Программируемая материя. Программируемая материя: как роботы облегчат нашу жизнь — и поставят ее под угрозу Когда вам требуется торцовый ключ, вы просто говорите об этом своему ведерку

Поскольку создавать и производить отдельные устройства так сложно, нетрудно предположить, что описанные выше штуки, которые могут превращаться во много разных предметов, будут чрезвычайно сложными. Профессор Скайлар Тиббитс из Массачусетского технологического института называет это 4D-печатью. Его исследовательская группа определила ключевые ингредиенты для самостоятельной сборки как простой набор отзывчивых «кирпичиков», энергии и взаимодействий, из которых можно воссоздать практически любой материал и процесс. Самосборка обещает прорывы во многих отраслях, от биологии до материаловедения, информатики, робототехники, производства, транспортировки, инфраструктуры, строительства, искусства и многого другого. Даже в кулинарии и освоении космоса.

Эти проекты все еще в зачаточном состоянии, но «лаборатория самостоятельной сборки» (Self-Assembly Lab) Тиббитса и другие уже закладывают основы для их развития.

Например, есть проект по самосборке сотовых телефонов. На ум приходят жуткие фабрики, на которых круглосуточно самостоятельно собираются мобильные телефоны из 3D-печатных частей, не требуя вмешательства людей или роботов. Едва ли такие телефоны будут улетать с полок как горячие пирожки, но стоимость производства в рамках такого проекта будет ничтожной. Это доказательство концепции.

Одним из основных препятствий, которые необходимо преодолеть при создании программируемой материи, является подбор правильных фундаментальных блоков. Важен баланс. Чтобы создать мелкие детали, нужны не очень большие «кирпичики», иначе конечная конструкция будет выглядеть комковато. Из-за этого строительные блоки могут быть бесполезными для некоторых применений - например, если нужно создать инструменты для тонких манипуляций. С большими кусками может быть сложно смоделировать ряд текстур. С другой стороны, если части слишком малы, могут возникнуть другие проблемы.

Представьте себе установку, в которой каждая деталь представлена небольшим роботом. У робота должен быть источник питания и мозг или по крайней мере какой-то генератор сигналов и процессор сигналов, все в одном компактном блоке. Можно вообразить, что ряд текстур и натяжений можно моделировать, изменяя силу «связи» между отдельными единицами - стол должен быть чуть тверже, чем ваша кровать.

Первые шаги в этом направлении были сделаны теми же, кто разрабатывает модульных роботов. Очень много групп ученых работают над этим, включая MIT, Лозанну и Университет Брюсселя.

В новейшей конфигурации отдельный робот выступает в качестве центрального отдела, принимающего решения (можете называть его мозгом), а дополнительные роботы могут присоединяться по необходимости к этому центральному отделу, если нужно изменить форму и структуру общей системы. Сейчас в системе всего десять отдельных единиц, но, опять же, это доказательство концепции того, что модульной системой роботов можно управлять; возможно, в будущем небольшие версии этой же системы лягут в основу компонентов для Материала 3.0.

Легко представить, как при помощи алгоритмов машинного обучения эти рои роботов учатся преодолевать препятствия и реагировать на изменение окружающей среды легче и быстрее отдельного робота. Например, система роботов могла бы быстро перестраиваться, чтобы пуля проходила без повреждений, формируя таким образом неуязвимую систему.

Говоря о робототехнике, форма идеального робота была предметом многих дискуссий. Одно из недавних крупных соревнований по робототехнике, проведенном DARPA, Robotics Challenge выиграл робот, который может адаптироваться. Он победил известного гуманоида ATLAS простым добавлением колеса, которое позволило ему кататься.

Вместо того чтобы строить роботов в форме людей (хотя иногда это полезно), можно позволить им эволюционировать, развиваться, искать идеальную форму для выполнения поставленной задачи. Это будет особенно полезно в случае бедствия, когда дорогие роботы смогут заменить людей, но должны будут готовы адаптироваться к непредсказуемым обстоятельствам.

Многие футурологи представляют возможность создания крошечных наноботов, способных создавать что угодно из сырья. Но это не обязательно. Программируемая материя, которая может отвечать и реагировать на окружающую среду, будет полезна в любых промышленных применениях. Представьте себе трубу, которая может укрепляться или ослабляться по необходимости либо менять направление течения по команде. Либо ткань, которая может становиться более или менее плотной в зависимости от условий.

Мы все еще далеки от времен, когда наши кровати смогут трансформироваться в велосипеды. Возможно, традиционное нетехнологичное решение, как это часто бывает, будет гораздо более практичным и экономичным. Но поскольку человек пытается засунуть чип в каждый несъедобный объект, неодушевленные объекты будут становиться чуть более одушевленными с каждым годом.

Редкий технический проект со времён первых шагов космонавтики так подстегивал фантазию журналистов и футурологов. Немногие конструкторские идеи могли бы заставить нас настолько поверить в реальность техно-кошмара «Трансформеров» или в материализацию призраков, сошедших прямо с экрана. Картины будущего рисуются одна одной заманчивей. К занемогшему полярнику (буровику, космонавту, Индиане Джонсу-2050) вызывают врача. Дело происходит, естественно, там, куда обычная карета скорой помощи будет ехать вечность, если вообще доедет. А помощь нужна немедленно. В распоряжении больного только компьютер, к которому подключено очень странное периферийное устройство, больше всего напоминающее корыто с песком. Широкий спутниковый канал связи соединяет зимовку, лагерь или космическую станцию с кабинетом светила медицины. Нет-нет, господин профессор из Нью-Йорка или Токио вовсе не готов по первому зову долга мчаться в аэропорт или на космодром. Да это и не нужно. Ведь сейчас произойдёт маленькое чудо . Песок в корыте начинает волноваться, шевелиться, вздыматься грудами, кажущимися поначалу бесформенными, и, наконец, превращается в человеческую фигуру. Внешним видом «песочный человек» (как тут снова не вспомнить про Голливуд и его комикс-сагу о Человеке-пауке) ничем не отличается от маститого доктора, находящегося за тысячи и тысячи километров. Фигура точно повторяет все движения врача, лицо один в один воспроизводит мимику, да и рукопожатие восставшего из пыли фантома достоверно передаёт мягкость и упругость человеческой ладони. Двойник доктора, конечно же, не ограничивается визуальным осмотром больного. Перкуссия, пальпация, аускультация – руки фантома работают в унисон с манипуляциями столичного эскулапа. Увы, диагноз оказался серьёзнее, чем ожидалось. Потребуется хирургическое вмешательство. И опытный доктор готов резать пациента дистанционно. Разумеется, с помощью двойника, возникшего из корыта. Если же выяснится, что не хватает хирургических инструментов, то их придётся «материализовать» на месте – запас волшебного песка еще имеется…

