Технологии в электронной промышленности №2'2006

Умницы и умники

Владимир Уразаев


В последние годы слово «умный» (smart) все чаще используется для характеристики неодушевленных предметов. Почему так происходит и в чем выражается их интеллект? Что дают нам такие предметы и... что отнимают? На эти непростые вопросы и пытается дать ответ автор.


Если бы...

Январскую стужу 2006 года многие из нас перенесли бы гораздо легче, если бы... Вариантов продолжения этой фразы существует очень много. Остановимся на одном из них. Просматривая патенты по классу Н 05В (нагревательные устройства), я обратил внимание на обилие изобретений, предназначенных для облегчения жизни автолюбителям. Дело в том, что тепло для отопления салона автомобиля обычно забирается из системы жидкостного охлаждения двигателя. Исключение составляет разве что канувший в Лету «Запорожец», оборудованный автономной системой отопления. Поэтому пока двигатель автомобиля не прогрет, так же не прогрет и салон автомобиля. И если на улице очень холодно, а поездка не продолжительна, то воспоминания о валенках и прочих традиционных средствах защиты от холода неизбежны.

В чем же суть этих изобретений? Сегодня в систему отопления автомобиля предлагается встраивать позисторы — положительные резисторы, имеющие на температурной шкале участок с большой положительной величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС) [ 1 ]. Типичная зависимость сопротивления (R) позистора от температуры (Т) показана на рис. 1.

Сопротивление позистора резко возрастает в узкой температурной области обратимого фазового

превращения материала, из которого он изготовлен. Благодаря высокому положительному ТКС позисторы могут применяться в качестве автостабилизиру-ющихся нагревательных элементов, имеющих следующий алгоритм работы. Изначально позистор действует как обычный нагревательный элемент. При достижении температуры фазового перехода его сопротивление резко возрастает, и ток падает до величины, недостаточной для дальнейшего нагрева устройства. В результате позистор охлаждается, его сопротивление уменьшается, а ток растет. И температура вновь достигает значения, при котором происходит фазовое превращение материала. Такие переходы происходят многократно. При использовании позисторов нагрев происходит очень быстро, температура поддерживается очень точно и, самое главное, отпадает необходимость в сложных и не всегда надежных автоматизированных системах управления — позистор сам управляет собой.

В Германии, не такой уж и холодной стране, на долю позисторных нагревателей приходится почти 50% всех заявок на нагревательные устройства для автомобильных двигателей [2]. В этих устройствах ответственность за подогрев салона, при недостаточно прогретом двигателе, принимают на себя позисторы. Как только температура охлаждающей жидкости достигнет нужного значения, они автоматически отключаются. В реальных конструкциях многочисленные «таблетки» позисторов можно разместить, например, между пластинами радиатора отопителя автомобиля. К сожалению, подобные конструкции находят применение лишь в зарубежных автомобилях. В отношении отечественных авто пока можно говорить только в сослагательном наклонении.

Сами собой могут управлять и так называемые «вечные» предохранители. Их основу составляют токопроводящие полимеры, также обладающие положительным ТКС [3]. При электрической перегрузке цепи или коротком замыкании они ведут себя как обращаемые плавкие предохранители, переключающиеся из низкоомного в высокоомное состояние. Сопротивление данных предохранителей в проводящем состоянии равно лишь нескольким милли-омам, что делает их идеальными для применений, требующих безотказного функционирования.

Полимерный материал с положительным ТКС — это кристаллическая решетка органического полимера, содержащая токопроводящие частицы (обычно сажу). Резкое изменение сопротивления полимерного предохранителя тоже обусловлено фазовыми превращениями. В холодном состоянии материал имеет преимущественно кристаллическую структуру. Токопроводящие частицы локализованы в аморфных областях между кристаллами. При достаточном содержании то-копроводящих частиц они соприкасаются между собой, обеспечивая трехмерную токопрово-дящую структуру.

Рис.1.Типичная зависимость сопротивления позистора от температуры

При нагревании материала до температуры плавления полимера (перегрузка по току) мелкие кристаллы плавятся. При этом возрастает объем аморфной фазы и разрушается токопро-водящая структура, вследствие чего резко увеличивается сопротивление предохранителя. Поскольку фазовый переход происходит в очень узком диапазоне температур, изменение сопротивления также наблюдается в относительно узком диапазоне температур. Увеличение сопротивления предохранителя снижает ток в цепи до значения, безопасного для элементов цепи. При устранении причины токовых перегрузок и уменьшении температуры такой предохранитель автоматически возвращается в исходное (рабочее) проводящее состояние.

Умные материалы

Один из основных законов развития технических систем — закон повышения их идеальности [4]. Согласно этому закону технические системы развиваются в том направлении, при котором соотношение ΣΦΠ/ΣΦ (Фп — полезная функция, Ф — функция расплаты) стремится к бесконечности. Получить эту бесконечность можно, либо увеличивая до бесконечности числитель данного соотношения (универсализация, увеличение числа функций, выполняемых системой), либо уменьшая до нуля его знаменатель (выполнение функции, не производя или почти не производя никаких затрат). Второй способ психологически более привлекателен. Кто из нас не мечтал о том, чтобы работа выполнялась сама собой? Материализовать некоторые подобные мечты и позволяют «умные» материалы (smart materials).

