация и моделирование» для всех дисциплин в целом, и особенно для направления создания искусствен ных систем. С точки зрения выработки правильного курса, этот результат еще раз доказывает важность теоретических работ, как неотъемлемой части получения прикладных разработок, особенно в областях «конвергенции», где базовое понимание предмета исследований еще не настолько хорошо разра ботано, как в основных дисциплинах.

Ниже приводится диаграмма, демонстрирующая связи между класте рами, приведенными в таблице 8.

Рисунок 7. Диаграмма, демонстрирующая связи между кластерами ИКТ.

Перекрытия кластеров указывают на области совместных научных ин тересов. Высокая связность взаимоотношений может быть проиллюстриро вана на примере создания в будущем устройств для распознавания изображе ний, основанных на фотонных детекторах, связанных оптическими провод никами информационных потоков и снабженных высокопроизводительными электронными микросхемами (собранными из нанотранзисторов, возможно, с использованием сетевой архитектуры). Несомненно и другие практические разработки могут появиться в результате конвергенции технологий из раз личных доменов. С точки зрения определения научной политики, ключевым моментом является то, что поддержка на должна быть ограничена только од ной (или определенного рядя) научной технологии, но должна включать в себя одновременно целый спектр различных дисциплин. С точки зрения дос тижения успеха во внедрении конкретной прикладной разработки, следует помнить, что весь процесс внедрения лимитируется самым «слабым звеном»

в цепи разработок. Поэтому необходимо проводить постоянную и взвешен ную политику поддержки НИОКР во время всего процесса. Только таким об разом можно добиться значимого результата в конвергентных областях нау ки и технологий.

Тенденции и перспективы конвергенции ИКТ и нанотехнологий.

Несмотря на определенные трудности с конкретным определением предмета нанотехнологий, считается, что по всеобщему соглашению нано технологии могут быть охарактеризованы как технологии, занимающиеся производством, изучением и использованием продольных структур, слоев, молекулярных структур, и поверхностей с критическими размерами от нм и до величин, сопоставимых с размерами атомов. Свойства нанотехноло гий в сравнении с макромасштабными технологиями представлены в приве денной ниже таблице 9.

Нанотехнологии не представляют собой унифицированную технологи ческую платформу, но состоят из целого конгломерата различных техноло гий и научных дисциплин, который можно условно разделить на следующие подразделы: наноструктурированные материалы;

наноэлектроника, нанофо тоника, нанобиотехнологии, наноаналитика Таблица 9. Свойства нанотехнологий в сравнении с макромасштабны ми технологиями.

Макромасштабные технологии Наномасштабные технологии Классическая физика Квантовая физика Твердотельные свойства Свойства связывания Преобладают свойства объема Преобладают свойства поверхности Обычные материалы/смеси Новые материалы и смеси Классический подход «сверху-вниз» Объединение и самоорганизация Статистические ансамбли Индивидуальные частицы Высокий диапазон энергий Энергии на уровне тепловых флуктуаций Средняя сила полей Крайне высокая сила полей Методы нанопроизводства базируются на двух различных подходах:

Подход построения «сверху-вниз»: уменьшение размеров структур и микроскопических элементов до наномасштабной шкалы с применением соответствующей техники (например, литографии) Подход построения «снизу-вверх»: контролируемая сборка атомных и молекулярных агрегатов в более крупные системы (например, в класте ры, надмолекулярные структуры, или синтез макромолекул) Общий вывод из стратегических и прогнозных работ по нанотехнологи ям может звучать как построение такого будущего, в котором станет воз можно понимать и контролировать вещество на наномасштабном уровне, что приведет к революционным изменениям в технологиях и промышленном производстве.

Все эксперты в целом соглашаются с тем, что нанотехнологии и ИКТ будут взаимно дополнять и обогащать друг друга: в долгосрочной перспек тиве исследования и разработки в области наномасштабов приведут потен циальным прорывам в таких областях как материалы и производство, элек троника, медицина и здравоохранение, сохранение окружающей среды, энер гетика, химия, биотехнологии, сельское хозяйство, информационные техно логии, и национальная безопасность. Влияние таких разработок на все сферы деятельности человека может оказаться сравнимым с совокупным воздейст вием микроэлектроники, биотехнологий и информационных технологий на жизнь общества в 20 веке. Применение нанотехнологий потребует ученых и инженеров, обладающих уникальными квалификациями, которые будут представлять собой комбинацию высокопрофессиональных знаний в таких областях как химия, физика, материаловедение и теория информации. При этом нанотехнологии являются междисциплинарной областью науки и тех ники, которая включает в себя информационно-коммуникационные техноло гии, науки об окружающей среде, науки о жизни, материаловедение и т.д.

Нанотехнологии могут существенно обогатить материаловедение, предоста вить новые устройства и инновационные системы таким областям как ИКТ, биотехнологии, медицина и т.д.

Для текущих целей анализа конфергенции нанотехнологий и ИТК, ИКТ можно очень грубо подразделить на процессы обработки и хранения инфор мации, а также процессы передачи информации, включая информационный обмен между человеком и машиной. Все указанные категории включают в себя как аппаратные так и программные части.