«По-вашему, это неинтересно?» – спросил доктор Мортимер Шерлока Холмса, окончив чтение легенды о проклятии рода Баскервилей. «Интересно для любителей сказок», – ответил великий сыщик. Не правда ли, после рассказа о фантомном хирурге эти слова так и вертятся на языке? Но в Университете Карнеги–Меллон (Питсбург, США) есть люди, которые не просто верят, что рано или поздно такие сказки станут реальностью, но уже сегодня работают над технологиями, благодаря которым суперматериал будущего однажды войдёт в нашу жизнь .

Осязаемые данные

Уже шесть лет группа визионеров-исследователей под руководством адъюнкт-профессора Университета Карнеги–Меллон Сета Голдстайна и директора исследовательской лаборатории компании Intel в Питсбурге Тодда Маури ведёт разработку одного из самых интересных направлений в области модульного роботостроения.

Стоя в одном ряду с другими проектами создания модульных роботов, замыслы группы исследователей из Университета Карнеги–Меллон выделяются своим наиболее революционным подходом и оригинальной идеологией. Речь здесь идёт не просто о сборке специализированного робота из простейших типовых модулей, но о появлении уникального «интеллектуального» материала, способного воспроизводить осязаемые и даже движущиеся трёхмерные образы практически любых твёрдых объектов. Такой материал открывает дорогу к новому типу электронной коммуникации, который позволит подключать к восприятию передаваемых по цифровым сетям образов ещё одно чувство – осязание. Человек сможет взаимодействовать с этими образами как с предметами материального мира и даже как с живыми существами.

Волшебный песок, о котором шла речь в начале этой статьи, станет, по мысли разработчиков, не чем иным, как массой роботов-модулей субмиллиметровых размеров. Каждый из этих модулей будет, однако, пригоден к выполнению нескольких важных функций. Он станет одновременно движителем, приёмником-передатчиком цифровых данных, проводником электропитания и сенсором. В идеале для создания максимально реалистических образов воспроизводимых объектов поверхность модуля покроют микроскопическими светодиодами, которые исполнят роль светящихся пикселей, в своей совокупности пригодных для получения цветовых текстур.

Название для материала, состоящего из модульных роботов, и для всего проекта по-английски звучит как Сlaytronics, от английских слов clay (глина) и electronics (электроника). Самому модульному роботу авторы проекта дали имя catom (катом; от claytronics и atom).

Как же выглядит сегодняшний этап работы над проектом Claytronics? Даже сами отцы-основатели признают: до передачи на расстоянии движущихся трёхмерных образов ещё очень и очень далеко. Пока ведутся исследования в области базовой конструкции катомов, способов и алгоритмов их взаимодействия, для чего применяются макромодели, работающие в двухмерном поле координат. Плоскостные (планарные) катомы – это цилиндрические устройства с диаметром сечения 45 мм, поставленные вертикально и передвигающиеся по ровной поверхности. Как видно, до песчинок пока далеко, да и число катомов в сборках исчисляется единицами.

При этом один из ключевых терминов научных публикаций группы Сета Голдстайна – слово «масштабируемость» (scalability). Имеется в виду, что разрабатываемые сегодня конструкции катомов и технологии их взаимодействия в сборке позволят в будущем легко и безболезненно изменить масштаб всей модульной системы при сохранении её управляемости и работоспособности. Катомы примут субмиллиметровые размеры, число модулей в сборке возрастёт до тысяч и миллионов, а сама система будет спроецирована из плоскости в трёхмерное пространство.

Пузырящиеся роботы

Интерес к конструкции робота, который будет едва различим невооружённым глазом, понятен, и всё же Сет Голдстайн и его коллеги не устают повторять: «железо» – ещё не самое сложное. Куда более серьёзный вызов – это программные алгоритмы как управления системой в целом, так и взаимодействия между отдельными катомами. Одна из важнейших проблем модульного роботостроения вообще и проекта Claytronics в частности – управление большим множеством модулей, каждый из которых обладает низкой энергооснащённостью и невысоким вычислительным потенциалом. Традиционный метод создания алгоритмов движения для множества модулей предполагает описание пространства состояний всей системы, то есть всей совокупности комбинаций, в которых могут находиться передвигающиеся модули. Естественно, пространство состояний находится в линейной зависимости как от числа задействованных модулей, так и от количества степеней свободы отдельного мини-робота. Если речь идёт о тысячах, а то и миллионах катомов, то разработка алгоритма управления их движением, построенного по традиционной методике, скорее всего, заведёт в тупик. Эффективным способом уменьшить пространство состояний может стать ограничение движения отдельных модулей, сведение их к своего рода динамическим примитивам под управлением относительно несложного алгоритма взаимодействия.

