Умницы и умники

В последние годы слово умный (smart) в массовом порядке стало использоваться для характеристики различных неодушевленных предметов. Что это такое, в чем выражается их интеллект, что они нам дают и… что отнимают? Попытка дать ответы на эти вопросы делается в данной статье.

ЕСЛИ БЫ…

Холодную январскую стужу 2006 года многие из нас перенесли бы гораздо легче, если бы… Вариантов продолжения этой фразы существует очень много. Остановимся подробнее 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, традиционно забирается из системы жидкостного охлаждения двигателя. Исключение составляет, разве что, канувший в лета "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 продолжительность поездки невелика, то воспоминания о валенках и прочих традиционных средствах защиты от холода неизбежны.

В чем же заключается суть этих изобретений? Чтобы отказаться от валенок предлагается встраивать в систему отопления автомобиля позисторы. Позисторы - это положительные резисторы, имеющие на температурной шкале участок с большой положительной величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС) (1). Типичная зависимость сопротивления (R) позистора от температуры (T) показана на рис. 1.

Рис. 1. Типичная зависимость сопротивления позистора от температуры.

Сопротивление позистора резко возрастает в узкой температурной области обратимого фазового превращения материала, из которого он изготовлен. Благодаря высокому положительному ТКС позисторы могут работать в качестве автостабилизирующихся нагревательных элементов. Алгоритм работы этих нагревательных элементов таков. Изначально позистор работает как обычный нагревательный элемент. При достижении температуры фазового перехода сопротивление позистора резко возрастает, и ток падает до величины, недостаточной для его дальнейшего нагрева. В результате позистор охлаждается, его сопротивление уменьшается, а ток растет. И температура вновь достигает значения, при котором происходит фазовое превращение материала. И так далее много-много раз. При использовании позисторов нагрев происходит очень быстро, температура поддерживается очень точно и, самое главное, отпадает необходимость использования сложных и не всегда надежных автоматизированных систем управления. Позистор сам управляет собой.

В Германии, не такой уж и холодной стране, на долю позисторных нагревателей приходится почти 50 % от всех заявок на нагревательные устройства для автомобильных двигателей (2). В этих устройствах ответственность за подогрев салона двигателя 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, такие конструкции находят применение только в зарубежных автомобилях. По отношению к отечественным автомобилям пока можно использовать только сослагательное наклонение.

Сами собой могут управлять еще и так называемые "вечные предохранители". Основу таких предохранителей составляют токопроводящие полимеры, которые также обладают положительным ТКС (3). При электрической перегрузке цепи или коротком замыкании они ведут себя как обращаемые плавкие предохранители, переключающиеся из низкоомного в высокоомное состояние. Сопротивление таких предохранителей в проводящем состоянии составляет всего несколько миллиом, что делает их идеальными для применений, требующих безотказного функционирования. Самовосстанавливающиеся полимерные предохранители рассчитаны на многократное срабатывание, а их разрушение происходит при токе, во много раз превышающем ток срабатывания.

Полимерный материал с положительным ТКС представляет собой кристаллическую решетку органического полимера, содержащую токопроводящие частицы (обычно сажу). Резкое изменение сопротивления полимерного предохранителя также обусловлено фазовыми превращениями. В холодном состоянии материал имеет преимущественно кристаллическую структуру. Токопроводящие частицы локализованы в аморфных областях между кристаллами. При достаточном содержании токопроводящих частиц они соприкасаются друг с другом, обеспечивая трехмерную токопроводящую структуру.

При нагревании материала до температуры плавления полимера (перегрузка по току) мелкие кристаллы плавятся. При этом возрастает объем аморфной фазы и разрушается токопроводящая структура. С разрушением этой структуры резко увеличивается сопротивление предохранителя. Поскольку фазовый переход происходит в очень узком диапазоне температур, изменение сопротивление также наблюдается в относительно узком диапазоне температур. Увеличение сопротивления предохранителя снижает ток в цепи до значения, которое является безопасным для элементов цепи. При устранении причины токовых перегрузок и уменьшении температуры такой предохранитель автоматически возвращается в свое 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 ∑Фп/∑Фр ( Фп - полезная функция, Фр - функция расплаты) стремится к бесконечности. Получить эту бесконечность можно, либо увеличивая до бесконечности числитель этого 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 такие мечты и позволяют умные материалы (smart materials).