Так что же представляют собой «умные» материалы? Кто-то говорит, будто это всего лишь материалы, реагирующие на изменение внешних условий: температуры, давления, влажности воздуха и т. д.[5]. Но покажите мне, пожалуйста, хоть один материал, не реагирующий каким-либо образом на эти изменения! Очевидно, способность реагировать на внешние изменения является необходимой, но явно недостаточной для того, чтобы материал стал «умным». Ведь «умные» материалы «знают и умеют» гораздо больше. Так, при нагревании до заданной температуры металлы с памятью формы скачкообразно изменяют свою форму (размеры), одновременно выполняя самые разнообразные полезные функции. «Вечные» предохранители при увеличении тока выше заданного значения резко повышают сопротивление, прекращая подачу электроэнергии. Позисторы при нагревании до определенной температуры также скачкообразно увеличивают свое сопротивление, на это раз отключая самих себя. И таких примеров можно привести множество.

В работе [6] приводится иное определение «умных» материалов. «Умный» материал — это такой материал, который при достижении при внешнем воздействии некоторого порогового значения трансформирует количественное изменение энергии данного воздействия в качественное, скачкообразное изменение собственных свойств, выполняя при этом полезную функцию. Выполнение полезной функции может быть как однократным, так и многократным (повторяющимся при уменьшении внешнего воздействия).

В той же работе «умные» материалы, в зависимости от функциональной направленности, делятся на несколько классов и подклассов:

    1. Сенсоры, реагирующие на внешние воздействия:

      -  сигнализаторы, информирующие об изменении условий;

      -  адаптеры, изменяющие свои свойства без вмешательства человека.

      2. Преобразователи:

        -  превращающие внешние воздействия в механическое движение (актуаторы);

        -  превращающие внешние воздействия в сигнал «отклик».

        В соответствии с этой классификацией познакомимся поближе с некоторыми другими типичными представителями «умных» материалов.

        «Умные» сенсоры-сигнализаторы сообщают человеку о тех или иных изменениях во внешней среде. Причем передача сообщений осуществляется напрямую одному из его органов чувств. Хотя в некоторых случаях используются и посредники. Так, для индикации утечек природного газа, не имеющего ни цвета, ни запаха, в него обычно вводят небольшое количество метилмеркаптана, обладающего резким запахом. Поэтому на кухне при малейших утечках газа человек довольно просто и быстро реагирует на появление вещества-сигнализатора. А как быть, если утечка происходит в магистральном газопроводе (в чистом поле)? В США работники газопроводов, чтобы обнаружить утечки газа из трубы, используют обоняние грифов. С этой целью в природный газ добавляют вещество с запахом тухлого мяса. Грифы, питающиеся падалью, начинают кружиться над местом утечки. Обходчику легко заметить крупных птиц с размахом крыльев до двух метров и найти нужное место [7].

        Сенсоры-адаптеры не только информируют о внешнем воздействии, но и откликаются, устраняя его отрицательный эффект. Материалы, способные адаптироваться к внешним температурным влияниям, находят применение в «умной» одежде. К этому же подклассу можно отнести позисторы, «вечные» предохранители и др.

        В статье [8] автор мечтал о создании «умных» влагозащитных покрытий для печатных узлов, способных изменять влагопроницаемость в зависимости от влажности окружающей среды. Покрытия должны плохо пропускать влагу при высокой влажности окружающей среды (извне) и одновременно хорошо пропускать влагу при низкой влажности окружающей среды (изнутри). Такие покрытия необходимы при эксплуатации изделий в самых тяжелых условиях. Если мечты будут материализованы, то данным покрытиям уже зарезервировано место в указанном подклассе. Одним из вариантов реализации «умных» влагозащитных покрытий может стать уменьшение-увеличение размера «отверстий» в их полимерной сетке по заданному алгоритму (в большинстве случаев влагозащитные покрытия представляют собой трехмерную полимерную сетку). «Включать» или «выключать» такие изменения может окружающая среда (влага воздуха) или же внутренние ресурсы печатного узла.

        В «умных» полимерных гелях уже происходят подобные переходы [9]. Полимерные гели представляют собой набухшие в растворителе (воде) длинные полимерные цепи, сшитые друг с другом поперечными ковалентными связями в единую пространственную сетку. Гидрогели способны поглощать и удерживать огромное количество воды: до 2 кг на 1 кг сухого полимера. Реальный пример — памперсы. Такие «выдающиеся» свойства характерны для полиэлектролитных гелей. Они диссоциируют в водной среде с образованием заряженных звеньев и низкомолекулярных противоионов. Причем одни ионы остаются связанными с полимерной цепью, а другие (противоположные им по заряду) — находятся в свободном состоянии в воде. Одноименно заряженные звенья полимерной сетки отталкиваются друг от друга, а полимерные цепи, свернутые ранее в клубки, распрямляются и сильно вытягиваются. В результате гель набухает, поглощая воду, а «отверстия» в полимерной сетке геля увеличиваются.

        Сильное набухание полиэлектролитных гелей обусловлено и осмотическими явлениями. Свободные противоионы не могут покинуть полимерную сетку, иначе нарушилась бы ее электронейтральность. Поверхность образца геля становится полупроницаемой для воды (проницаема извне и непроницаема изнутри). Как следствие, вода направляется внутрь, в стремлении уравнять концентрации противоионов вне и внутри образца.

        Набухшие полимерные гели даже при незначительном изменении внешних условий (температура, рН, состав растворителя и т. д.) способны резко, иногда даже в сотни раз, уменьшать свой объем. Соответственно уменьшаются и «отверстия» в полимерной сетке. Это явление именуется коллапсом. Переход обратим. Такие полимерные гели называют восприимчивыми (responsive gels), или, ближе к теме, «умными» материалами.

        Преобразователи-актуаторы — вещества, при определенном внешнем воздействии выполняющие механическую работу, которую можно использовать для реализации отклика на это воздействие. Такие эффекты могут быть реализованы не только в макроскопических телах, но и на микроуровне.

