От персонального принтера к персональном фаберу.

Дорожная карта развития быстрого прототипирования и новый технологический уклад.

( по материалам предисловия к монографии « FAB . The Coming Revolution on Your Desktop -- from Personal Computers to Personal Fabrication », Neil Gershenfeld; Basic Books; May, 2005; ISBN: 0465027458. и интернет сообщества RepRap - http://reprap.org/wiki/Main_Page - в вольном переводе Шишковского И.В.)

 

Первые компьютеры или большие ЭВМ были дорогостоящими машинами с ограниченным рынком сбыта, они требовали искусства операторов, работающих в специальных комнатах, и выполняющих повторяющиеся технологические операции. Мы может смеяться, но возможно в будущем маленькие компьютеры смогут воспроизводить сами себя, управляться обычными людьми, как учатся и играют сейчас на персональных компьютерах (ПК) наши школьники.

Однако машины, которые делают компьютеры (и может быть все остальное) в настоящее время остаются дорогостоящими устройствами с ограниченным рынком сбыта, они требуют искусства операторов, работающих в специальных комнатах, и выполняющих технологические операции. Как и в упомянутом переходе от больших ЭВМ к ПК, возможно, эти устройства станут доступны обыкновенным людям в форме персональных фабрикаторов (ПФ) – « Faber » от англ. слова « fabrication ». Это время рядом, хотя, последствия от этого могут быть посерьезней перехода в эру ПК, потому что будет персонализирован реальный физический мир окружающий нас и переведен с цифровое представление компьютеров.

ПФ это машины, которые будут делать другие машины, как принтер печатает сейчас изображения этих машин. Но под ПФ мы полагаем не только трехмерные структуры, но интеграцию воедино логики, чувств, действия и внешнего вида – т.е. все что нужно чтобы законченная система была полностью функциональна. С ПФ вместо магазинов и сервисов по доставке продуктов, вы можете описав компьютеру, что хотите, и снабдив фабрикатор материалами, сделать его сами.

Программирование ПФ не пророчество, а реальность. Завтрашний мир может быть мимолетным видением машин, окружающих вас сегодня. ПФ сохранит в памяти и может вам рассказать, как придумывались и делались великие машины прошлого, он объяснит, как они работали, из чего их делали и как.

С возможностями ПФ N. Gershenfeld впервые столкнулся, обучая студентов MIT по курсу «Как сделать все!?» в Массачусетском «Центре Бит и Атом - ЦБА» - http://cba.mit.edu/ . ЦБА объединил энтузиастов кампуса: физиков, химиков, биологов, математиков, инженеров механиков и электриков. Подобно остальным, они ранее не смешивали искусственный мир компьютерных наук с физическими науками.

Вселенная это буквально метаморфоза компьютера. Миллионы атомов, молекул, бактерий могут быть описаны (смоделированы) и превращены в информацию. Используя дискретные языки программирования можно описать физический мир и его континуальные уравнения, предсказывать поведение реальных физических систем и предсказать будущее. Современные информационные технологии, квантовые компьютеры, помогут проникать в суть природы вещей и вселенной, например, описывая поведения черных дыр. Если мир это компьютер, значит наука о компьютерах, наука о «науке» - говорит N. Gershenfeld!?

Взаимопроникновение физических и компьютерных наук дает нам программы, представляющие взаимодействие атомов в виде битов информации, а значит цифровой синтез ( digital fabrication ) это путь по которому информация и вычисления могут быть воспроизведены из ранее оцифрованных данных. Таким образом, это значит, что программируемый ПФ может сделать все, включая себя, из отдельных атомов. Это само репродуцируемая машина. Эта идея была долгое время главным элементом научной фантастики.

В кинофильме «Звездный путь: Следующая Генерация» репликатор это особая структура элементов, способных сделать все, что нужно в данном эпизоде. Это выглядит как растущий дозатор, способный сделать все из ничего. В теории, это похоже на инструкцию как из субатомных частиц сделать атомные частицы, из атомов молекулы, из молекул – все что пожелаете. А в фильме «Пятый элемент» - это камера, где по цифровым данным инопланетной цивилизации «выращивается» персонаж актрисы М. Йовович.

Ничего из сказанного не нарушает физические законы, и быстрая программируемая сборка на субатомном уровне уже возможна в лабораторных условиях (пока правда вы не сможете заказать себе что-либо больше нескольких атомов).

Разработка реально работающих ПФ в МИТ имеет в виду создание нечто большего. Мои коллеги из МИТ и из других подобных лабораторий - http://fab.cba.mit.edu/about/labs/ собирали машины, способные делать другие машины. Эти устройства используют сверхзвуковые потоки вод, или мощные лазеры, или микроскопические пучки атомов чтобы сделать все, нет - хорошо, пока практически все. Проблема была в течение семестра научить студентов в классе сделать устройство, для сборки других устройств, и получить практический опыт в комбинации этих устройств и их управления. Почему бы Российским студентам и школьникам старших классов не увлечься подобным!?