Так что же это такое умные материалы? Кто-то говорит, что это всего лишь материалы, которые могут реагировать на изменение внешних условий: температуры, давления, влажности воздуха и др.(5). Но, покажите мне, пожалуйста, хоть один материал, который не способен тем или иным образом реагировать на эти изменения! Очевидно, способность реагировать на внешние изменения является необходимым, но явно недостаточным для того, чтобы материал стал умным. Умные материалы "знают и умеют" гораздо больше. Металлы с памятью формы при нагревании до заданной температуры скачкообразно изменяют свою форму (размеры) выполняя при этом самые разнообразные полезные функции. "Вечные" предохранители при увеличении тока выше заданного значения резко увеличивают сопротивление, выполняя полезную функцию (отключая потребители электроэнергии). Позисторы при нагревании до определенной температуры также скачкообразно увеличивают свое сопротивление, выполняя при этом полезную функцию (на это раз отключая самих себя). И так далее.

В работе (6) приводится иное определение умных материалов. Умный материал - это такой материал, который при достижении внешним воздействием некоторого порогового значения трансформирует количественное изменение энергии этого воздействия в качественное, скачкообразное изменение собственных свойств, выполняя при этом полезную функцию. При этом выполнение полезной функции может быть как однократным, так и многократным (повторяющимся при уменьшении внешнего воздействия).

В той же работе умные вещества 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 "отклика".

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 обладающего резким запахом метилмеркаптана. Поэтому на кухне при малейших утечках газа человек довольно просто и быстро может откликнуться на появление вещества-сигнализатора. А как быть, если утечка происходит в магистральном газопроводе (в чистом поле)? В США работники газопроводов для выявления 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 сигнализируют о внешнем воздействии, но и откликаются на него, устраняя отрицательный эффект от этого воздействия. Материалы, способные адаптироваться к внешним температурным воздействиям 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. Умные покрытия должны плохо пропускать влагу при высокой влажности окружающей среды (извне) и, одновременно, должны хорошо пропускать влагу при низкой влажности окружающей среды (изнутри). Такие покрытия необходимы при эксплуатации изделий в самых тяжелых условиях. Если эти мечты будут материализованы, то таким покрытиям уже зарезервировано место в этом подклассе. Одним из вариантов реализации умных влагозащитных покрытий может быть уменьшение - увеличение величины "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 для этого могут быть использованы внутренние ресурсы печатного узла.

В умных полимерных гелях такие переходы уже реализуются на практике (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 в себе 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. При этом 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 еще и осмотическими явлениями. Свободные противоионы не могут покинуть полимерную сетку, иначе бы нарушилась ее электронейтральность. Поверхность образца геля становится полупроницаемой для воды (проницаема извне и непроницаема изнутри). Как следствие вода устремляется внутрь в стремлении уравнять концентрации противоионов вне и внутри образца.

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

Преобразователи-актуаторы - вещества, которые при определенном внешнем воздействии выполняют механическую работу. Эта работа может быть использована 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, то они переходят в цис-форму. При изменении частоты излучения до 380 нм осуществляется обратный переход (10):

Рис. 2. Транс - цис переход молекул азобензола.

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" для обнаружения механической работы никаких дополнительных ухищрений 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 использованием 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 этими двумя 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 нужно. С использованием градиентных 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, жесткость которых автоматически изменяется с изменением нагрузки (14). Полимерные амортизаторы на базе ВПС нетрадиционным способом реагируют на механическое воздействие. Другие умные амортизаторы также нетрадиционно откликаются на воздействие электрического тока. Под действием электрического тока изменяется вязкость электрореологических жидкостей. Такие жидкости 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. Исследования в области создания умных материалов ведутся столь широким фронтом, что даже появился специальный журнал "Smart Materials and Structures (16). Перейдет ли когда-либо количество этих "звездочек" в качество, это отдельный вопрос. Дело в том, что между принципиальным решением той или иной технической задачи и воплощением его в реальную конструкцию или реальную 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 факторы.

Пример из области нанотехнологий - другого интенсивно развивающегося направления развития современной науки и техники. Кстати, именно использование нанотехнологий является основой для реализации многих умных технических решений. Ни для кого не секрет, что в микроэлектронике традиционные твердотельные технологии по своим физическим возможностям приближаются к своему пределу. Поэтому знаменитый закон Мура, согласно которому плотность упаковки элементов микроэлектроники должна удваиваться в каждые 1,5 - 2 года находится уже на грани неисполнения. 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 области молекулярной электроники даже пошутил: "Наша наука страдает от избытка воображения и недостатка завершенных разработок" (18).

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.

Рис. 3. Механизм самозалечивания трещины в полимерном материале.

В полимерный материал, изготовленный на основе эпоксидной полимерной матрицы, вводятся микрокапсулы с мономером (циклопентадиеном) 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. Мономер за счет капиллярного эффекта 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 %.