        Если молекулы транс-изомера азобензола подвергаются ультрафиолетовому излучению с частотой 313 нм, они переходят в цис-форму (рис. 2). При изменении частоты излучения до 380 нм осуществляется обратный переход [10].

        Длина молекулы цис-изомера явно меньше длины молекулы транс-изомера, но уловить ее изменение можно только под микроскопом. А вот механическую энергию, которая совершается в процессе транс-цис-перехода длинных полимерных цепочек, полученных при полимеризации азобензола, удалось даже замерить.

        В макроскопических телах, например сплавах с «памятью формы», никаких дополнительных ухищрений для обнаружения механической работы не требуется. Пластически деформированный материал, обладающий памятью формы, при достижении некоторой температуры «вспомнит» свою прежнюю форму, видоизменяясь и совершая при этом механическую работу.

        Очень много интересных технических решений может быть получено с помощью особого класса полимерных смесей — взаимопроникающих полимерных сеток (ВПС) [11]. В общем случае под ВПС понимают комбинацию двух сетчатых полимеров (полимер 1 и полимер 2), когда, по крайней мере, один из них синтезирован и/или сшит в непосредственном присутствии другого. Между обеими тесно сосуществующими сетками отсутствуют химические связи, но в то же время их нельзя разделить в силу взаимопроникновения. Частный случай ВПС — градиентные ВПС. В них соотношение сетчатых структур полимера 1 и полимера 2 изменяется по толщине образца. Использование таких ВПС является очень удачным техническим решением для получения изделий с изменяющимися по толщине материала физическими свойствами.

        Образование ВПС объясняет высокую эффективность разработанной автором технологии полимеризационного наполнения подложек печатных плат [12]. Причем градиентный характер распределения полимера-наполнителя (больше у поверхности стеклотекстолита и меньше в его объеме) позволил в максимальной степени улучшить электроизоляционные свойства стеклотекстолита у его поверхности, то есть именно там, где это больше всего и необходимо. Благодаря градиентным ВПС удалось получить полимерные материалы с непрерывно изменяющимся по толщине коэффициентом преломления. Такие полимерные стекла используются в оптике [ 13].

        Преобразователи-актуаторы могут не только выполнять механическую работу, но и усиливать либо ослаблять механическое воздействие.

        Градиентные ВПС позволяют реализовать «умные» полимерные эластичные амортизаторы, чья жесткость автоматически изменяется с изменением нагрузки [14]. Полимерные амортизаторы на базе ВПС реагируют нетрадиционным способом на механическое воздействие. Другие «умные» амортизаторы также нетрадиционно откликаются на воздействие электрического тока. Под действием электрического тока изменяется вязкость электрореологических жидкостей, которые находят применение в амортизаторах переменной жесткости активной подвески легковых автомобилей Caddilac [15].

        Звездопад

        Публикации об «умных» материалах, а точнее, о возможных вариантах их реализации и использования, можно сравнить со звездопадом. (Сегодня исследования ведутся столь широким фронтом, что даже появился специальный журнал Smart Materials and Structures [16], информирующий о достижениях в данной области.) Но перейдет ли когда-либо количество этих «звездочек» в качество — отдельный вопрос. Дело в том, что между принципиальным решением той или иной технической задачи и воплощением в реальную конструкцию или технологию — дистанция огромного размера. Чаще всего, чтобы воплотить красивую идею в жизнь, следует решить множество последовательных и/или параллельных изобретательских задач. Не меньшее, а чаще даже большее значение имеют экономические факторы, конкурентная борьба и, наконец, просто субъективные причины.

        А вот пример из области нанотехнологий — другого интенсивно развивающегося направления современной науки и техники. Кстати, именно нанотехнологий являются основой для реализации многих «умных» технических решений. Ни для кого не секрет, что в микроэлектронике традиционные твердотельные технологии по физическим возможностям приближаются к своему пределу. Поэтому знаменитый закон Мура, согласно которому плотность упаковки элементов микроэлектроники должна удваиваться каждые 1,5-2 года, находится уже на грани неисполнения. И не случайно исследователи лихорадочно ищут альтернативные пути развития электронных технологий.

        За последние 10 лет было предложено множество принципиально новых технических решений из области химии, биологии и т. д. Поразительны по остроумию «химические компьютеры» — молекулярные переключатели, состоящие из одной или нескольких молекул [17]. Не менее изящны «биокомпьютеры», в которых вычислительные операции осуществляются молекулами ДНК, манипулирующими молекулярными фрагментами и функциональными группами. Но, увы, прогресс в микроэлектронике до сих пор достигается по-прежнему в результате усовершенствования классических твердотельных схем и устройств. Один из крупных специалистов в области молекулярной электроники даже пошутил: «Наша наука страдает от избытка воображения и недостатка завершенных разработок» [18].

        Рис. 2. Транс-цис-переход молекул азобензола

        Другой пример чуть ближе к теме. Современные конструкционные материалы в отличие от живых тканей, к сожалению, не обладают способностью восстанавливать поврежденные участки. Особенно проблематично сохранение прочностных и несущих характеристик для конструкционных материалов, изготовленных на основе полимеров. Износ, усталость, ограниченный срок службы подстерегают нас повсюду. Несколько лет назад были обнародованы результаты работ по созданию «умных» (самозалечивающихся) композиционных полимерных материалов [ 19].

        Идея этого технического решения показана на рис. 3.