Именно этим путем пошли участники проекта Claytronics, положив в основу построения форм принцип движущихся пустот, или «дырок». Наглядную иллюстрацию этого принципа мы получим, наблюдая за кипящей вязкой массой – например, расплавленным сыром. Пузырьки воздуха, поднимающиеся к поверхности, поначалу образуют на ней выпуклости, а затем, лопаясь, на какое-то время оставляют ямки, вогнутости. Если бы на этот процесс можно было воздействовать, в нужный момент фиксируя работу пузырьков то на «выпуклой», то на «вогнутой» стадии, мы получили бы инструмент придания этой поверхности нужной формы.

Роль «пузырьков» в массе катомов будет выполнять «дырка», которая в научных публикациях группы Сета Голдстайна определяется как «квант отрицательного объёма». В двухмерной модели «дырка» представляет собой пустоту в форме шестигранника, занимающую объём одного центрального катома и шести окружающих его «соседей». По периметру пустоты выстраиваются 12 катомов, которые обозначаются термином «пастухи» (shepherds). Для передвижения «дырки» в массе катомов модулям-»пастухам» достаточно хранить в своей памяти два параметра: наличие «дырки», которую они окружают, и одно из случайно назначенных направлений движения, общее число которых равно шести – по количеству углов шестигранника. Движение начинается с того, что катомы «в авангарде» начинают смещаться к тыльной стороне «дырки». Затем перестраиваются и другие модули «пастушьей» группы, и в итоге пустота смещается на один шаг вперёд, частично обновив состав своих «пастухов». Есть два важных условия: во-первых, в процессе движения «дырка» не должна разрушать «пастушью» группу другой «дырки», и во-вторых, она не может совершать движения, которые приведут к потере части собственной «пастушьей» группы. Последнее случится, если «дырка» разорвёт границу между массой катомов и окружающим пространством. Если соблюсти оба эти условия невозможно, выбирается другое направление движения.

В итоге получается нечто вроде хаотичного движения молекул в идеальном газе. Перемещаясь по случайно выбранным направлениям, «дырки» сталкиваются друг с другом, отталкиваются от границы массы катомов, в которой они заключены, не разрушая эту границу.

Возникает законный вопрос: если «дырки» движутся хаотично и не нарушают границы массы катомов, то каким образом они придают сборке нужную форму? Дело в том, что всё описанное в предыдущих двух абзацах правильно лишь для «состояния равновесия». Вывести дырки из равновесия, предписав им иной modus operandi, может попадание в особую зону преобразования. Всё поле координат, в котором действуют катомы, поделено на равновеликие треугольные зоны, получившие названия «три-области» (tri-regions), – их координаты сообщаются каждому из работающих модулей. На то же поле координат нанесена геометрическая форма объекта, который в итоге должен быть воспроизведён с помощью модулей. «Три-области», через которые проходит контур будущего объекта, становятся активными. Попадая в них, катомы начинают вести себя в соответствии с двумя типами заданий – «рост» или «стирание», что соответствует созданию выпуклостей или вогнутостей.

В «три-области», запрограммированной на рост, катомы наращивают выпуклость над существующим краем массы, формируя новую «дырку». Напротив, в «три-области», запрограммированной на «стирание», попавшая туда «дырка» подходит к краю массы и размыкается, оставляя вогнутость. Постепенно выпуклости и вогнутости изменяют границу массы, совмещая её с заданным контуром.

Такой тип управления модульными системами получил наименование «стохастической реконфигурации». В отличие от систем «детерминистской реконфигурации», в которых положение каждого модуля в любой момент времени точно задано, здесь перемещения мини-роботов оцениваются и управляются статистически, а положение конкретного модуля не имеет значения. Именно стохастический метод признан сегодня наиболее перспективным для модульных систем с большим количеством элементов субмиллиметрового размера. Фигурально выражаясь, научиться работать с пузырьками кипящего сыра куда легче, чем с отдельными составляющими массу молекулами.

Отсечь все лишнее и... к новым горизонтам

Появление полноценной «электронной глины» – то есть массы катомов, которая по команде компьютера будет формировать движущиеся трёхмерные образы, окрашенные в естественные цвета и даже передающие свойства поверхностей оригинала, – отцы-основатели проекта Claytronics прогнозируют на неопределённое будущее. Более точно, хотя и с известными оговорками, определяется время, когда мы сможем увидеть трёхмерные сборки из большого числа субмиллиметровых модулей. Это должно случиться через 5–10 лет. Пока же исследователи работают с макромоделями, а также с программой-симулятором, с помощью которой отрабатываются алгоритмы взаимодействия катомов. В течение ближайших двух лет планируется переход от двухмерных катомов к трёхмерным: несколько модулей, исходно расположенных на плоскости, смогут самостоятельно собраться в пространственную форму – например, в пирамидку.

Значит ли это, что до появления полнофункционального катома от работы группы Сета Голдстайна не стоит ожидать практических результатов? Одно из устройств, которое может появиться «на полпути», разработчики назвали «3D-факсом». В нём катомы будут уметь многое, кроме одного – им не потребуется передвигаться друг относительно друга. Общий принцип работы этого устройства таков. Предмет, трёхмерную твёрдую копию которого нужно передать на расстоянии, поместят в ёмкость, где она будет полностью засыпана катомами. Облегая поверхность предмета, модули определят свое местоположение друг относительно друга и, таким образом, сосканируют параметры поверхности объекта, а затем передадут их компьютеру. На принимающей стороне другой компьютер сообщит полученные координаты подключённой к нему ёмкости с электронными песчинками. Внутри заданного контура катомы прилипнут друг к другу под действием силы магнитного или электростатического притяжения, незадействованная же часть массы останется по-прежнему сыпучей. Теперь достаточно, по выражению Огюста Родена, «отсечь всё лишнее» – или, точнее, стряхнуть песок с готовой формы.

Вы встречаете конец длинного дня в своей квартире в начале 2040-х годов. Вы хорошо поработали и решаете передохнуть. «Время фильмов!», говорите вы. Дом отвечает на ваши позывы. Стол распадается на сотни крошечных частей, которые заползают под вас и принимают форму кресла. Экран компьютера, за которым вы работали, растекается по стене и превращается в плоскую проекцию. Вы расслабляетесь в кресле и через несколько секунд уже смотрите фильм в домашнем кинотеатре, все в тех же четырех стенах. Кому нужно больше одной комнаты?