Исходя из предложенного деления, можно констатировать, что два на правления нанотехнологий, «Наноэлектроника» и «Нанофотоника», вносят наиболее значительный вклад во все аппаратные области ИКТ. Прикладное направление ИКТ «Имитация и моделирование» обладает наибольшим вкла дом в развитие Нанотехнологий.

Беспроводные коммуникации, сети и энергосберегающие нанотехноло гии позволят создавать принципиально новые легкие в обращении службы и сервисы, которые будут как сверхнадежными, так и легкодоступными для большинства населения.

Переход интегральных схем (чипов) от микро- к наноразмерам приво дит к тому, что их можно внедрять практически в любые предметы обихода.

Эта концепция, получившая название интеллектуального окружения, приво дит к тому, что окружающая нас техника, как в доме, так и в машине или на рабочем месте, становится все более чувствительной, и способна реагировать на малейшие запросы человека. Такие бытовые устройства как компьютеры, мультимедийное оборудование коммуникационные устройства могут быть интегрированными в повседневное окружение человека, что позволяет ему постоянно получать информацию, улучшает качество жизни, создает лучшие условия для работы и отдыха. Обычно основное внимание разработчиков со средоточено на создании устройств, предназначенных для контроля личного здоровья и предоставления развлечений с использованием компьютерных се тей. Примерам могут быть мобильные телефоны, которые могут функциони ровать как персональные цифровые секретари, электронные кошельки и ин терактивные средства связи, позволяющие за умеренную плату сочетать воз можности телефонной связи и определения местоположения человека. Дру гой тенденцией разработок в данной области является маркировка продуктов интеллектуальными метками и прослеживание путей их распространения.

Биосенсоры на основе наноэлектроники смогут значительно ускорить и упростить процессы проведения анализов на молекулярном уровне. Это по зволит создать сверхчувствительные сенсорные системы, позволяющие про водить замеры сверхмалых концентраций различных веществ в клеточных структурах, таких как антитела или белки, что откроет новые возможности в диагностике и лечении заболеваний. Нанобисенсоры также могут способст вовать развитию разработок «умных» имплантатов, микро-лабораторий и бесконтактных методов медицинского контроля. Более того, сочетание таких сенсоров с интеллектуальными метками улучшит пищевую безопасность, так как позволит проводить постоянный контроль качества пищевых продуктов и вовремя определять возможные источники инфекционного заражения.

Будут созданы высоконадежные и дешевые интеллектуальные устрой ства, могущие быть установленными на автомобилях и других транспортных средствах. Например, интеллектуальное управление двигателем может зна чительно снизить уровень расхода горючего (приближая его к мечте любого автомобилиста – 1 л на 100 км дороги) и уменьшить выбросы выхлопных га зов. Безопасность водителей и пассажиров может быть повышена внедрени ем новых систем, предотвращающих столкновения, адаптивных систем нави гации, систем контроля доступа к управлению. Лучший комфорт обеспечат системы поддержки микроклимата и различные развлекательные системы.

Все вышеперечисленное может стать легко доступным и эффективным бла годаря использованию наноэлектроники.

Угроза международного терроризма привела к значительному увеличе нию капиталовложений в нанотехнологические разработки различных систем безопасности, что в целом дало существенный толчок развитию нанотехно логического производства. Наноэлектронные разработки широко применя ются в различных в самых разных системах безопасности: от систем наблю дения до персональной идентификации с использованием биометрических данных.

Однако, как перечисленные, так и иные прорывы в электронике и авто матике требуют сократить все расширяющийся разрыв между тем, что может быть реализовано в наноэлектронном техническом обеспечении и тем, что может быть экономично и эффективно спроектировано и протестировано.

Этот вопрос сам по себе подразумевает широкое использование ИКТ, и явля ется еще одним примером тесной конвергенции Нанотехнологии-ИКТ в об ласти наноэлектроники.

Говоря о наноэлектронике следует отметить еще одну часто упоминае мую область – квантовые информационные технологии, на которые возлага ют большие надежды, и которые могут стать еще одной гранью конверген ции между нанотехнологиями и ИКТ. Нанотехнологии могут предоставить структуры, которые позволят реализовать революционную концепцию соз дании квантовых компьютеров, в которых вычисления будут производиться за счет квантово-механических эффектов. Квантовый компьютер, как ожида ется, потенциально позволяет в объеме небольшого количества атомов хра нить и обрабатывать колоссальные объемы информации. По современным представлениям, требующим однако практического подтверждения, только 300 взаимосвязанных атомов квантового компьютера могут хранить столько же информации, сколько помещалось бы в обычном электронном компьюте ре, стоящем из всех атомов вселенной. Сегодняшние комплексные алгорит мы кодирования, для решения которых с помощью современных компьюте ров потребовалось бы потратить 20 млрд. лет, смогут быть решены кванто вым компьютером всего за полчаса. Такие квантовые компьютеры могут быть затем использованы для дальнейшего совершенствования будущих на ноэлектронных устройств на основе их квантового моделирования и симуля ции (например, в проектировании новых наномасштабных электронных ком понентов) – точный обсчет таких систем возможен только с использованием квантовых компьютеров».