        В полимерный материал, изготовленный на основе эпоксидной полимерной матрицы, вводятся микрокапсулы с мономером (цикло-пентадиеном) и вкраплениями вещества, инициирующего полимеризацию (катализатор на основе рутения). В исходном состоянии мономер и инициатор полимеризации разделены в пространстве. Когда в материале возникает трещина, она разрушает стенки микрокапсул, попадающихся на ее пути, и одновременно выходит на вкрапления инициатора полимеризации. За счет капиллярного эффекта мономер вытекает в трещину и контактирует с инициатором полимеризации. Полимеризация (отверждение) происходит очень быстро — за несколько минут. По данным разработчиков, коэффициент восстановления механических свойств составляет около 75%.

        Рис. 3. Механизм самозалечивания трещины в полимерном материале

        А теперь мои комментарии к описанному техническому решению, поскольку я работаю приблизительно в той же области. Когда-то мною был разработан способ ремонта (лечения) многослойных печатных плат с внутренними расслоениями [20]. По сути, речь идет об устранении тех же трещин, в той же эпоксидной полимерной матрице. В данном случае прочностные характеристики материала не так уж и важны. Но очень важны изоляционные характеристики подложки печатной платы. А внутренние полости через увеличение водопоглощения значительно их снижают. К сожалению, прием «сделать заранее» в данном случае по целому ряду причин оказался неприменимым. А потому жидкость (мономер + инициатор полимеризации) вводилась во внутренние полости подложки печатной платы (стеклотекстолита) после вскрытия полостей. Затем, при термообработке печатной платы, проводилась полимеризация этой жидкости в полостях.

        Использование термоотверждаемых мономерных композиций (жидкостей) позволило существенно разнести во времени операции заполнения полостей и полимеризации (отверждения) жидкости в этих полостях. В результате диффузии, которая является довольно длительным процессом, композиция может проникать в области стеклотекстолита, охватывающие данные полости. Последующая полимеризация происходит одновременно в полости и в зонах, прилегающих к ней. Соответственно, появилась возможность не только механически заполнить такие полости твердым диэлектриком, но и одновременно очень прочно связать их между собой.

        Вернемся к цифре 75. Почему коэффициент восстановления механических свойств «умного» полимерного материала реально составляет только 75, а не 100 или даже более процентов? «Более того» возможно при реализации технологии, аналогичной технологии лечения многослойных печатных плат. Но, увы, разработчики реальной (не идеальной) технологии самозалечивания полимерных материалов столкнулись с техническим противоречием. Причина в следующем: процессы разрушения материалов вообще и полимерных материалов в частности состоят из двух стадий. На первой стадии (длительной) происходят количественные изменения. При этом в результате воздействия различных неблагоприятных факторов накапливаются такие же неблагоприятные изменения в материале. Далее происходит качественный скачок — микродефекты превращаются в макродефекты, например в трещины. И процесс разрушения материала происходит уже очень быстро, его скорость нарастает подобно лавине.

        Как следствие, мономер (в данном случае циклопентадиен) должен полимеризоваться очень быстро. Иначе полимерный материал разрушится раньше, чем произойдет самозалечивание трещины. Но при этом не будет достаточно времени, чтобы мономер смог проникнуть в зоны эпоксидной смолы, прилегающей к данной трещине. Поэтому прочность адгезионного соединения между полимерным материалом и «заплаткой» будет невелика. И наоборот: если время между разрушением капсул с мономером и началом полимеризации (отверждения) окажется продолжительным, циклопентадиен сможет проникнуть в эпоксидную смолу, но когда начнется полимеризация, будет уже поздно...

        Пока разработчики сумели разрешить эти противоречивые требования лишь на уровне компромисса. Несколько минут от момента разрушения капсул до отверждения циклопен-тадиена — это середина между двумя желаемыми крайностями: мгновенно и очень долго. При разработке этого технического решения удалось решить множество непростых изобретательских задач. Не так просто получить микрокапсулы, наполненные мономером; не так просто получить полимерный материал, в котором равномерно распределены капсулы мономера и инициатора полимеризации, да еще и не разрушить эти капсулы в процессе изготовления материала; не так просто подобрать нужное сочетание «мономер-инициатор полимеризации», и так далее и тому подобное. Остается пожелать им удачи в решении очередной (последней ли?) изобретательской задачи.

        «Умная» одежда

        Под «умной» одеждой понимают либо одежду, созданную с помощью «умных» материалов, либо так называемую «электронную» одежду. В обоих случаях речь идет о придании интеллектуальных свойств преимущественно ее тканой составляющей.

        Требования к одежде чрезвычайно разнообразны и... противоречивы. Влагопроницае-мость, воздухопроницаемость, теплопроводность и другие характеристики должны быть по разным причинам одновременно высокими и низкими. Обычно такие проблемы решаются разнесением противоречивых требований в пространстве. Ткани, прилегающие к коже, обладают высокой воздухопроницаемостью и влагопроницаемостью, а также хорошей гигроскопичностью. Для верхней одежды, напротив, высокая воздухопроницаемость крайне нежелательна, так как приводит к резкому падению теплозащитных свойств даже при небольшом ветре. Влагопроницаемость и гигроскопичность верхней одежды по известным причинам также стремятся минимизировать.

        Противоречивые требования к одежде принимаются во внимание еще на стадии ее конструирования. Дизайнеры летней одежды явно не будут поняты, если не сделают ее максимально открытой и свободной для обеспечения эффективной вентиляции. Верхняя (зимняя) одежда, наоборот, должна прилегать достаточно плотно, чтобы обеспечить замкнутость «конструкции», защищающей от холодного воздуха.

