Новые технологии – основа диверсификации экономики

В России эпохи небывалого пассионарного взлета и одновременного падения экономики, барреля и рубля правительство говорит о необходимости диверсифицировать экономику. Вопрос в том, а кто будет создавать новые конкурентоспособные продукты, диверсифицируя экономику? 

Образование в России упало, и не видно причин его подъема. Лучшие московский и петербургский университеты скатились в конец первой и второй сотни рейтингов (а ведь в СССР неизменно были в первой десятке в Европе), остальные в рейтинги и вовсе не попадают. А это значит, что выпускники российских университетов (за исключением гениальных и талантливых одиночек) на мировом рынке неконкурентоспособны, каждый год миллионы выпускников в мире имеют лучшую квалификацию, чем россияне. 

Что же касается уже работающих ученых и инженеров, сотрудников научно- исследовательских институтов и фирм – сегодня они находятся в страхе за свое будущее, как никогда. За границу утекают не только капиталы денежные, но и капиталы интеллектуальные. А последние по настоящему невосполнимы. Чтобы вырастить новых ученых и инженеров, нужно не пять лет – нужны поколения. Даже президенту РАН Фортову, которому, как и его коллегам, после того, как академики выбрали Президентом РАН не того, кто угоден Кремлю, по мнению профессора Юрия Магаршака, не дали нормально работать буквально ни одного дня. 

А в это время за рубежом модернизация реальная, а не дегенеративная, набирает обороты. И, как я писал ранее, особенно значимы успехи в использовании 3D-печати. Например, в автомобилестроении, и кое-кто уже готов это продемонстрировать. С конвейеров заводов Ford каждую минуту сходит 12 автомобилей. Американской компании Local Motors для создания авто потребовалось шесть дней, а свою машину она собирала на глазах у посетителей автосалона в Чикаго. Мало того, практически все детали авто были сделаны прямо на стенде. Дело в том, что Ford пользуется традиционными технологиями создания авто, а спецы Local Motors печатают кузова и комплектующие на 3D-принтере. 

Впрочем, 3D-печать – далеко не фантастика. Тот же Ford, к примеру, широко использует эту технологию для «распечатки» прототипов новых моделей и выпуска прозрачных автокомпонентов, используемых для проведения более точных и наглядных испытаний. Иными словами, переход автопрома от литья к печати произойдет довольно скоро, тем более, что это позволит производителям в разы повысить рентабельность и гибкость производства. 

«Вместо того, чтобы иметь один сборочный цех, скажем, в Детройте или Токио, мы располагаем микропроизводства во многих странах, – поясняет ведущий инженер Loсal Motors Джеймс Ерл, – благодаря чему покупатель может активно следить за тем, как печатают заказанный автомобиль и живо участвовать в его создании». 

Кроме того, это не потребует гигантских инвестиций. Компания намерена начать продажи своей модели Strati в будущем году. Шасси и силовую установку машина позаимствует у Renault, притом, в зависимости от количества опций и комплектации стоимость составит от 18 до 30 тысяч долларов. Что характерно, детали, созданные с помощью 3D-принтера (кузов), обойдутся максимум в 5 тысяч USD. 

Первый 3D-принтер в компании Ford заработал еще 30 лет назад. Именно с помощью подобного устройства в 2010 году инженерам удалось выявить и быстро устранить неисправность в тормозной системе тогда лишь готовившегося к запуску Ford Explorer. Если бы дефект выявляли традиционными способами, машина вышла бы на рынки на четыре месяца позже. Кроме того, 3D-принтер помог специалистам в минимальные сроки увеличить эффективность моторов линейки Eco Boost (включая новый мотор объемом в 2,7 литра, предназначенный для F-150). Помимо прочего печать используется и при создании прототипов, снизив себестоимость производства с 20 до 2 тысяч долларов на деталь. 

Однако, эксперты полагают, что технология получит широкое распространение не только в области дизайна или в опытных лабораториях, но и в производстве сложных по конфигурации деталей. Кроме того, их будут применять для производства небольших партий запчастей для старых и раритетных авто. 