Нанофотоника может обеспечивать ИКТ волоконной оптикой для пе редачи данных, оптическими устройствами хранения информации и техноло гиями производства дисплеев. Ожидается, что нанотехнологии и смогут в дальнейшем внести значительные усовершенствования в эти области при кладных разработок.

Ключевым моментом в области коммуникаций, ввысокой скорости пе редачи данных, является возможность создания инженерных решений с ис пользованием запрещенной энергетической зоны. Материаловедение позво ляет создавать материалы с точно рассчитанными электронными и оптиче скими свойствами, которые необходимы для производства компонентов фо тоники. Размещение тонких слоев буквально атом к атому позволяет точно контролировать параметры материалов, из которых затем производят совре менные оптические элементы, например, стабильные лазерные излучатели.

Квантовые эффекты, возникающие в сверхтонких слоях (только по одному из измерений) играют важную роль в их инженерных свойствах..

Область, в которой ожидается получить наиболее значительный вклад от нанофотоники – это создание оптических переключателей и маршрутиза торов импульсов.

Лазерные диоды, которые уже сегодня широко используются в CD и DVD приводах, изготовлены на основе достижений нанофотоники, и будут являться ключевыми элементами будущих форматов записи данных на опти ческих дисках, включая сверхплотную запись с применением ближнепольной оптики и голографической памяти.

С все большим распространением сотовых телефонов, электронных книг и других электронных устройств, все более и растет нужда в полноцвет ных, качественных, экономичных и многофункциональных дисплеях. Эти дисплеи должны быть дешевы, потреблять минимум энергии, быть легкими и тонкими, а также позволять монтировать себя на гибкой подложке. Появле ние таких гибких дисплеев не только приведет к удешевлению процесса их производства, но и позволит в будущем интегрировать их с множеством раз личных устройств. Уже сейчас нанотехнологии предлагают ряд обещающих инженерных подходов для создания дисплеев с плоским экраном, среди ко торых использование органических светодиодов (OLED) или автоэмиссион ные дисплеи на основе углеродных нанотрубок.

Среди элементов нанофотоники, которые получат развитие в будущем, называют работы по квантовым точкам и разработки фотонных кристал лов.

Полупроводниковые квантовые точки, которые в последнее время нау чились получать достаточно высокого качества (с точки зрения их самоорга низации), открывают новые горизонты в выборе рабочих длин волн у опти ческих элементов. Квантовые точки позволяют покрыть практически весь спектральный диапазон от ультрафиолета до дальней инфракрасной области спектра. Квантовые точки получают из материалов, которые в настоящее время проходят испытания в детекторах и излучателях света (лазерах, ис пользующихся в оптических телекоммуникациях). Квантовые точки, по видимому, станут одним из ключевых элементов качественно новых уст ройств, таких как источники фотонов, которые в настоящее время считаются кандидатами на роль источников света в квантовых системах обработки ин формации.

Фотонные кристаллы, принципиальным свойством которых является периодически меняющийся показатель преломления, могут стать аналогом полупроводников в электронике, своеобразными фотонными переключате лями на определенных частотах в видимой и инфракрасной областях спектра.

Трехмерные фотонные кристаллы открывают новые возможности для опти ческих каналов передачи данных (свет в них может преломляться и далее двигаться в произвольном направлении) и, в принципе, позволяют создавать чисто оптические сети (оптические вычисления). В настоящее время, однако, еще очень далеко до практической реализации таких фотонных транзисторов.

При создании таких материалов принципиальное значение имеют мо делирование и эмитация, в том числе с применением суперкомпьютеров.

Значительная часть экспертов полагает, что в целом следует уделять больше внимания компьютерному моделированию наноматериалов. Однако сущест вует и другое, более радикальное мнение, что симуляция и моделирование являются отдельным долгосрочным направлением исследований, которое принесет огромную пользу развитию нанотехнологий.


При этом ведутся разработки прикладных алгоритмов моделирования и имитации через сеть интернета. Это указывает еще на один пункт конверген ции между нанотехнологиями и ИКТ, и это направление может быть названо как «Теле-нанотехнологии». Создание инфраструктуры, позволяющей ис пользовать оборудование дистанционно, реальной инфраструктуры дистан ционного управления оборудованием для создания изображений, определе ния характеристик и телепроизводства в наномасштабной шкале.

Еще одним стратегическим приоритетом является развитие технологий верификации и современных средств визуализации и обработки данных, а также разработка соответствующих стандартов. Этот приоритет является од ним из немногих индикаторов, указывающих на кластеры конвергенции «об работка изображений и распознавание образов» и «нейронные сети», которые будут описаны далее.

Кластер конвергенции «имитация и моделирование» является безого ворочно наиболее крупным кластером в домене Нано-ИКТ, если не учиты вать кластер наноэлектроники. Имитация и Моделирование развились в три основных строительных блока научной деятельности: очень часто приходит ся наводить мосты между накопленными экспериментальными данными и теоретическим пониманием проблемы в целом. Эти мосты следует строить с обеих сторон: создавать компьютерные модели, которые описывают опреде ленные экспериментальные установки и, одновременно, использовать хоро шо известную общую теорию для создания таких установок.