        Функциональность предметов нашего гардероба, особенно женского гардероба, очень велика. Но все-таки главное назначение одежды — обеспечение оптимального теплового режима человеческого тела, вне зависимости от колебаний температуры окружающей среды. Эффективность этой защиты, как правило, определяется ее тепловым сопротивлением. Тепловое сопротивление оценивается временем в часах, в течение которого через 1 м2 ткани при перепаде температур в 1 °С пройдет 1 ккал тепла [21]. Увеличение теплового сопротивления одежды чаще всего достигается увеличением ее воздухосодержания. Так, объемная масса хлопчатобумажной ваты составляет всего 0,011 г/см3. Дополнительный эффект может быть получен, если используется многослойная одежда. У маленьких детей количество таких «слоев» достигает даже 5-6.

        Способы защиты человеческого тела от суровых холодов так же, как и от знойной жары, отрабатывались нашими предками в течение тысячелетий. А вот способы защиты от резких колебаний температуры, увы, до сих пор сводятся всего лишь к одному тривиальному решению: «Сними-ка, Елдырин, с меня пальто. Ужас, как жарко! <... > Надень-ка, брат Елдырин, на меня пальто. Знобит» [22]. Идеальное решение этой задачи — одежда сама должна регулировать свое тепловое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды и/или от внутренних тепловыделений человека. «Умные» ткани, способные изменять свое тепловое сопротивление при изменении температуры окружающего воздуха, уже существуют. В фирме DuPont разработана и реализуется специальная программа по созданию таких тканей [23]. Подобные и, кстати, не менее интересные материалы можно получить, разрешая другие реально существующие технические (физические) противоречия: одежда должна быть влагопроницаемой и одновременно должна быть влагонепроницаемой; одежда должна быть воздухопроницаемой и одновременно должна быть воздухонепроницаемой и т. д.

        Но... что бы ученые ни делали, у них все равно получается оружие. Это известная истина. Практически для любого открытия, для любого изобретения можно найти как мирные, так и военные применения. «Умная» одежда пока еще не стала наступательным оружием. «Могучие умы» лишь используют такие решения для защиты воина от оружия настоящего и будущего и/или эффективного управления им в ходе боевых действий.

        Обычные бронежилеты имеют очень большой недостаток. Они не могут гарантированно защитить подвижные и гибкие части тела (руки, ноги). В научно-исследовательской лаборатории США (U.S. Army Research Laboratory) разработана жидкая броня. Ее основу составляет смесь из микроскопических частиц кварца и жидкости — STF (Shear Thickening Huid) .Когда ткань погружают в STF, кварцевые частицы поглощаются ее волокнами. Эластичность такой ткани, так же как и вязкость тиксотропных красок (еще один умный материал), зависит от скорости механического воздействия на нее. В обычном режиме (ходьба, бег) ткань гибкая. Но когда материал встречается с резким внезапным напряжением, например попаданием пули, частицы кварца создают дополнительное сопротивление, и она становится жесткой, способной противостоять пулям [24].

        Используя обычную аналогию (вспомним фотохромные стекла очков), можно реализовать «умную» одежду, способную изменять цвет, коэффициент отражения солнечных лучей и, следовательно, тепловое сопротивление в зависимости от освещенности. Именно из таких материалов планируется изготавливать верхний слой формы американского солдата 2025 года [25]. Внутренние слои ткани, из которой предполагается шить форму американского солдата будущего, станут еще «умнее». Для их изготовления планируется использовать электронный текстиль — так называемую е-ткань. Токопроводящие нити, вплетенные в эту ткань, смогут подводить энергию к датчикам, исполнительным механизмам и микроконтроллерам, вплетенным в ту же ткань. Программное обеспечение будет управлять связью внутри «тканой сети» (on-fabric network) и поддерживать передачу радиосигналов ПК, карманному компьютеру или Интернет [26].

        Исторически сложилось так, что полиграфические технологии стали основой технологий изготовления печатных плат. Классификация конструкций печатных плат, основанная на слойности их проводящего рисунка, охватывает большую часть конструкций коммутационных плат, но не всех. Например, для изготовления тканых монтажных плат или шлейфов оказалось пригодным не печатное полиграфическое, а ткацкое оборудование [27]. По ряду причин тканые платы не получили широкого распространения. А вот их «наследников» ожидает большое будущее. Пригодная для носки материнская плата компьютера, встроенная в е-ткань, позволит одежде выполнять самые разнообразные электронные функции. Получить ткань, содержащую токопроводящие и/или оптические волокна, оказалось не так уж и сложно. Чуть сложнее встроить в нее датчики давления, температуры, чипы с датчиками вибрации и другую аппаратуру. Не оставили без внимания е-ткань и разработчики электронных компонентов. Реальность сегодняшнего дня — полимерные транзисторы, изготавливаемые непосредственно на волокнах ткани. Такой же реальностью стали задачи совместимости процессоров и контроллеров различных е-тканей по отношению друг к другу, совместимости их программного обеспечения и т. д.

        Не менее важная задача — обеспечение надежности таких «плат». Ведь во время стирки они испытывают гораздо более жесткое воздействие, чем обычные печатные платы при эксплуатации во влажных субтропиках. Избыточность является решением этой проблемы. Объединение в сеть сотен процессоров, датчиков и контроллеров позволит повысить их надежность до приемлемого уровня. А постоянное удешевление изделий электронной техники станет экономической базой для реализации этого технического решения.

        Говорят, чтобы победить современную американскую армию, достаточно перерезать пути поставки не боеприпасов, а туалетной бумаги. Видимо, в этой шутке есть доля правды. Следуя такой логике, можно сказать, что американский солдат 2025 года будет более защищен и одновременно более уязвим. Очередное противоречие... Как его разрешить? Не простой вопрос.