Другим потенциальным потребителем 3D-печати является авиастроение. BAE System впервые провела летные испытания истребителя Tornado GR.4 ВВС Великобритании с несколькими «распечатанными» металлическими деталям. Боевой самолет совершил полет с авиабазы в Уортоне графства Ланкашир в декабре 2013 года. Испытания были признаны успешными. Полный список «распечатанных» деталей, установленных на истребителе, не уточняется. Проектирование и трехмерная «печать» запчастей для истребителей ведутся BAE Systems по контракту с министерством обороны Великобритании. Какая именно технология используется, не уточняется. Предположительно, речь может идти о технологии прямого металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering, DMLS). Как ожидается, применение на истребителях типа Tornado «распечатанных» деталей позволит ВВС Великобритании сэкономить 1,2 миллиона фунтов стерлингов за четыре года. Проектирование и «печать» металлических запчастей осуществляются компанией BAE Systems на авиабазе «Марэм» в Норфолке. В частности, речь идет о защитных кожухах радиостанций в кабине пилота и вала отбора мощности. Стоимость некоторых «печатаемых» деталей составляет менее ста фунтов стерлингов. «Печатаемыми» запчастями планируется оснастить четыре эскадрильи истребителей Tornado GR.4. 

Следует отметить, что технология металлической «печати» в оборонной промышленности в последнее время становится все более популярной. При DMLS-печати металлический порошок, насыпанный в емкость, при помощи лазера расплавляется в однородную структуру. «Печать» осуществляется послойно, причем толщина каждого слоя составляет около 20 микрон. Изготовленные таким способом детали не требуют дополнительной механической обработки. В ноябре 2013 года американская компания Solid Components решила доказать, что технология DMLS достаточно надежна и точна, чтобы ее можно было использовать в производстве оружия. Для этого предприятие «распечатало» из металла действующую модель армейского пистолета M1911 калибра .45 ACP. Оружие, состоящее из 33 деталей (кроме пружин, изготовленных отдельно), успешно прошло стрельбовые испытания. 

Не менее крупным пользователем 3D-печати является строительная отрасль. Так, недавно итальянская компания WASP (World's Advanced Saving Project) продемонстрировала свой большой 3D-принтер, способный производить дешёвое жильё из глины. Саманные дома – уже давно не инновация, но они достаточно привлекательны из-за их экологичности и устойчивости. Представители WASP считают, что строительство таких домов стоит осуществлять в развивающихся регионах мира, где традиционные формы строительства неосуществимы. На создание структур дизайнеров вдохновили насекомые – грязевые осы (mud dauber), создающие свои гнёзда с использованием грязи. Собственно, wasp переводится с английского языка как «оса». Глина в новом принтере выдавливается подобно глазури и затем застывает. Высота устройства составляет около 6 метров, при том оно способно производить печатные структуры до 3 метров в высоту, примерно как принтер, используемый китайской компанией, с помощью которого в начале 2014 года удалось построить 10 домов менее чем за 24 часа. По словам представителей компании WASP, корпус дома может быть построен с использованием материалов, полученных в месте строительства по нулевой стоимости (для возведения домов может использоваться не только грязевая глина, но и другие натуральные материалы. Демонстрация изобретения состоялась в октябре 2014 года на римской выставке Maker Faire. Неполная модель (размером в 4 метра) способна производить небольшие модели саманных домов и служит доказательством работоспособности концепции. «Мы будем работать со смесью глины и песка, – сказал генеральный директор компании Массимо Моретти (Massimo Moretti) перед презентацией принтера. – Для производства полноценного дома понадобятся недели, а так как на выставке в Риме у нас будет всего два дня, придётся привезти уменьшенную копию и делать меньшие по размеру здания. Но сама технология и материалы уже прошли испытания – и они работают». В ближайших планах WASP построить первый дом в 2015 году. Предполагается, что он будет возведён на Сардинии. Представители компании также уверены, что данная технология найдёт своё применение и в медицине. Сейчас они изучают 3D-печать при помощи керамики (гидроксил апатита), биостекла (bio glass) и оксида алюминия для создания костных имплантатов с такой же пористой структурой, что и настоящая кость. 

Аналогичный революционный метод строительства (Stone Spray Project) был создан Петром Новиковым, Индер Шергилл и Анной Кулик в Институте Перспективной Архитектуры (Каталония, Испания). Робот смешивает почву и песок с фиксирующим компонентом, а затем с помощью форсунок печатает объект (стулья, колонны и дуговые несущие конструкции). Роботу для работы требуется совсем немного энергии. Он может использовать исключительно солнечную энергию, без внешних источников питания. Ну и все компоненты фиксирующего вещества состоят из сертифицированных LEED компонентов. 