Так как Имитация и Моделирование могут применяться (и применяют ся) практически во всех аспектах нанотехнологий, детальное обсуждение со держания данного кластера заняло бы столько же места, как обсуждение на нотехнологий в целом. Поэтому неудивительно, что даны кластер перекры вается практически со всеми другими идентифицированными кластерами конвергенции.

Кластер «Обработка изображений и распознавание образов» включает в себя научные работы, которые можно разделить на три подгруппы:

1. Обработка изображений при анализе экспериментальных результатов 2. Распознавание образов при анализе выходного сигнала наносенсоров 3. Нанотехнологические устройства со специальными возможностями об работки изображений и распознавания образов (IPRP) Примерами первой группы могут являться:

-0 Просвечивающая электронная микроскопия (TEM) применяется в исследованиях наночастиц, облучения электронами графита, работах с золо тыми нанокластерами, самособирающимися системами золотых наночастиц, слоями арсенида алюминия, наночастицами железа с присадками TiO2, при определении распределения частиц по размерам в доменах сверхструктур платиновых и палладиевых наночастиц, в исследованиях пористого кремния, углеродных нанотрубок, нанотрубок из нитрида бора, для получения изобра жений плотных ансамблей наноточек, и в анализе дефектов поверхности гра нул и нанокристаллических материалов.

– Кольцевое темнопольное сканирование с ТЕМ используется для по лучения изображений отдельных атомов примесей.

– Атомно-силовая микроскопия (AFM) применяется при исследованиях наномасштабных коллоидов, для автоматического определения положения и размеров наномасштабных частиц.

– Цветная эллипсометрия используется в измерениях тонких пленок нанометровой толщины.

– Стереология применяется для точного описания размеров и формы наногранул в нанополикристаллах.

– Томография сфокусированными ионными пучками (FIBT) использует ся для изучения и модификации материалов на микро- и наноуровне.

Этот длинный список примеров показывает, что различные технологии получения изображений в сочетании с микроаналитическим оборудованием применяются при работах с очень широким кругом наносистем. Обработка изображений включает в себя также и анализ геометрических свойств изу чаемых систем.

Вторая крупа представлена следующими подгруппами:

Существует подгруппа работ, посвященных использованию методик распознавания образов применительно к наносенсорам так, чтобы вся систе ма имитировала действие естественных органов чувств, например, попытки создания электронного носа или электронного языка. Используемые в этих работах наносенсоры включали в себя тонкие пленки с инкорпорированными в них наночастицами, плёнки Ленгмюра – Блоджета, наноструктурированные пленки из проводящих полимеров, тонкие пленки из золотых нанокристал лов, и нанокристаллический SnO2.

Другие типы сенсоров, использующиеся в системах распознавания об разов, это полимерные наносенсоры и сенсоры на основе нанокристалличе ских тонких пленок.

Попытки распознавания образов были также предприняты с нанопро бами в ЯМР-спектроскопии при нейрохимическом изучении передних отде лов коры головного мозга крыс. Определялась возможность блокады молеку лами ДНК нанопористого детектора, и проводилось изучение электрохими ческого и коррозионного поведения нанокристаллов FeAl8.

Третья группа: нанотехнологические устройства со специальными воз можностями обработки изображений и распознавания образов (IPRP) иллю стрируется следующими базовыми примерами:

– наноструктурированные полимеры (для имитации природных систем распознавания образов);

– самоорганизующиеся одномерные наноструктуры на кремниевой подложке;

– механические сплавы оптических материалов Bi12SiO20(BSO) и Bi12TiO20(BTO);

– одноэлектронные транзисторы в аналоговых процессорных матрицах;

– искусственно формируемые матрицы наномасштабных цилиндриче ских каналов в тонких золотых пленках;

– наноэлектронные устройства, создаваемые на основе наноструктур ных матриц резонансных пар туннельных диодов;

– стеки кремниевых MOSFET-транзисторов, снабженные несколькими слоями параллельно идущих нанопроводов, соединяющиеся путем самосбор ки в молекулярные электронные устройства, формирующие нейронные сети.

Таким образом, становится очевидно, что в данном кластере в основ ном присутствуют различные элементы искусственных сенсорных систем.

Средства ИКТ по анализу сигналов, распознаванию образов и обработке изо бражений могут быть использованы для совершенствования этих сенсорных систем, и, наоборот, данные нанотехнологические сенсорные системы могут в свою очередь представлять большой интерес для указанных направлений развития ИКТ.

Кластер «Нейронные сети» сравнительно невелик. С другой стороны данная тематика вызывает все больший интерес, а если учесть ее конверген цию с когнитивными науками. В рамках нанотехнологий нейронные сети обычно применяются в моделях компьютерных нейронных сетей, предназна ченных для изучения, разработки и оптимизации поведения таких наноси стем, как нанопорошки и нанокопмпозиты. В этой части кластер нейронных сетей перекрывается с кластером имитации и моделирования. Спецификой моделирования с помощью нейронных сетей является то, что они функцио нируют по алгоритму, сходному с работой человеческого мозга, и, по видимому, могут предложить более «интеллектуальный» путь моделирова ния.