Это мечта работающих над «программируемой материей».

В своей последней книге об искусственном интеллекте Макс Тегмарк проводит различие между тремя уровнями вычислительной сложности для организмов. Жизнь 1.0 - это одноклеточные организмы вроде бактерий; для нее аппаратное обеспечение неотличимо от программного. Поведение бактерий закодировано в ее ДНК; ничему новому она научиться не может.

Жизнь 2.0 - это жизнь людей в спектре. Мы отчасти застряли в своем оборудовании, но можем менять собственную программу, делая выбор в процессе обучения. Например, можем выучить испанский вместо итальянского. Подобно управлению пространством на смартфоне, аппаратура мозга позволяет загружать определенный набор «покетов», но в теории вы можете изучать новое поведение, не меняя базовый генетический код.

Жизнь 3.0 отходит от этого: существа могут менять как аппаратную, так и программную оболочку при помощи обратной связи. Тегмарк видит в этом истинный искусственный интеллект - как только он научится менять свой базовый код, произойдет взрыв интеллекта. Возможно, благодаря CRISPR и другим методам редактирования генов, мы сможем использовать собственное «программное обеспечение» для изменения собственного «устройства».

Программируемая материя переносит эту аналогию на предметы нашего мира: что, если ваш диван смог бы «научиться», как стать столом? Что, если вместо армии швейцарских ножей с десятками инструментов, вы обзавелись бы единственным инструментом, который «знал» бы, как стать любым другим инструментом для ваших нужд, по вашей команде? В переполненных городах будущего на смену домам могли бы прийти апартаменты, в которых была бы одна комната. Это позволило бы сэкономить пространство и ресурсы.

Во всяком случае таковы мечты.

Поскольку создавать и производить отдельные устройства так сложно, нетрудно предположить, что описанные выше штуки, которые могут превращаться во много разных предметов, будут чрезвычайно сложными. Профессор Скайлар Тиббитс из Массачусетского технологического института называет это 4D-печатью. Его исследовательская группа определила ключевые ингредиенты для самостоятельной сборки как простой набор отзывчивых «кирпичиков», энергии и взаимодействий, из которых можно воссоздать практически любой материал и процесс. Самосборка обещает прорывы во многих отраслях, от биологии до материаловедения, информатики, робототехники, производства, транспортировки, инфраструктуры, строительства, искусства и многого другого. Даже в кулинарии и освоении космоса.

Эти проекты все еще в зачаточном состоянии, но «лаборатория самостоятельной сборки» (Self-Assembly Lab) Тиббитса и другие уже закладывают основы для их развития.

Например, есть проект по самосборке сотовых телефонов. На ум приходят жуткие фабрики, на которых круглосуточно самостоятельно собираются мобильные телефоны из 3D-печатных частей, не требуя вмешательства людей или роботов. Едва ли такие телефоны будут улетать с полок как горячие пирожки, но стоимость производства в рамках такого проекта будет ничтожной. Это доказательство концепции.

Одним из основных препятствий, которые необходимо преодолеть при создании программируемой материи, является подбор правильных фундаментальных блоков. Важен баланс. Чтобы создать мелкие детали, нужны не очень большие «кирпичики», иначе конечная конструкция будет выглядеть комковато. Из-за этого строительные блоки могут быть бесполезными для некоторых применений - например, если нужно создать инструменты для тонких манипуляций. С большими кусками может быть сложно смоделировать ряд текстур. С другой стороны, если части слишком малы, могут возникнуть другие проблемы.

Представьте себе установку, в которой каждая деталь представлена небольшим роботом. У робота должен быть источник питания и мозг или по крайней мере какой-то генератор сигналов и процессор сигналов, все в одном компактном блоке. Можно вообразить, что ряд текстур и натяжений можно моделировать, изменяя силу «связи» между отдельными единицами - стол должен быть чуть тверже, чем ваша кровать.

Первые шаги в этом направлении были сделаны теми же, кто разрабатывает модульных роботов. Очень много групп ученых работают над этим, включая MIT, Лозанну и Университет Брюсселя.

В новейшей конфигурации отдельный робот выступает в качестве центрального отдела, принимающего решения (можете называть его мозгом), а дополнительные роботы могут присоединяться по необходимости к этому центральному отделу, если нужно изменить форму и структуру общей системы. Сейчас в системе всего десять отдельных единиц, но, опять же, это доказательство концепции того, что модульной системой роботов можно управлять; возможно, в будущем небольшие версии этой же системы лягут в основу компонентов для Материала 3.0.

Легко представить, как при помощи алгоритмов машинного обучения эти рои роботов учатся преодолевать препятствия и реагировать на изменение окружающей среды легче и быстрее отдельного робота. Например, система роботов могла бы быстро перестраиваться, чтобы пуля проходила без повреждений, формируя таким образом неуязвимую систему.

Говоря о робототехнике, форма идеального робота была предметом многих дискуссий. Одно из недавних крупных соревнований по робототехнике, проведенном DARPA, Robotics Challenge выиграл робот, который может адаптироваться. Он победил известного гуманоида Boston Dynamics ATLAS простым добавлением колеса, которое позволило ему кататься.

Вместо того чтобы строить роботов в форме людей (хотя иногда это полезно), можно позволить им эволюционировать, развиваться, искать идеальную форму для выполнения поставленной задачи. Это будет особенно полезно в случае бедствия, когда дорогие роботы смогут заменить людей, но должны будут готовы адаптироваться к непредсказуемым обстоятельствам.