Аналогия между ПК и ПФ интуитивно понятна и поэтому приведена мною здесь далее. В 1949 в книге «Популярная механика» предсказывалось что «будущие компьютеры будут иметь вес более 1.5 тонн». Компания DEC Co . - пионер в этой отрасли, создавала первые компьютеры, заполнявшие целые комнаты. Они называли их «PDP – programmed date processors». Но внедрение ПК приводило к постепенному "умиранию" приложений и программ!? Приложения, которые программировались специально обученными людьми, мотивировали к покупке ПК обычными людьми, ничего не понимающими в программировании. Классический киллер приложений, пишет N. Gershenfeld – электронная таблица, например, Lotus 1-2-3 или VisiCalc, анонсированные Apple II (1979) и потом появившийся на IBM ПК. Эти приложения подобно большим ЭВМ, занимавшим целые комнаты, и стоившие сотни тысяч долларов, занимали все оперативную память первых компьютеров. Но несмотря на размер и стоимость они были нужны, однако год от года совершенствовались, удовлетворяя растущие потребности пользователей. Так и ПФ будет совершенствоваться и приближаться к потребностям пользователей.

Изобретение и совершенствование ПК привело к миниатюризации интегральных микросхем, а плотность элементов на центральном микропроцессоре увеличивается в соответствии с законом Мура. Продолжая аналогии можно надеяться, что ПФ станут как настольные принтеры работать на функциональных материалах, который в виде картриджей струйного принтера можно заменять и смешивать для создания полно цветного рисунка. Уже сейчас в лабораториях есть возможности создания ( трехмерной печати) из изоляторов, проводников и/или полупроводников трехмерных интегральных микросхем высокого разрешения.

Это подобно тому, как устроено наше тело, молекулярная машина, используя инструкции в последовательности расположения рибосом и ген, сможет синтезировать все протеины в теле из 12 аминокислот. Природа несколько миллиардов лет тому назад осознала, как работает это механизм для своего воспроизводства. В нашем случае, важно понять, что это за те специфичные материалы, из которых можно следуя этой логике построить все и вся. ПФ возможно будет использовать всю их совокупность – воздух, воду, электричество, чтобы синтезировать нечто.

В отличие от кубиков Лего, ПФ может рассортировать вещь на составляющие, потому что знает как, потом из них собрать то, что было. Обратный процесс для цифровой фабрикации, есть процесс цифрового повторения (цикла). Сборка и разборка, взаимно обратимые операции для ПФ и он должен уметь работать в любой направлении (построить – разобрать).

Мы находимся сейчас на переломной краю цифровой революции для фабрикаторов. Давно считалось, что из ненадежных материалов можно собрать надежное изделие, если знать как, а ПФ может создать надежный макрообъект из ненадежных микрокомпонентов, исправляя ошибки в процессе синтеза.

Вернемся к аналогии с большими ЭВМ и ПК. Существенным шагом было создание микрокомпьютеров. И теперь не нужны вложения тысяч долларов, потому что, зная логику развития конструирования, все это стало дешевле делать и во времени и в пространстве.

В пространстве. Недорогой CD плеер имеет разрешение при позиционировании свой читающей головки с точностью до микрона. Комбинирую эту метрологическую точность с настольным плоттером для резки можно создать устройство резки в трехмерном пространстве с разрешением как у головки CD плеера и возможностями программирования плоттера. Это обеспечит точность фрезерования (точения, резки) материалов для придания им формы с высокой точностью.

Во времени. Простейший компьютерный чип может работать с микросекундной скоростью (10-6 с). Программное обеспечение для управления с помощью такого чипа за работой нашего плоттера совмещенного с CD плеером довольно просто создать. Следовательно, наш чип сможет управлять всем процессом синтеза, т.е. работой ПФ. Именно такого совмещения удалось достигать студентам в МИТ на семинарах, создавая функционирующие устройства. Подобно тому, как микрочип в ПК может быть использован одновременно и для написания ответов по электронной почте и для серфинга в интернете, так и задача ПФ научить своих пользователей не ждать когда что-то новое исследуют, или откроют, а сделать это.

Эта мысль ведет к идее создания лаборатории с ПФ, где собрание таких машин и программное обеспечение для их управления будут создавать новые реальности. Первая лаборатория в МИТ имела лазерный резак для двумерного раскроя по шаблону с помощью ПК, а из раскроенного материала собирались трехмерные структуры. Еще один резак, управляемый через ПК был использован для нанесения электрических соединений, перемещения и точного позиционирования фрезы, что позволяло делать изделия высокого разрешения. Лаборатория могла воспроизводить саму себя и так расширятся. Похоже, что вместо того чтобы заставлять школьников зубрить знания, лучше дать оборудование, чтобы сделать эти знания им самим, а слава первооткрывателей от этого не уменьшится.