Нейронные сети также используются в нанотехнологиях для анализа показаний наносенсоров, позволяя таким образом улучшать их чувствитель ность и/или избирательность. В этом смысле нейронные сети/ИКТ являются разрешающими (взаимно обогащающимися) технологиями. Еще одним при мером являются имплантируемые наночипы, которые используют механиз мы межклеточной адгезии для фильтрации инфицированных клеток в кровя ном русле или лимфатических протоках. «Интеллект» работы таких чипов обеспечивается нейронными сетями, которые используются для распознава ния и анализа захваченных клеток, и могут инициировать определенные дей ствия по отношении к захваченной клетке в зависимости от результатов дан ного анализа.

И наконец, следует сказать о наномасштабных нейронных сетях, кото рые реализуются путем структурирования субстрата из углеродных нанотру бок. Эти наномасштабные устройства предназначены для интеллектуальной обработки информации, при этом проходящие в них процессы сходны с про цессами, происходящими в человеческом мозге. Так как такие устройства можно рассматривать как альтернативу стандартной электронике на базе КМОП-технологии, работы в данной области также относятся и к кластеру наноэлектроники.

Кластер «Нанофотоника» может быть подразделен на более мелкие подразделы в зависимости от типа наносистем и областей их применения в ИКТ: наноматериалы для оптических телекоммуникаций, оптические уст ройства для хранения информации, наноустройства для создания оптических затворов ( в рамках систем оптических телекоммуникаций), или наборы оп тической логики:

Наноматериалы, используемые в системах оптических телекоммуни каций Существует множество наноматериалов, которые изучаются на пред мет их потенциально возможного использования в системах оптических те лекоммуникаций, такие как:

– субстраты Si-в-SiO2 для кристаллов, работающих в фотонной энерге тической щели;

– дисперсные Er3+, Nd3+ и Ho3+ с присадками LaF3, обладающие люми несценцией в диапазоне передачи телекоммуникационных сигналов;

– сополимер поли(этилен-совинилацетат) (EVA)/монтмориллонит – на нокомпозиты, используемые в изготовлении телекоммуникационных кабе лей;

– наноструктурированные гибридные слоистые материалы, демонстри рующие фото-рефракцию в телекоммуникационном диапазоне;

– нанокристаллы PbSe, которые демонстрируют, усиленную спонтан ную эмиссию в ближней инфракрасной области, используемой в телекомму никациях, и, таким образом, могущие стать основой для создания туннель ных лазеров и усилителей в сетях оптических коммуникаций;

– квантовые стержни InAs демонстрируют фотолюминесценцию в ближней инфракрасной области, и, следовательно, могут быть использованы в телекоммуникациях;

– наноструктурированные сверхпроводящие однофотонные детекторы с квантовой эффективностью около 10% в инфракрасном диапазоне теле коммуникаций;


– регулярно перемежающиеся слои тефлоно-подобных и золотых нано частиц, или слои тефлоно-подобных композитов демонстрируют высокую отражательную способность в оптическом диапазоне и могут быть использо ваны в качестве распределенных Брэгговских отражателей, которые легко сопрягаются с оптическими волокнами;

– автономные пленки, изготовленные из однослойных углеродных на нотрубок, будучи внедренными в полимерный матрикс, демонстрируют эф фекты нелинейной оптики в оптическом диапазоне телекоммуникаций.

Наноматериалы, могущие быть использованными в оптических нако пителях информации, примерами могут быть:

– в оптических накопителях высокой плотности могут быть использо ваны металлические наночастицы;

при этом эксплуатируется тот факт, что резонансные частоты коллективных электронных колебаний при возбужде нии световым пучком определяются формой частиц;

– оптические накопители высокой плотности могут быть реализованы в однофотонной и двухфотонной флуоресцентной микроскопии ближнего по ля;

– для оптических накопителей информации могут быть использованы бистабильные хиральные переключатели на основе концентрированных оле финов (непредельные [ненасыщенные] углеводороды). Свет различных длин волн может менять спиральность молекул.

– нанокомпозитные материалы, состоящие из оптически-реактивных молекул, гексагонально упакованных в инертном матриксе, могут помочь преодолеть ограничения для оптической среды хранения информации, обу словленные критерием Рэлея, за счет специально разработанного алгоритма постобработки;

– субмикронные полимерные частицы типа «ядро-оболочка» для соз дания трехмерных оптических хранилищ информации;

– полихроматические коллоидные частицы, демонстрирующие различ ную окраску в зависимости от фазы.

Наноустройства, используемые в качестве оптических переключате лей и в операциях оптической логики.