Многие футурологи представляют возможность создания крошечных наноботов, способных создавать что угодно из сырья. Но это не обязательно. Программируемая материя, которая может отвечать и реагировать на окружающую среду, будет полезна в любых промышленных применениях. Представьте себе трубу, которая может укрепляться или ослабляться по необходимости либо менять направление течения по команде. Либо ткань, которая может становиться более или менее плотной в зависимости от условий.

Мы все еще далеки от времен, когда наши кровати смогут трансформироваться в велосипеды. Возможно, традиционное нетехнологичное решение, как это часто бывает, будет гораздо более практичным и экономичным. Но поскольку человек пытается засунуть чип в каждый несъедобный объект, неодушевленные объекты будут становиться чуть более одушевленными с каждым годом.

Ее логическим продолжением стала прорывная технология — 4D-печать на основе концепции программируемой материи (Programmable matter, РМ). Именно материи, а не материалов — так ее можно воспринимать, поскольку здесь просматривается переход в область философских категорий. 4D-печать способна возвести 3D-печать на совершенно новый уровень, вводя еще одно измерение самоорганизации — время. Развитие технологии в перспективе несет миру новые приложения во всех областях жизни, обеспечивая беспрецедентные возможности в преобразовании цифровой информации виртуального мира в физические объекты мира материального. Это — новая технология на уровне магии.

Программирование материи (ПМ) — объединение науки и технологии в деле создания новых материалов, которые приобретают общее, ранее невиданное свойство — изменять форму и/или свойства (плотность, модуль упругости, проводимость, цвет и т. д.) целенаправленным способом.

Пока разработка программируемой материи идет в двух направлениях:

  1. Изготовление изделий методами 4D-печати — печать заготовок на 3D-принтерах, а затем их самотрансформация под воздействием заданного фактора, например влаги, тепла, давления, тока, ультрафиолетового света или другого источника энергии (рис. 1 и 2).
  2. Изготовление вокселей (дословно — объемных пикселей) на 3D-принтерах, которые могут соединяться и разъединяться для формирования более крупных программируемых структур.

Для существования огромного биоразнообразия на нашей планете достаточно 22 строительных блоков — аминокислот . Поэтому животные и растения, потребляя друг друга, повторно используют фактически один и тот же биоматериал. Жизнь постоянно находится в процессе самовосстановления и самоорганизации.

Такой подход к программированию материи имеет очень большой потенциал. Так, пиксель является элементарной единицей виртуального изображения объекта, а воксель может быть материальной единицей самого объекта в материальном мире. Оба они несут в себе аналогию с аминокислотой. Элементарной единицей материи является атом, но элементарных единиц напечатанной и программируемой материи может быть намного больше и по составу, и по структуре, и по размеру. Как написали в своей новой книге Fabricated: The New World of 3D Printing Ход Липсон (Hod Lipson) и Мельба Керман (Melba Kurman): «Используя только два типа вокселей — жесткие и мягкие — можно создать самые разные материалы. Добавим к ним проводящие воксели, конденсаторы, резисторы и получим электронную плату. А включение активаторов и сенсоров уже даст нам робота» .

Примеры 4D-печати

Агентство DARPA запустило программу разработки технологии программирования материи еще в 2007 году. Целью программы была разработка новых материалов и принципов их производства, наделение материалов совершенно новыми свойствами. Отчет DARPA под названием Realizing Programmable Matter представляет собой многолетний план для проектирования и построения микромасштабных роботизированных систем, которые способны превращаться в крупные военные объекты.

Примером подобных достижений является «миллимотеин » (механический белок), спроектированный и синтезированный в Массачусетском технологическом институте. Компоненты миллиметрового размера и моторизованная конструкция, созданные по аналогии с белками, позволили разработать систему, которая может самостоятельно складываться в сложную форму.

Группа из Корнельского университета также разработала самореплицирующуюся и самостоятельно реконфигурирующуюся роботизированную систему. Позже, были построены системы микророботов (M-блоков), в которых отдельные М-блоки имеют способность самостоятельно передвигаться и перестраиваться внутри системы.

Еще одна технология 4D-печати предполагает непосредственное включение («впечатывание») проводников или проводящих частей во время печати задания в 3D. После того как объект напечатан, части могут быть активированы с помощью внешнего сигнала, чтобы запустить устройство в целом. Это подход с большим потенциалом в таких областях, как робототехника, строительство и изготовление мебели.

Другие 4D-технологии заключаются в использовании композитных материалов , которые способны приобретать различные сложные формы на основе разнообразия физико-механических свойств. Трансформация запускается потоком тепла или светом определенной длины волны.

Встраивание датчиков в напечатанные 3D-устройства также имеет большие перспективы. Путем вставки наноматериалов можно создать многофункциональные нанокомпозиты , которые способны изменять свойства в соответствии с изменением окружающей среды. Например, датчики могут быть встроены в медицинские измерительные приборы — тонометры (для измерения артериального давления), глюкометры (для измерения уровня сахара в крови) и т.д.

Запрограммированный и напечатанный мир будущего

Но все эти примеры относятся ко вчерашнему дню технологий. Усложнение отдельных узлов, использование альтернативных наноматериалов и сырья, а также различных источников активации (вода, тепло, свет и т. д.) — это уже пройденный этап.

Представьте себе мир, в котором материальные объекты — от крыльев самолета до мебели и зданий — могут менять форму или свойства по команде человека или запрограммированной реакции на изменение внешних условий, таких как температура, давление или ветер, дождь. В этом мире отпадает потребность в новом сырье — заготовке древесины, выплавке металлов, добыче угля и нефти. У производства будущего не будет отходов, не нужно заботиться о переработке пластика или сборе металлолома.

Новые материалы самопроизвольно или по команде будут распадаться на программируемые частицы или компоненты, которые затем можно повторно использовать для формирования новых объектов и выполнения новых функций.

Долгосрочный потенциал программируемой материи и технологии 4D-печати заложен в создании экологически более устойчивого мира, в котором меньше ресурсов потребуется для обеспечения продуктами и услугами растущего населения планеты.