Не менее важное направление использования 3D-печати – медицина. Недавно ортопедическое отделение больницы Peking University Third Hospital сообщило о новом открытии. Врачи под руководством профессора Лью Чжогина провели клинические испытания новых 3D-печатных ортопедических протезов – искусственных тел позвонков. Впервые тела позвонков, напечатанные на 3D-принтере, были имплантированы в человеческое тело. Для изготовления 3D-печатных имплантатов используется тот же титановый порошок, что и для обычных. Их отличие в том, что 3D-принтер может придать порошку абсолютно любую форму. Вместо стандартных протезов, которые проще сделать на промышленном оборудовании, 3D-принтер создает чрезвычайно сложные геометрические конструкции, которые идеально замещают поврежденные и разрушенные кости. Еще одно преимущество 3D-печатных имплантатов заключается в пористой структуре, в которую врастают кости. В результате получается естественная связка. Опыт пациентов впечатляет. Одна женщина, которая страдала от шейного спондилеза (дегенеративного заболевания шейного отдела позвоночника), обнаружила, что симптомы болезни исчезли буквально через несколько дней после операции. Состояние другой пациентки, 32-летней женщины, значительно улучшилось после имплантации 3D-печатных тел позвонков. К слову, она уже почти не могла ходить, и у нее постоянно немели конечности. Одним из самых трогательных и счастливых примеров можно считать восстановление поврежденного спинного мозга у 12-летнего мальчика. Он повредил шею, играя в футбол. После этого врачи установили, что у него опухоль позвоночника. В Китае очень мало больниц, в которых есть подходящее оборудование для проведения таких сложных хирургических операций. Однако в Peking University Third Hospital врачам удалось напечатать и имплантировать маленькому пациенту искусственное тело позвонка. Сейчас к нему уже практически вернулась свобода движений. Впервые в истории хирургам удалось имплантировать позвонки. Хотя период восстановления протекает долго и трудно, сама возможность повторить сложную форму позвонка подразумевает, что операция проходит гораздо легче, и 3D-печатный имплантат идеально встает не место. 

Китайские врачи интересуются возможностями применения технологии 3D-печати в своей практике еще с 2002 года. Они изготавливают модели органов, чтобы заранее понять, с чем имеют дело, и подготовить персонал к проведению сложных операций. Уже много лет они используют эту технологию для создания моделей хирургических имплантатов. В 2008 году врачи из военного госпиталя General Hospital of Guangzhou Military Command начали регулярно применять 3D-моделирование в своей работе. Ки Ксиандонг, старший пластический хирург военного госпиталя, надеется, что в будущем еще больше врачей начнет применять эту технологию в своей практике. 

В Кембриджском университете исследователи сделали весьма серьезное открытие, и без 3D-принтера тут не обошлось. Используя лабораторных крыс, ученые впервые напечатали активные клетки центральной нервной системы. Под руководством профессора Кейт Мартин (Keith Martin), группе удалось напечатать жизнеспособные клетки сетчатки, используя 3D-принтер. На принтере сначала напечатали слой ганглионарных клеток сетчатки, а затем слой глиальных клеток поверх них, при этом все сохраняло свою жизнеспособность. Таким образом, кембриджская группа доказала, что однажды глаза и их внутренняя структура могут быть просто напечатаны для хирургических целей. Согласно словам Мартин, даже быстрый процесс печати никак не повлиял на результаты эксперимента. Дело в том, что, оказывается, эти клетки могут лететь на скорости 50 км/час и при этом сохранять свою активность. Это крайне удивило исследователей, в хорошем смысле. Такого они даже не ожидали. 

В будущем, возможно, будут выращивать клетки индивидуально для каждого пациента. Этот процесс может даже привести к хирургии нервов, то есть к замене нервных клеток и спинного мозга. 

Продолжает развиваться и направление по исследованию нанотехнологий в медицине. Так, компания Google Inc. тестирует технологию, которая позволит диагностировать онкологические заболевания на ранней стадии, и сможет сигнализировать о высоком риске инфарктов и инсультов. Речь идет о таблетке с наночастицами, которые смогут анализировать состав крови и подавать сигналы об изменениях в нем. В случае нарушения нормы соответствующий сигнал будет поступать на специальный браслет пациента или на компьютер, пишет The Guardian. Если разработка Google будет успешно внедрена, это поможет диагностировать опасные заболевания задолго до появления физических симптомов. По словам главы инновационной лаборатории Google X Эндрю Конрада, которая разрабатывает проект, ученые хотят сместить фокус внимания с лечения заболеваний на их профилактику. «Наночастицы позволят исследовать человеческий организм на молекулярном и клеточном уровне», — сообщил доктор Эндрю Конрад. Google разрабатывает несколько наборов наночастиц, которые предназначены для определения различных болезней. Например, один вид частиц сможет скапливаться возле раковой клетки или поврежденного фрагмента ДНК. Другие частицы будут искать холестериновые бляшки, из-за которых появляются тромбы, и в дальнейшем есть риск получить сердечный приступ или инсульт. В целом можно будет самостоятельно без очередей в клинике изучить полный биохимический анализ крови в любое время. 