Примерами могут быть:

– недавно для применения в чисто оптических переключателях теле коммуникационных сетей были разработаны наномасштабные дисперсии ме таллических частиц в металлооксидных стеклах тяжелых металлов;

– волноводы из фотонных кристаллов могут быть интегрированы с микро/нано механическими устройствами для реализации построения высоко интегрированных фотонных цепей;

– полимерные композиты на основе однослойных углеродных нанотру бок могут стать кандидатами на использование их в высококачественных субпикосекундных чисто оптических переключателях;

– нанофотонные затворы размерами менее 30 нм могут быть созданы на основе квантовых кубических частиц CuCl;

– молекулярные переключатели, функционирующие как хиральный оп тический диполь – «Хироптицены» – могут быть использованы в большом количестве прикладных разработок активно развивающихся технологий оп тоэлектроники и молекулярной электроники;

– полностью оптические переключатели на основе С60 могут найти применение в оптических логических затворах;

– принимая во внимание способность отдельных однослойных угле родных нанотрубок сверхбыстро реагировать на воздействие светом, они, по видимому, являются подходящим кандидатом на материал для разработок сверхбыстрых оптических затворов, работающих в области инфракрасного диапазона, а также на материал для логических затворов.

Рисунок 8. Пересечения и взаимоотношения между кластерами в до мене Нанотехнологии-ИКТ.

Глава 12. Молекулярные роботы Нанороботы или, как их еще иногда называют, молекулярные роботы, представляют собой сравнительно новую область исследований. Наноробо тотехнику можно определить как область технологий, занимающуюся созда нием машин или роботов микроскопических размеров, приближающихся к шкале порядка нанометров. В перспективе предполагается, что нанороботы (наноботы, наноиды или наниты – альтернативные термины в англоязычной литературе) будут представлять собой устройства размерами от 0.1 до мкм, состоящие из наномасштабных или даже молекулярных компонентов.

В настоящее время наноробототехнику можно условно подразделить на два больших направления:

Первое. Разработки, моделирование и тестирование роботов наномас штабных размеров (собственно нанороботов). Большинство исследований в этой области носит пока еще теоретический характер из-за сложностей в соз дании подобного типа систем. Но, хотя искусственных нанороботов пока еще не создано, существование природных биологических систем размерами по рядка нанометров указывает на принципиальную возможность их создания.

Так уже сейчас испытываются первые примитивные молекулярные машины, как например сенсорные переключатели размером порядка 1.5 нм, предна значенные для подсчета специфических молекул в химических образцах.

Скорее всего, первое практическое применение такие наномашины (если они будут созданы) найдут в медицине.

Вторым направлением является манипулирование и/или сборка нано масштабных компонентов с помощью макроинструментов или роботов (так называемая наноманипуляция). В связи с успехами нанотехнологий эта об ласть сейчас активно развивается. Развитие систем наноманипуляции и на носборки сможет сыграть очень важную роль и для разработок собственно нанороботов. Следует отметить, что манипулирование наноструктурами только начинает развиваться, и многие явления на этом уровне масштабов еще до конца не поняты.

Теоретические предпосылки к созданию нанороботов были заложены еще в 1990-е годы работами Эрика Дрекслера. Дрекслер предложил концеп цию создания молекулярных машин, которые могут самоорганизовываться и самособираться на основе заложенной в них программе. Если говорить о ме дицинских аспектах их применения, то такие нанороботы, снабженные мани пуляторами, двигателями и компьютерами могут выполнять самые различ ные операции по команде человека.

В принципе, нанороботов можно рассматривать как наноэлектромеха нические системы, предназначенные для выполнения специальных задач. Как уже отмечалось, в настоящее время наиболее перспективным представляется будущее использование таких устройств в медицине. Типичным примером медицинского наноробота представляется устройство размерами в несколько микрон, состоящее их наномасштабных компонентов. Такие роботы могут вводиться непосредственно в организм человека и автономно действовать там, реагируя либо на изменения биохимического окружения, либо повину ясь командам от пульта управления.

При разработках (пусть пока и теоретических) нанороботов медицин ского назначения исследователи должны решать целый ряд специфических задач.

Во-первых, так как такие устройства предполагается вводить в орга низм человека, в первую очередь следует решить проблемы биосовместимо сти, чтобы иммунная система организма не реагировала на них воспалитель ными реакциями. И в этом плане очень важен подбор материалов, из которых они будут создаваться. В настоящее время исследователи склоняются к тому, что основным элементом для создания «тела» таких роботов могут стать раз личные формы углерода (алмазоподбные или фуллереновые нанокомпози ты). Существует ряд данных показывающих, что подобные материалы не вы зывают воспалительных реакций со стороны макрофагов и лейкоцитов в экс периментах in vitro.

Одним из существенных моментов при использовании медицинских нанороботов является их локализация в теле человека. Одним из способов определения положения нанороботов и управления их перемещением может быть использование ультразвуковых сигналов. При этом в самом нанороботе должен находиться ультразвуковой датчик, который как посылает сигнал о своем местоположении внешнему источнику, так и преобразует адресован ные ему команды.

В настоящее время были осуществлены попытки определения местопо ложения наноробота по его магнитному полю с использованием магнитно резонансной томографии. Так на сегодня продемонстрирована возможность определения положения мелких магнитных частиц в кровеносных сосудах свиньи с помощь установки МРТ и специальных программ. Следует отме тить, что уже в настоящее время установки МРТ входят в состав стандартно го оборудования многих медицинских учреждений, применение подобных технологий не потребует от них больших дополнительных затрат.