        «Умный» дом

        Для реализации проекта «умной» одежды использовались не только «умные» материалы, но и достижения современной радиоэлектроники. Достижения радиоэлектроники стали базовой основой и другого проекта — «умный» дом (smart home), — начатого в 1999 году, когда на северо-западной окраине Лондона был построен прекрасный современный дом для гипотетической семьи из пяти человек, включающий гостиную, столовую, кухню, две ванных, кабинет и пять спальных комнат. Дом был построен из современных материалов, оснащен экономичной системой отопления и т. д. и т. п. Но главное отличие проекта в том, что его по праву можно назвать и интернет-домом. Кроме стандартного набора оборудования «умный» дом (совместный проект Cisco Systems и строительной фирмы Laing Homes) был оснащен сетевой инфраструктурой и различными высокотехнологичными приспособлениями [28]:

        • 72 порта данных;
        • настольный маршрутизатор Cisco 1750-2B;
        • две ISDN-карты компании British Telecom, обеспечивающие работу шести цифровых каналов связи;
        • два стандартных телефона British Telecom;
        • до пяти IP/цифровых беспроводных телефонов;
        • четыре компьютера Compaq PCs (в том числе один NT-сервер для беспроводного оборудования и один для проведения видеоконференций);
        • два телевизора с плоским экраном Fujitsu;
        • высокоскоростной доступ в Интернет;
        • четыре веб-камеры;
        • распределенная аудиовизуальная система Total Sound и др.

        Несколько слов о потребительских свойствах «умного» дома, которые обеспечиваются наличием столь сложного «радиоэлектронного комплекса». На входе в дом установлена веб-камера, подсоединенная к аудиовизуальной системе Total Sound. К ней можно подключиться не только из любого места в доме, но и из странички вашего дома в Интернете.

        Освещение в доме можно регулировать с помощью универсального сетевого пульта управления или также из Интернета. То же самое можно сказать и по поводу регулирования температурного режима (отопления). Следует иметь в виду, что под регулированием температуры в английском варианте «умного» дома нужно понимать нечто очень похожее на предварительный дистанционный прогрев двигателя автомобиля. В России же под регулированием подразумевают постоянное поддержание оптимальной температуры в помещении вне зависимости от того, находится ли кто-либо в нем. Чувствуете разницу (или пропасть?) между теми, кто добывает и продает природный газ, и теми, кто его покупает?

        Безопасность дома обеспечивается электронным аналогом сторожевой собаки (система MicroLan, подключенная к сигнализации ADT). Она способна определить, когда все члены семьи дома, и подает сигнал тревоги при несанкционированном проникновении в дом, когда все спят. Не трудно догадаться, что параметры системы можно установить при помощи любого сетевого пульта.

        Система Hometronics позволяет управлять всеми розетками в доме. Поэтому можно в любой момент включить кофеварку из гостиной, спальни и даже с улицы.

        Благодаря системе спутникового телевидения и интернет-услуг, наличию пульта дистанционного управления, беспроводной клавиатуры и трекбола высокоскоростной Интернет доступен в любом месте этого дома. Более того, доступ к большинству товаров и услуг возможен в режиме онлайн.

        В умном доме предусмотрена и система дистанционного обучения RM, наличие которой позволяет детям не ходить в школу. Можно подключаться к школьной сети, заходить в собственные и/или общие папки, помещать туда выполненные домашние задания и брать новые. Как бы хотелось, чтобы такая возможность (не ходить на работу) в этом удивительном доме распространялась и на взрослых! Но, увы, пока это доступно только очень узкому кругу лиц. А вот диагностику автомобиля в «умном» доме вскоре можно будет проводить лежа на диване. В расчете на создание очередного «умника» — «умного» автомобиля — кабели и порты имеются даже в гараже.

        Вот такой он, «умный» дом образца 1999-го. Сейчас на дворе 2006 год. То есть локальное будущее уже наступило. В начале третьего тысячелетия технические характеристики некоторых высокотехнологичных приспособлений конца XX века вызывают только улыбку. Прогресс в области электроники идет семимильными шагами. Стоимость экспериментальной модели первого «умного» дома оказалась не маленькой (около полумиллиона фунтов стерлингов). Но поскольку Интернет, в том числе и Рунет, ныне «завален» предложениями по строительству действующих моделей, очевидно, предложению отвечает определенный спрос. Стремление заглянуть в будущее (или иные причины?) главенствуют над экономическими факторами.

        Горе от ума

        Итак, «умницы» и «умники» были разделены нами в статье на «умные» материалы, «умную» одежду и «умный» дом. На первый взгляд, всем этим интенсивно развивающимся направлениям можно лишь аплодировать. Действительно, первые члены этого товарищества — «умные» материалы — заслуживают только восхищения. Никакая система автоматики никогда не будет сопоставима по надежности с «умным» материалом, изменения которого определяются только законами природы. Материал, обладающий памятью формы, неизбежно вспомнит свое прежнее состояние при достижении определенной температуры.

        Ему не страшны ни плохая пайка радиоэлементов, ни плохая влагостойкость подложки печатной платы, ни плохая отмывка печатного узла от паяльного флюса — словом, все то, что влияет на надежность работы обычных устройств, состоящих как минимум из нескольких элементов. Он «выстрелит» когда нужно и как нужно. В технических решениях, основанных на применении «умных» материалов, кроме высокой надежности, привлекают еще и элементы идеальности. При объяснении принципа действия таких материалов не обойтись без словосочетания «само собой». Поэтому и с экономической точки зрения «умные» материалы гораздо выгоднее своих неидеальных аналогов.

        С потребительской точки зрения заслуживают признания и «умницы» и «умники», ответственные за создание комфортабельных (идеальных?) условий для человека. Но так ли идеальны эти решения?