Новый способ растянуть фрагмент монокристаллического кремния (который является очень жестким и хрупким материалом) в 10 раз по сравнению с его первоначальной длиной без использования полимерных подложек предложила группа ученых из Саудовской Аравии. Неорганический монокристаллический кремний является основным строительным компонентом более 90% всех современных технологий. Однако этому материалу свойственна хрупкость и жесткость, поэтому он не может быть растянут без предварительного размещения на полимерной подложке. И даже при использовании подложек он может растянуться лишь в 3,5 раза от первоначальной длины. Все это означает, что кремний не может использоваться без доработки в гибкой электронике – области, которая становится все более важной с появлением так называемого «интернета вещей», носимой электроники, электронной бумаги, гибких дисплеев и искусственной «умной кожи». До сих пор ученым никак не удавалось создать кремниевые структуры, пригодные для указанных выше применений, поэтому начались поиски альтернативных полупроводниковых материалов, которые могли бы обеспечить производство электронных компонент, не уступающих по своим параметрам кремниевым. К сожалению, пока этот процесс не увенчался успехом. Найденные полупроводниковые материалы обладают собственными недостатками. В поисках структуры, которая могла бы использоваться во всех перечисленных сферах, группа исследователей из King Abdullah University of Science and Technology (KAUST, Саудовская Аравия) успешно изготовила сеть из гексагональных фрагментов монокристаллического кремния, соединенных между собой спиральными пружинами, которая может растягиваться в 10 раз относительно своей первоначальной длины (увеличивая при этом в 30 раз свою площадь). Стоит отметить, что в рамках работы сходная методика была успешно применена и к другим неорганическим полупроводникам. Создание гексагональной сети команда начала с симуляции, построенной на методе конечных элементов (Finite Element Method, FEM), которая позволила понять, как различные сетевые соединения фрагментов кремния ведут себя под нагрузкой (при растяжении и иной реконфигурации). После того, как они остановились на гексагональной структуре, для создания первого образца были задействованы литографические методики, совместимые с обычными техниками производства CMOS. Надо отметить, что предложенный учеными метод изготовления сети подразумевает использование всего одного шага, т.е. он может быть легко масштабирован на коммерческие проекты. Список потенциальных приложений разработки огромен. Это и сети электронных и оптоэлектронных датчиков, и «умная» кожа для роботов, и носимая гибкая электроника, и биоинтегрированные медицинские устройства (к примеру, биомедицинские датчики). 

Технологии акустической левитации уже далеко не новы, уже в течение достаточно долгого времени люди умеют перемещать объекты в пространстве при помощи звуковых волн, но большинство из существующих технологий может обеспечить управлением перемещением по одной или, максимум, по двум пространственным координатам. 

В своих исследованиях Йоичи Очиэй (Yoichi Ochiai), Такаюки Хоши (Takayuki Hoshi) и Юн Рекимото (Jun Rekimoto) пошли намного дальше, их матрицы направленных звуковых излучателей, расположенные в определенных точках, позволяют перемещать предметы по совершенно произвольным траекториям. «Наша система манипуляции объектами в пространстве имеет две оригинальные особенности. Сила, воздействующая на предмет, является результатом сложения воздействий нескольких направленных лучей ультразвуковых волн. Это позволяет нам получить стоячую звуковую волну и зафиксировать ее минимумы и максимумы в строго определенных точках пространства. Изменяя параметры звуковой волны, вырабатываемой одним или большим количеством направленных излучателей, мы можем заставить эту стоячую волну перемещаться в пространстве по необходимой нам траектории, что приводит к перемещению удерживаемого волной объекта. А используя звук различной мощности, мы можем перемещать объекты различной формы, изготовленные из материалов с различной плотностью». 

О проблемах «технологии» модернизации экономики в России на основе анализа опыта Израиля и других стран я буду говорить на конференции в Московском физико-техническом институте, которая будет проходить в Долгопрудном Московской области 26-27 ноября 2014 года. Также планирую осветить и вопрос о подготовке инновационных инженеров для новейших технологических процессов, без которых невозможно себе представить будущие миры.