Важную роль в системе ориентации медицинских нанороботов приоб ретают встроенные в них датчики. Нанороботы могут быть оснащены хими ческими датчиками, позволяющими им достигать участков организма, в ко торых идут определенные биохимические процессы. Встроенные спектро скопические датчики могут позволять проводить локальный анализ опреде ленных участков тканей. Возможно также использование миниатюрных ви деокамер, напрямую выводящих изображения на медицинские мониторы.

Энергию для своего функционирования нанороботы могут получать непосредственно от тела человека. Так устройства, вводимые в кровяное рус ло, могут использовать электролиты из плазмы крови. Другим решением яв ляется использование для получения энергии химических реакций с плазмой крови. Наконец, возможно просто использование тепла человеческого тела и градиента температур для получения энергоснабжения. Использование бата рей для энергоснабжения нанороботов маловероятно, так как они выдают слишком мало энергии по соотношению к своей массе. Более вероятным представляется использование в будущих нанороботах высокоемких конден саторов, которые имеют лучшее отношение энергоемкости к собственной массе.

Нанороботы должны обладать системами активного перемещения, что бы иметь возможность достигать заданных участков организма. В теоретиче ских разработках двигательных систем нанороботов исследователи активно изучают природные средства локомоции. Это как различные сократительные и двигательные белки (миозин, кинезин, динеин), так и средства передвиже ния простейших микроорганизмов – жгутики и реснички.

На пути к созданию реальных нанороботов для медицинской практики исследователи должны пройти множество этапов. Вообще тенденция разви тия современной медицины характеризуется стремлением минимизировать повреждения в ходе лечения (например, в ходе хирургической операции) и при этом получить максимальный лечебный эффект.

Одним из направлений развития медицинских технологий, направлен ных на минимизацию повреждений, наносимых в результате хирургической операции, была разработка и внедрение различных систем так называемой автоматизированной ассистенции, или комплексов, позволяющих дистанци онно производить операции с помощью роботизированных систем. Наиболее известными системами (и, видимо, наиболее зрелыми) являются ZEUS (COMPUTER MOTION (Goleta, Calif.)) и так называемая «Рука Да Винчи», последняя внедрена уже в более чем 120 клиниках по всему миру. В данных систсемах хирург может дистанционно производить операцию с помощью автоматизированных манипуляторов.

Дальнейшим развитием медицинской робототехники стала еще боль шая миниатюризация устройств, которые стали обладать возможностью ав тономно работать внутри тела пациента. Далее будет приведен ряд примеров перспективных разработок в этой области.

Еще в 2001 году FDA (США) разрешила использовать в медицинской практике так называемый капсульный эндоскоп, включающий в себя поме щенную в капсулу размерами примерно 3х1 см миниатюрную камеру и пере датчик. Данное устройство представляло собой автономную, но полностью пассивную систему. По-видимому, это устройство представляет собой одну из первых попыток создания автономных роботизированных систем меди цинского назначения.

Попытки создания миниатюрных медицинских роботов предпринима ются в Израиле. Исследователи израильского технологического университета Технинон (Techninon Ubiversity) совместно с коллегами из Колледжа Иудеи и Самарии разработали миниатюрного робота, который может передвигаться по кровеносным сосудам. Размеры робота представлены на рисунке. Робот снабжен уникальной системой локомоции в виде ресничек, специально пред назначенной для движения в тонких сосудах, наполненных вязкими жидко стями. Как отмечают разработчики, подобные роботы могут функциониро вать внутри организма человека неограниченно долго, так как источником энергии для них служит слабое электромагнитное поле, прилагаемое к паци енту. Такие устройства могут использоваться для решения самых разных ме дицинских задач от адресной доставки лекарственных препаратов до лечения онкологических заболеваний. Хотя, как сказал руководитель проекта профес сор Моше Шогам (Moshe Shoyam), несмотря на то, что данный робот уже сконструирован и функционирует, для разработки модели, которая сможет реально использоваться в медицине потребуется еще немало времени.

Научная группа Монреальского политехнического института (Ecole Polytechnique de Montreal – EPM) под руководством доктора Сильвейна Мар теля в 2007 г. впервые показала возможность проведения автоматической на вигации свободных объектов в кровяном русле живого организма. В ходе экспериментов удалось достичь направленного движения ферромагнитных частиц диаметром 1.5 мм в сонной артерии живой свиньи, помещенной в магнитно-резонансный томограф.

Эта же группа канадских ученых работает также с так называемыми «магнитотаксическими» бактериями, которые ориентируют свое движение по магнитным полям. Из-за своих малых размеров (не более 2 мкм в диамет ре) такие бактерии не могут передвигаться против тока крови в больших со судах. Идея состоит в том, чтобы помещать такие бактерии в более крупные магнитные капсулы, которые с помощью определенным образом ориентиро ванных магнитных полей будут доставлять их в нужное место организма, на пример, к раковой опухоли. Затем бактерии будут высвобождаться из носи теля и ориентируясь по тем же магнитным полям плыть к опухоли и высво бождать в нее лекарственные препараты. Предварительные эксперименты на крысах показали, что, используя специальным образом сконфигурированные магнитные катушки, можно заставить такие бактерии направленно переме щаться к заданной области организма.