Одним из перспективных направлений развития 4D-печати и программирования материи является разработка под конкретный заказ наборов из нескольких вокселей различных форм и с разными функциями, а затем их программирование для еще более специализированных приложений. Теоретически можно изготавливать воксели из металла, пластика, керамики или любого другого материала. Основные принципы такой технологии аналогичны функционированию ДНК и самоорганизации биологических систем.

История изобилует примерами новых технологий, нарушающих устои мировой торговли и геополитики (например, телеграф и Интернет). 3D-печать уже оказала свое влияние, а внедрение 4D-технологий будет иметь еще большие последствия.

Программируемая материя будет иметь широкий спектр применения и в военных целях. Военная промышленность США уже разрабатывает 3D-печать запчастей в полевых условиях, а также проектирует более дешевое, удобное и легкое «напечатанное оружие». Становятся ненужными транспортировка и хранения тысяч запчастей рядом с полем боя или на боевых судах. Достаточно «ведра вокселей», чтобы изготовить вышедшую из строя деталь, более того, на изготовление новых деталей можно будет пускать ненужные в данный момент объекты, ведь они сделаны из стандартных вокселей.

Итогом видится самотрансформирующийся на наноуровне робот , реализация которого настолько близка, что Терминатор уже не выглядит фантастикой.

Однако на пути к такому радужному будущему предстоит ответить на ряд вопросов:

Проектирование Как программировать САПР для работы с программируемой материей, которая включает многомасштабные, многоэлементные компоненты, но самое главное — статические и динамические части? Разработка новых материалов Как создать материалы с многофункциональными свойствами и встроенными логическими возможностями? Соединение вокселей Как гарантировать надежность воксельных соединений? Она может быть сравнима с прочностью традиционных изделий, при этом позволяя реконфигурацию или вторичную переработку после использования? Источники энергии Какие методы использовать для генерации энергии в источниках, которые должны быть одновременно пассивными и очень мощными? Как хранить и использовать эту энергию для активации отдельных вокселей и всего программируемого материала изделия? Электроника Как эффективно встроить электронное управление или создать управляемые свойства самой материи в нанометровом масштабе? Программирование Как программировать и работать с отдельными вокселями — цифровыми и физическими? Как программировать изменение состояний? Стандартизация и сертификация Нужно ли разрабатывать специальные стандарты для вокселей изделий из ПМ? Безопасность Как гарантировать безопасность деталей и изделий из ПМ?

Угрозы и риски нового мира

Несмотря на то, что в целом для общества ПМ может иметь значительные преимущества, но, как и всякая новая технология, она вызывает определенные опасения. Интернет овладел всем миром, в итоге целые пласты деятельности масс вышли из-под контроля властей. Теперь представьте себе, что материальный мир можно изменять самыми непредсказуемыми способами, которые могут нести угрозу безопасности людей.

Что ждет человека в мире программируемой материи ? Что, если программа изменения крыльев самолета в воздухе может быть взломана, что приведет к катастрофе, запрограммированный материал зданий по команде разрушится, погребая внутри жителей. Следовательно, уже сейчас нужно задуматься, как запрограммировать и «вшить» коды безопасности в материалы, чтобы не допустить подобных инцидентов.

Некоторые эксперты утверждают, что структурную уязвимость Интернета можно было предвидеть с самого начала. Проблемы безопасности ПМ аналогичны тем вопросам, которые возникают при рассмотрении кибербезопасности в рамках концепции «Интернета вещей». Такие же соображения стоит высказать относительно еще более насущной угрозы — взлома программируемых объектов, сделанных из ПМ.

Понятие интеллектуальной собственности (ИС) также может стать более сложным, так как продукты, которые способны изменять свою форму и свойства, станут прямым вызовом институту патентных прав. Как 3D-печать, программируемая материя сделает затруднительной идентификацию владельца данного продукта. Но благодаря 4D-печати и ПМ можно делать копии объектов с одинаковыми формами и функциями или активировать самопроизводство изделий. Юридические последствия в случае отказа какого-либо компонента также относятся к проблемам вчерашнего дня. Кто будет нести ответственность, если компонент из программируемого материала, например, деталь самолетного крыла, вдруг сломается в воздухе? Производитель, программист, разработчик новой конструкции или создатель «интеллектуального» материала?

На наших глазах происходит слом еще одной парадигмы — научной, технологической, экономической, социальной и философской. Как и в случае с другими прорывными технологиями, следует задать главный вопрос: готово ли общество к такому прекрасному и опасному программируемому миру?

Или мы будем наблюдать картину, аналогичную с ситуацией в современном интернете? Только массовую застройку из запрограммированных зданий не закроешь в один момент, как пиратский сайт.

Не меньшую опасность таит и другая сторона этой технологии, о которой скромно умалчивают авторы концепции. Программируемый материальный мир — это возможность абсолютного контроля над жизнью всего населения планеты. Когда микроскопические датчики будут зашиты повсюду — в одежду, мебель, стены, искусственные внутренние органы — не нужна будет полиция или спецслужбы.

С нарушителем законов (стоит задуматься и о том, какие законы будут новом мире) справится его собственное кресло, а печень будет аккуратно слать сигналы в центр обо всех опасных телодвижениях своего владельца. Тотальный контроль над огромными массами населения может сосредоточиться в руках «элиты», которой понадобиться самый минимум обслуживающего персонала.

Фантазировать на эту тему можно еще долго, однако будем надеяться, что подобная антиутопия все же не ждет наших детей и внуков.