        Проговорим подробнее об обратной связи, той самой, благодаря которой поумнели многие материалы. Обратная связь — это воздействие результатов какого-либо процесса на его протекание [29]. И если интенсивность процесса увеличивается, обратная связь называется положительной, в противном случае — отрицательной. Положительная обратная связь приводит к тому, что возникшее отклонение от стационарного состояния все более увеличивается и ранее устойчивая система может стать неустойчивой. Отрицательная обратная связь обеспечивает автоматическое поддержание регулируемых физических характеристик на требуемом уровне.

        Человека, для которого создаются «умная» одежда и «умный» дом, упрощенно можно представить в виде саморегулирующейся биологической машины. В основе механизма саморегулирования этой машины, очевидно, лежит отрицательная обратная связь. Иначе такая машина работала бы вразнос, что иногда и случается. Благодаря отрицательной обратной связи биологическая машина после воздействия различных неблагоприятных факторов возвращается в устойчивое состояние. Этот возврат возможен за счет мобилизации внутренних ресурсов и (при отсутствии веры в собственные силы или при их недостаточности) в результате введения в организм лекарственных препаратов.

        Каким же образом в нашем организме действуют традиционные лекарственные препараты? После прочтения книги [30] я пришел к выводу, что большинство лекарственных препаратов стремится помочь биологической машине уменьшить неблагоприятные отклонения от нормы, которые по тем или иным причинам в ней произошли.

        Возьмем, например, банальный гастрит с повышенной кислотностью. При этом заболевании резко увеличивается секреция желудочного сока, основу которого составляет соляная кислота. Не мудрствуя лукаво, медики предлагают нам нейтрализовать избыток кислоты, используя альмагель, фосфагель и другие аналогичные лекарственные препараты, представляющие собой смесь гидроксидов магния, кальция, алюминия и других соединений. В результате этой реакции концентрация соляной кислоты в желудке снижается, уменьшая раздражение слизистой оболочки. И, кажется, все довольны: больной тем, что отступила боль, а врач тем, что оказал ему помощь. Но почему-то, через некоторое время все повторяется вновь. Причем, чем пунктуальнее больной выполняет указания врачей и чем эффективнее он использует лекарственные препараты, тем короче становится дистанция между гастритом и язвой желудка. Почему?

        Рассмотрим подробнее работу биологической машины. Как может на нее повлиять такая «помощь»? В этой машине есть устройство, вырабатывающее соляную кислоту (железы), есть датчики, измеряющие ее количество в желудке (рецепторы), реализуется отрицательная обратная связь, поддерживающая заданную концентрацию кислоты в желудке (нервная система, мозг). В момент введения нейтрализующих препаратов биологическая машина находилась в равновесном состоянии, характерном для ее «больного» состояния. После нейтрализации части кислоты биологическая машина переходит в неравновесное состояние. Датчики (рецепторы) определяют, что содержание кислоты в желудке стало меньше, и подается команда на выработку дополнительного количества кислоты, с целью перевести систему в прежнее состояние. Чем чаще и интенсивнее будет такого рода внешнее воздействие на биологическую машину, тем более вероятно, что такой «форсированный» режим станет «новой нормой» для желез, вырабатывающих соляную кислоту. И эта «норма» будет далека от действительной нормы. А условный рефлекс закрепит новое состояние. Говоря медицинским языком, мы придем к хроническому заболеванию. И так далее — конец известен. Предполагая, что традиционные лекарственные препараты работают по принципу отрицательной обратной связи, на самом деле мы получаем положительную обратную связь. Следовательно, с точки зрения тактики такой метод лечения верен, а с точки зрения стратегии — порочен.

        Как же превратить фактически положительную обратную связь в отрицательную обратную связь? Рассмотрим проблему в иной плоскости. В основе жизнедеятельности человека лежат химические реакции. Из химии известно, что практически все химические реакции обратимы. Принцип Ле Шателье гласит: если система находится в состоянии равновесия, то при воздействии на нее сил, вызывающих нарушение равновесия, система переходит в такое состояние, в котором эффект внешнего воздействия ослабевает [31]. Согласно этому принципу введение в систему дополнительного количества реагента смещает равновесие в направлении того процесса, при котором концентрация данного реагента убывает, и наоборот.

        Соляная кислота появляется в желудке не просто так, а в результате определенных химических реакций. Так что нужно сделать, чтобы выделение соляной кислоты в желудке уменьшилось? Как ни парадоксально это звучит, но, согласно принципу Ле Шателье, в него нужно добавить кислоту! Добавить! А не отнять, как это обычно делается. И если подобное «антилекарство» вводить в биологическую машину постоянно, тот же условный рефлекс сместит равновесие в нужную сторону. Тогда с точки зрения тактики (кратковременное облегчение) будет иметь место положительная обратная связь, а с точки зрения стратегии (излечение) — столь необходимая нам отрицательная обратная связь.

        Но ведь человек испытывает боль из-за избытка соляной кислоты, а мы добавляем ему и кислоты, и боли. Чем все это может закончиться? Сформулируем техническое противоречие нашей задачи (ТП) по законам теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) [32]:

        • ТП 1. Если мы используем обычные лекарства, то кратковременно боль прекращается, но со временем болезнь только прогрессирует.
        • ТП 2. Если мы используем «антилекарство», то болезнь излечивается (будем считать, что так), но боль при его приеме только увеличивается.

        Принимаем за основное противоречие ТП 2, поскольку для нас главной задачей является положительный результат лечения. Эта изобретательская задача уже на стадии ТП легко решается посредством типового приема: «разрешить противоречивые требования во времени». А именно: на стадии обострения болезни следует использовать традиционные лекарства, а в промежутках (в состоянии ремиссии) использовать «антилекарства».