Давайте приведем еще один исторический довод. Известно, что коммерческие программы стоят больших денег и доступны немногим. С развитием ПК части кода операционных систем и программ, что были созданы стали известны многим программистам. Программисты стали писать собственный код и давать доступ к нему людям своего круга. Lunix – как операционная система была построена на свободно распространяемом коде. Любой программист может взять «кусочек» кода, чтобы написать собственную программу или улучшить существующие. Свободно распространяемое программное обеспечение доступно любому страждущему. Так и промышленное производство долгое время делилось на собственников производства и рабочих. Орудия труда (станки) принадлежали собственникам производства. Поэтому ПФ это есть некое орудие труда, которое можно сделать любому страждущему чтобы, используя его делать игрушки для своих нужд или зарабатывать деньги, если есть такая необходимость. Так случилось с двумерными принтерами – предвестниками ПФ. Сейчас высокое качество печати и фотографии доступно каждому, у кого есть такой принтер, в то время как ранее это было возможно лишь в хорошей типографии.

Во всем мире наблюдается развитие инициативного движения ПФ - называемых себя RepRap. RepRap - это сокращение английского словосочетания Replicating Rapid-prototyper, то есть «(само)реплицирующий(ся) механизм для быстрого прототипирования». Это практически самокопирующийся 3D-принтер, пример самовоспроизводящихся машин. Этот 3D-принтер создает изделия послойно из пластика. Эта технология уже существует, однако один из самых дешевых коммерческих образцов будет стоить около 30000 евро. И он изначально даже не предназначен для самокопирования. Поэтому то, чем занималась команда RepRap в MIT, заключалось в разработке и предоставлению на всеобщее обозрение конструкций намного более дешевых машин с оригинальной возможностью самокопирования (при этом материальные затраты составляли около 350 евро). Таким образом, RepRap доступен для небольших сообществ в развивающихся странах и отдельно взятых людей в развитых странах. Следуя принципам Движения за свободное программное обеспечение, команда RepRap распространяет свою машину и ее описание на безвозмездной основе для всех в соответствии с GNU- General Public Licence. Поэтому, если у Вас уже есть RepRap, вы можете создать еще одну машину, отдать ее друзьям или другим людям.

Проект RepRap стал широко известен после того, как был освещён в прессе в марте 2005 года, хотя идея восходит к статье в интернете, написанной Эдрианом Бауером 2 февраля 2004 года. RepRap версии II "Мендель"; может быть создана любым желающим уже сейчас - смотрите, например, описание конструкции на странице – http://reprap.org/wiki/Mendel

Репликация.(Далее с сайта http://reprap.org/wiki/RepRap/ru) Не считая основных элементов, RepRap может воспроизвести до 50% от своих частей; другие части подобраны так, чтобы быть дешево доступными практически по всему миру. Чтобы увеличить эти 50%, в следующей версии RepRap сможет воспроизводить свои собственные электрические схемы - технология, которую команда RepRap уже экспериментально доказала - хотя и не на примере своих электронных микросхем.

Основной целью проекта RepRap является создание и предоставление на всеобщее обозрение полезной машины "все-в-одном", которая, среди прочего, позволяет ее владельцу дешево и просто создать еще одну такую же для кого-то другого.

 

Рис с сайта http://reprap.org/wiki/RepRap/ru. Эдриан Бауэр (слева) и Вик Олливер (справа) с RepRap машиной-родителем, изготовленной на традиционной машине для быстрого прототипирования, и первая полностью рабочая RepRap машина-ребёнок, изготовленная с помощью RepRap-родителя. Дочерняя машина успешно создала свою, по отношению к машине-родителю, "внучатую" часть в 14:00 по UTC 29 Мая 2008 в университете Bath в Соединенном Королевстве, несколько минут спустя она была собрана.

 

Подводя итоги вышеизложенного и вынесенного в заглавие статьи тезиса о дорожной карте развития технологий быстрого прототипирования можно ожидать, что методики быстрого прототипирования будут играть не последнюю роль в развитии и становлении нового технологического уклада. Он уже стоит на пороге истории и от вас - читатель зависит, как вы сможете адаптироваться в нем и использовать его.

Ссылки по теме:

  • Конкурс «Проект организации эффективной работы открытого молодежного центра инновационного прототипирования с учетом всех возможностей оборудования» http://www.nanometer.ru/2011/11/16/innovation_264287.html
  • 3D-печать изменит мир? http://habrahabr.ru/blogs/cyberpunk/131308/
  • Технологические уклады (ТУ), экономика нанотехнологий и технологические дорожные карты нанотекстиля (волокна, текстиль, одежда) до 2015 г. и далее http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011/tekhnologicheskie-uklady-tu-ekonomika-nanotekhnologii-tekhnologicheskie-dorozhnye-kart
  •  


    ::СФ ФИАН версия 4.0 --> ::design by © Игорь В. Шишковский 2010