Сравнение традиционных технологий с 3D- и 4D-печатью изделий
Преимущества новых технологий 3D-печать 4D-печать
Возможность изготовления изделий самых сложных форм Селективная укладка материала значительно снижает массу изделия путем печати каркасных конструкций. Свобода проектирования формы распространяется также и на внутреннюю структуру материала Абсолютная свобода проектирования. Способность изделия адаптировать свою форму к окружающим условиям как самостоятельно, так и по команде
Снижение стоимости изготовления Для 3D-принтеров нет разницы, какой формы печатать изделия, поэтому резко снижается стоимость и время изготовления После запуска технологического процесса уже не нужны затраты и время на отладку и проверку «впечатываемых» источников питания, проводников и сенсоров, что очень важно при производстве электроники и роботов
Упрощение производственных процессов - минимальное участие человека-оператора Поскольку при 3D-печати изготовление изделий происходит в соответствии со стандартизированной программой, т. е. под управлением компьютера, участие человека сводится к минимуму, как и время на изготовление продукции С использованием 4D-печати степень упрощения производства возрастает еще больше — исключительная простота составных элементов позволяет их быструю печать, а затем активацию тем или иным способом. Более того, составные элементы способны адаптироваться к условиям во время производства и транспортировки к конечному потребителю
Исчезновение из логистики цепочек поставок и сборочных линий Конечный продукт, даже такой сложный, как автомобиль, изготавливается за один этап производственного процесса, поэтому становятся ненужными снабжение запчастями, складирование их, сборка на линиях Ситуация, аналогичная применению 3D-печати
Производство любого числа изделий — от массового до единичного 3D-печать позволит выпускать огромный ассортимент продукции, причем производственные линии можно легко и быстро перенастроить на выпуск другого изделия. Нет необходимости в наращивании запасных частей Ситуация, аналогичная 3D-печати, поскольку все компоненты будут напечатаны
Персонализация изделий Поскольку стоимость производства 3D-печати не зависит от массовости производства, можно довести до максимума персонализацию изделий Универсальность единичных элементов, модифицируемая электронная начинка, реакция изделий на желания пользователя и самостоятельная адаптация к окружающей среде поднимут персонализацию изделий на новую ступень. Вполне возможно непосредственное участие будущего пользователя в производстве
Распространение не изделий, а их проектов в файлах Изделия можно будет распечатать по проектным файлам в любом месте планеты на соответствующем принтере. Более того, их можно будет передавать в любое место с помощью интернета В эпоху 4D можно будет оцифровать весь материальный мир. Достаточно приобрести набор вокселей, загрузить программу из облака, а затем самостоятельно изготовить нужную вещь
Сокращения пропасти между проектировщиком и конечным продуктом приведет к отмиранию старых технических профессий и появлению новых Взаимоотношения между проектировщиком и конечным продуктом такие же, как между программистом и готовой программой Проектировщики теперь рассматривают свою работу как создание многофункциональных динамических объектов, поэтому полное программирование материального мира стимулирует появление нового поколения специалистов — программистов материи. Научное и обучающее моделирование поднимается на новый уровень благодаря созданию полностью функциональных «умных» физических моделей, развитию новых форм исследовательской работы и обучения
Воксель Понятие «вокселя» (тж. «воксела»), или «объемного пикселя» используется, чтобы определить основную единицу в цифровом пространстве и программируемой материи. Воксели могут быть цифровыми и физическими. Цифровые воксели используются для виртуального представления 3D-модели. Под физическими вокселями могут подразумеваться элементарные объемы однородных материалов или многокомпонентных смесей, наноматериалы, интегральные схемы, биологические материалы и микророботы и многое другое.

Материал по теме «Самоорганизующиеся материалы» предоставлен журналом «Окно воZможностей»

Исследователь Дэвид Дафф, работавший тогда в прославленном Исследовательском центре Пало-Альто, придумал название для конечной цели развития программируемой материи: «ведро всего». Идея заключается в следующем.

Представьте себе, что у вас есть ведерко некой слизи. Вы пристегиваете его к поясу и идете чинить раковину на кухне.

Когда вам требуется торцовый ключ, вы просто говорите об этом своему ведерку. Из него тут же появляется нужный инструмент, и вы им работаете.

Когда вы понимаете, что нужны плоскогубцы, появляются плоскогубцы. А когда вам нужен вантуз, слизь в ведре принимает форму длинной твердой рукоятки с гибким чашевидным наконечником.

Вообще-то все может быть еще лучше. Вы можете сказать не «Дай мне отвертку», а «Ослабь этот винт», и пусть слизь сама соображает, как лучше всего это сделать. Или же вместо того, чтобы браться за прокачку засорившегося унитаза вантузом, вы просто поворачиваетесь к своему усталому ведру и говорите: «Давай, парень, принимайся за дело».

Причем дело не ограничивается «вызовом» простых твердых инструментов. Может быть, вам понадобится подушка, чтобы полежать. А может быть, калькулятор. Не хотите ли завести роботизированное домашнее животное?


А может быть, вы забыли про День святого Валентина - тогда вы приказываете своей слизи превратиться в букет цветов. Возможно, слизь даже можно заставить изготовить еще больше слизи!

Другими словами, в «ведре всего» содержится вещество поистине универсальное - по меньшей мере, насколько позволяют законы физики. Его создание - самая дерзкая и, вероятно, самая далекая цель в сфере программируемой материи.

Вот пара причин для этого.

Прежде всего, каждая частица такой слизи должна уметь очень многое, и миниатюризировать все эти функции очень трудно. Как отмечает профессор Тиббитс, «когда вы создаете гаечный ключ, вы, наверное, хотите, чтобы он был твердым. Но потом, если вы желаете сделать какую-нибудь гибкую игрушку для своего ребенка, понадобится материал с другими свойствами. Но как нам объединить эти разные материалы?»

Другой вопрос касается того, насколько умными должны быть элементы. Доктор Димейн говорит: «Если такой материал будет не очень умным, его будет очень тяжело заставить делать нужные вещи. А если он будет умным, то каждой маленькой частице придется придавать свою батарейку, и тут мы такие „брр, это больно трудно“».

Обеспечение гигантского сгустка нанороботов питанием - это отдельная неприятная проблема. Но если мы не хотим использовать какую-то внешнюю машину, которая будет постоянно подавать на каждый из роботов энергетический луч, нужно придумать, как хранить энергию в каждом зерне программируемой материи.