        Какое же отношение имеют наши рассуждения и эти, пока еще виртуальные решения к «умницам» и «умникам»? Самое прямое. Ведь развитие проектов «умная» одежда и особенно «умный» дом могут привести к результатам, аналогичным тем, к которым привели биологическую машину современные лекарственные препараты. Точнее — традиционные подходы к их созданию и применению. Итог этих подходов налицо: лекарственные препараты становятся все более и более эффективными, а здоровых людей уже практически не осталось.

        «Умная» одежда поможет оградить человека не только от лютого холода и зноя, но и от сравнительно слабых колебаний температуры, оказывающих «тренирующее» воздействие по отношению к влиянию на него тепла и холода.

        «Умный» дом создаст максимум удобств для его обитателей, но с той же неотвратимостью приведет к еще большему обездвиживанию человека. Человек ленив по своей природе. Разумеется, в какой-то степени это стимулирует технический прогресс, способствуя созданию все более идеальных технических решений. «Умные» материалы — реальный тому пример. А вот желающих «истязать» себя упражнениями, позволяющими хотя бы поддерживать свое физическое состояние в относительно благоприятной форме, не так уж и много. Вся надежда лишь на необходимость совершать те или иные физические «насилия» над своим организмом. «Умный» дом, скорее всего, будет способствовать тому, что эта необходимость в пределе уменьшится до нуля.

        Появление высокоинтеллектуальных материалов и высокоинтеллектуальных технических систем — объективная реальность и требование времени. И как бы отдельные индивидуумы не хотели обратного, от «умниц» и «умников» нам никуда не деться. Да этого и не нужно. Такие достижения современной цивилизации следует только приветствовать. Но из техники нам известно, что изменение (улучшение) одной характеристики технической системы неизбежно приводит к изменению (на этот раз ухудшению) какой-то другой характеристики данной системы. Изобретения (настоящие изобретения) в каждом конкретном случае разрешают столь противоречивую ситуацию, позволяя сделать очередной шаг вперед в развитии науки и техники.

        Аналогичные мысли возникают и по отношению к другой технической (социальной?) системе — к человеку. Точнее, к системе «человек-окружающая среда», содержащей великое множество противоречий. «Умницы» и «умники» делают свой, дополнительный вклад в эту сложную и запутанную сеть противоречий. И потому, как минимум, следует учитывать их существование, а в лучшем случае стараться их разрешать. Как это делать в технике, человек знает и умеет. А для того чтобы преодолеть похожие проблемы в своем сознании, нужно лишь повернуться лицом к себе.

        Литература

        1. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. Колесников В. Г. М.: Сов. энциклопедия. 1991.
        2. Смыслов И. Новые возможности передовой технологии. Позисторные нагреватели // Электроника: НТВ. 2002. № 4.
        3. Курышев К. Полимерные предохранители PolySwitch — надежный способ защиты электрических цепей от повреждений // Компоненты и технологии. 2001. № 2.
        4. Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретений. М.: Московский рабочий. 1973.
        5. http://www.kv.by/index2002073401.htm
        6. Кынин А. Т. Как умные вещества могут помочь изобретателю // http://metodolog.ru/
        7. Тимохов В. И. Картотека биологических эффектов // http://www.trizland.ru/
        8. Уразаев В. Г. Влагозащитные полимерные покрытия: фантазии на тему // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 5.
        9. Филиппова О. Е. «Умные» полимерные гели // Природа. 2005. № 8.
        10. Пул Ч., Оуэн Ф. Нанотехнологии. Пер. с англ. М.: Техносфера. 2005.
        11. Уразаев В. Г. Все взаимопроникает, все... // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 3.
        12. http://www.urazaev.narod.ru
        13. Сперлинг Л. Взаимопроникающие полимерные сетки и аналогичные материалы. Пер. с англ. М.: Мир. 1984.
        14. Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты М.: Химия. 1979.
        15. http://agga.ru/HomeLife/Auto/Catalog/
        16. http://www.iop.org/EJ/journal/SMS
        17. Уразаев В. Г. Химия в электронике //Технологии в электронной промышленности 2005. № 6.
        18. http://www.chem.msu/rus/journals/l
        19. http://www.scientific.ru/journal/news/
        20. Уразаев В. Г. Влагозащита печатных узлов. М.: Техносфера. 2006.
        21. Методические указания «Гигиенические требования к одежде детей», утвержденные главным государственным врачом СССР 30.09.1981г. №2452-81.
        22. Чехов А. П. Хамелеон. Собрание сочинений в 8 томах. Т. 1. М: Правда. 1969.
        23. Smart Material Bulletin Volume 2002, Issue 12, December 2002, Page 4.
        24. http://www.news.pravda.ru/index.html
        25. http://www.publish.diaspora.ru/gazeta/
        26. Володарский О. Мне идет этот компьютер? Электроника, вплетенная в ткань, становится модной // Электроника: НТВ. 2003. №8.
        27. Мокеев М. Н., Лапин М. С. Технологические процессы и системы производства тканых монтажных плат и шлейфов. Л.: ЛДНТП. 1988.
        28. http://www.aspect.spb.ru/library/ib/ihome/
        29. Электроника: Энциклопедический словарь/ Гл. ред. Колесников В. Г. М.: Сов. энциклопедия. 1991.
        30. Ураков А. Л. Как действуют лекарства внутри нас. Ижевск: Удмуртия. 1993.
        31. Химическая энциклопедия в 5 т. Т. 4. М.: Большая Российская энциклопедия. 1998.
        32. Уразаев В. Г. Путешествие в страну ТРИЗ. Записки изобретателя. М.: Солон Пресс. 2003.

         
        ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

        Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
        Хорошо
        Нормально
        Плохо