Группа ученых из корейского Chonnam National University разработала микроробота, который может перемещаться внутри кровеносных сосудов.

Оригинальность идеи состоит в том, сто скелет данного робота выполнен из биосовместимого эластичного материала (PDMS – полидиметилсилоксан) с внедренными в него клетками сердечной мышцы. Робот имеет прямоуголь ную форму и шесть ног по три с каждой стороны. Передние три ноги более короткие (около 400мкм) а задние более длинные (1200 мкм). Когда мус кульная ткань, наращенная на роботе, сокращается, он изгибается и за счет разницы трения передних и задних ног начинает перемещаться. Скорость движения такого робота составляет около 100 мкм/сек, значит дистанцию порядка 50 м он будет преодолевать примерно за неделю. В качестве источ ника энергии этот робот может использовать сахара и растворенный в крови кислород, поэтому расчетное время его автономной работы в организме оце нивается в 10 дней. Разработчики считают, что данный тип микророботов можно использовать для направленной доставки лекарств к тромбам сосудов.

Конечно, такое устройство, содержащее биологические компоненты, не должно подвергаться атакам иммунной системы организма. В качестве одно го из подходов для решения данной проблемы предполагается каждый раз использовать для построения робота стволовые клетки конкретного пациен та, в таком случае каждый робот будет уникальным и предназначаться только для своего пациента.

Следует сказать, что эти исследования носят предварительный харак тер. Прототип робота уже создан, но возможные способы его применения еще не исследовались.

В Европе проводится амбициозный проект ARES (Assembling Reconfigurable Endoluminal Surgical systems – Самособирающиеся реконфи гурируемые полостные хирургические системы). В число партнеров по про екту входят такие институты как:

Целью данного проекта являются разработки модульного медицинско го робота для работы в желудочно-кишечном тракте. Считается, что такие роботы будет самособираться уже в желудке из модульных частей, каждая из которых должна быть достаточно маленькой, чтобы могла быть легко про глочена пациентом. Идея состоит в том, что такая своеобразная «операцион ная» будет развернута непосредственно в теле пациента и будет управляться лечащим врачом дистанционно. Такие модули, размеры которых должны ле жать в пределах от 0.1 до 0.5 см3, по замыслу разработчиков должны соби раться в различные специальные структуры, каждая из которых будет соот ветствовать определенному типу проводимой операции.

Ученые Института робототехники и интеллектуальных систем Швей царского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology – ETH) планируют использовать микророботов для внедрения их в глаз человека с целью проведения диагностики, доставки лекарств и глаз ной хирургии. Институт робототехники и интеллектуальных систем в на стоящее время активно занимается разработками различных систем и компо нентов для микроробототехники.

Представляют интерес и ряд работ по созданию активных двигатель ных систем для микророботов, среди них:

– разработки микромоторов для будущих нанороботов. Основу этих микродвигателей составляют пьезоэлектрические материалы – специальные кристаллы или керамика, меняющие свою форму под воздействием электро магнитного поля. Под воздействием переменного электромагнитного поля такие пьезоэлементы начинают вибрировать, а их вибрация передается на двигательный элемент, представляющий собой аналог двигательных ресни чек простейших микроорганизмов. В настоящее время удалось создать про тотипы таких микродвигателей размерами порядка 250 мкм. Снабжение та кого устройства собственной системой энергоснабжения представляется проблематичной, поэтому предполагается использовать для подачи энергии внешние электромагнитные поля.

– использование в биологические моторов бактерий как для обеспече ния движения небольших сфер в жидкости. Для контроля направления дви жения таких комплексов ученые используют химические сигналы, которые распознаются бактериями. В последних экспериментах было показано, что можно заставить бактерии работать своими двигательными жгутиками или прекращать работу просто помещая их в среду различного химического со става.

Следует отметить, что характерные размеры таких «роботов» не пре вышают 100 мкм. Примерные размеры таких устройств: бактерии – около 0. мкм в диаметре и не более 2 мкм в длину. Движение осуществляется за счет очень быстрого вращения спиралевидных жгутиков (с частотой около Гц). Сами жгутики имеют диаметр всего 20 нм и длину – 10 мкм. В экспери ментах использовались бактерии S. marcescens, которые прикрепляли к поли стиреновым микросферам за счет электростатических, ван-дер-ваальсовых или гидрофобных взаимодействий. Вращение микрожгутиков двигала всю конструкцию вперед. Как уже говорилось, остановить движение можно было добавлением в среду ионов меди, а последующий запуск этого своеобразного живого мотора осуществлялся при добавке этилендиаминтетрауксусной ки слоты (ЭДТА), которая связывала растворенную медь.

Несмотря на все трудности, возникающие на пути создания реальных наноробототехнических систем, рынок продуктов, так или иначе связанных с микро- и/или наноробототехникой довольно динамично развивается.

Основным сегментом рынка для рассматриваемых наноустройств по прогнозу будет в первую очередь электронная промышленность, но немалая доля приходится на области производства сенсоров, медицины и биологии.



Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.