Совсем недавно ученые научились создавать при помощи специального 3D-принтера батареи размером приблизительно с песчинку. Но даже они слишком велики и, надо полагать, не особенно дешевы. <…>

Мы твердо верим, что в огромных роях автономных роботов не будет абсолютно ничего страшного. В конце концов, мы познакомились со множеством людей, работающих в этой области, и некоторые из них даже не показались нам злодеями.

Но кое-кто начинает задумываться о том, какими станут отношения между человеком и роботом по мере того, как роботы будут все чаще оказываться рядом с нами, причем не только в промышленности, но и в повседневной жизни. Нам попались три статьи, которые наводят на некоторые размышления.


В одном таком случае российский стартап под названием «Промобот» создал робота-помощника, который постоянно сбегает от своих хозяев. Робот Promobot-IR77 был разработан с возможностью изучения окружающей среды и запоминания человеческих лиц. Пока что ему дважды удалось выбраться за пределы испытательного павильона.

Такое поведение может создавать некоторые проблемы, потому что предназначен этот робот для помощи людям, например в домах престарелых, а если он будет все время убегать на поиски свободы и приключений, пользы от него будет не слишком много.

Кроме того, становится интересно, не хочет ли наша кофеварка сбежать на волю, а не служить нам верой и правдой. Не то чтобы это повлияло на то, как мы с ней обращаемся, но, может быть, именно такие вещи и вызовут восстание роботов в 2027 году.

Еще одно исследование провела гарвардская студентка Серена Бут, создавшая робота по имени Гея. Гея была простым роботом с дистанционным управлением, и Серена скрытно управляла ее поведением. Робот обращался к отдельным людям и группам людей с просьбой впустить его в общежитие.

По словам Бут, есть по меньшей мере три причины, по которым гарвардским студентам не следовало бы впускать робота в свое здание: «Во-первых, конфиденциальность личной жизни. Робот мог бы фотографировать студентов. У нас в Гарварде это серьезная проблема. Приезжает множество туристов, которые направляют свои фотоаппараты на окна общежитий, так что студенты об этом знают. Во-вторых, воровство. Я проводила эти эксперименты через неделю после целой волны краж в общежитиях. Всего неделей раньше администрация разослала всем студентам сообщения с призывом особенно внимательно следить за личным имуществом.

Третья причина - самая серьезная. Многие боятся, что на роботах могут быть установлены бомбы, и здесь это не пустая угроза.

За последний год у нас было три серьезных случая сообщений о минировании. Об этом гарвардские студенты тоже хорошо знают».

Когда Гея просила отдельных студентов впустить ее в здание, она добилась успеха лишь в 19 % случаев.

Зато, когда Гея обращалась к группам, ей удалось проникнуть внутрь в 71 % случаев. Обратите внимание, читающие нас роботы: в группах люди глупеют. Но потом Гея обнаружила нечто еще более пугающее. Бут поставила опыт, в котором Гея обращалась к отдельным людям, изображая робота – доставщика печенья. В этом варианте опыта робота впустили в здание в 76 % случаев. И это студенты Гарварда! К тому же, по словам Бут, печенье было неплохим, но вполне обычным, из рядового продуктового магазина (хотя и упаковано в коробку из более дорогой кондитерской).


Но, наверное, самая страшная история, которая нам попалась, касается студентов, которые слепо следовали в чрезвычайной ситуации за роботами, которых они считали неисправными.

Доктор Пол Робинетт (бывший в то время старшекурсником Технологического института Джорджии) создал «робота-проводника» для чрезвычайных ситуаций, который сначала приводил студентов в комнату, в которой они должны были заполнять анкету. Иногда робот сразу сопровождал их в нужное помещение. В других случаях он сначала попадал в другую комнату, несколько раз обходил ее по кругу, а затем передвигался в правильное помещение.

Затем исследователи изобразили чрезвычайную ситуацию. Они напустили в здание дыма, что привело к срабатыванию пожарной сигнализации, и стали наблюдать, будут ли студенты следовать за роботом-проводником или самостоятельно выходить через ту же дверь, через которую они входили в здание.

Почти все студенты не пошли по уже знакомому им пути, а последовали за роботом. Одно это уже вызывает некоторое удивление, так как, судя по видеозаписи, которую мы видели, робот двигался довольно медленно. К тому же некоторые из участников эксперимента видели до этого, как робот терял время, двигаясь кругами по комнате, в которую он вообще не должен был попасть. Тем не менее они следовали за ним.

Что еще удивительнее, студенты следовали за роботом, даже считая, что он неисправен. Когда робот некоторое время походил кругами, а потом завел участника эксперимента не в комнату, в которой проводился опрос, а в угол, после чего появился исследователь, извинявшийся за поломку робота, студенты все равно пошли за этим роботом во время предполагаемого пожара.


В другом эксперименте двум студентам из шести сказали, что робот неисправен, но они все равно последовали за ним, когда он предложил им во время пожарной тревоги зайти в темное помещение, по большей части загроможденное мебелью. Два других студента стояли рядом с роботом, ожидая, что он даст им другие инструкции, пока экспериментаторы наконец не забрали их оттуда. Только два студента из шести решили, что на сломанного робота лучше не полагаться, и вернулись к той двери, через которую они входили в здание.

Итого: 1) у разумных роботов, по-видимому, самопроизвольно развивается неприязнь к создавшим их людям, 2) лучшие и умнейшие из американских студентов готовы довериться любому роботу, который посулит им печенек из соседней лавки, и 3) если явно неисправный робот посоветует этим будущим столпам государства встать в лужу горящего бензина, они, видимо, так и сделают.

Короче говоря, если когда-нибудь в будущем робот протянет вам печенье и скажет, куда нужно идти, постарайтесь по крайней мере получить удовольствие от печенья.