А теперь мои комментарии к этому техническому решению, комментарии специалиста, который работает приблизительно в этой же области. Когда-то мною был разработан способ ремонта (лечения) многослойных печатных плат с внутренними расслоениями (20). По сути дела 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. Поэтому жидкость (мономер + инициатор полимеризации) вводилась во внутренние полости подложки печатной платы (стеклотекстолита) после вскрытия полостей. А затем, при термообработке печатной платы проводилась полимеризация этой жидкости в полостях.

Использование термоотверждаемых мономерных композиций (жидкостей) дало возможность существенно разнести во времени операции заполнения полостей и полимеризации (отверждения) жидкости в этих полостях. В результате диффузии, а это довольно длительный процесс, композиция может проникать в области стеклотекстолита, охватывающие эти полости. Последующая полимеризация происходит одновременно в полости и в зонах, прилегающих к этой полости. Это позволило не только механически заполнить эти полости твердым диэлектриком, но и одновременно очень прочно связать их друг с другом.

Вернемся к цифре 75. Почему коэффициент восстановления механических свойств умного полимерного материала реально составляет только 75 %, а не 100 % или даже более того. "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. Дело в том, что 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 этой трещине. Поэтому будет невелика прочность адгезионного соединения между полимерным материалом и "заплаткой". И, наоборот, если время между разрушением капсул с мономером и началом полимеризации (отверждения) будет велико, то циклопентадиен сможет проникнуть в эпоксидную смолу, но когда начнется полимеризация, будет уже поздно…

Разработчики, пока сумели разрешить эти противоречивые требования всего лишь на уровне компромисса. Несколько минут от момента разрушения капсул до отверждения циклопентадиена - это середина между двумя желаемыми крайностями: мгновенно и очень долго. При разработке этого технического решения разработчикам 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.

Удачи можно пожелать и другим исследователям, работающим над решением той же проблемы. Как сообщает журнал Science, группе ученых из Калифорнийского университета, проводивших исследования под руководством доктора Фреда Вадлема, удалось разработать полимер, который при физическом повреждении, будь то трещина или надлом, способен практически полностью восстановить первоначальную структуру (21). При этом для "активации" процесса авто-ремонта необходимо нагреть полимер до температуры 120  ºС. При последующем охлаждении трещина "зарастает" с образованием на поверхности небольшого шва. Описание сути этого процесса не изобилует излишними подробностями и заключается в следующем: при нагревании у молекул полимера, находящихся по разные стороны трещины, высвобождаются свободные связи, способные взаимодействовать друг с другом и образовывать поперечные сшивки. Правда, прочность такого соединения несколько ниже, чем прочность исходного полимера, да и идеальность этого решения чуть ниже - все-таки требуется нагрев.

УМНАЯ ОДЕЖДА

Под умной одеждой понимают либо одежду, которая реализуется с использованием 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. Влагопроницаемость, воздухопроницаемость, теплопроводность и другие ее характеристики по разным причинам должны быть одновременно высокими и низкими. Обычно такие противоречия разрешаются разнесением противоречивых требований в пространстве. Ткани, близко прилегающие к коже, обладают высокой воздухопроницаемостью, высокой влагопроницаемостью и хорошей гигроскопичностью. Напротив, для верхней одежды 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 и в "конструкции" одежды. 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" ограждающей от проникновения холодного воздуха.

Функциональность предметов нашего гардероба, особенно женского гардероба, очень велика. Но все-таки главное назначение одежды - это 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 м ² ткани при перепаде температур в 1  ºС пройдет 1 ккал тепла (22). 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 его 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" (23). 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 сами изменять свое тепловое сопротивление при изменении температуры окружающего воздуха, уже существуют. В фирме DuPont разработана и реализуется специальная программа по созданию таких тканей (24). Не менее интересные умные 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.

Приставка "nano" появилась в названиях зарубежных фирм и компаний, специализирующихся на изготовлении тканей и одежды. Нанокомпозиты стали основой умных технических решений. Компания NanoTex выпускает ряд самоочищающихся тканей, а также тканей, которые трудно испачкать и намочить. Фирма NanoSonic недавно представила одежду Metal Rubber, которая может даже изменять форму в зависимости от желаний хозяина (6).

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 используется в качестве наступательного оружия. "Могучие умы" всего лишь используют умные 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 Fluid). Когда ткань погружают в STF, кварцевые частицы поглощаются ее волокнами. Эластичность такой умной 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 (25).

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 (26). Внутренние слои ткани, из которой будут шить форму американского солдата будущего, станут еще умнее. Для их изготовления планируется использовать электронный текстиль - так называемую е-ткань. Токопроводящие нити, вплетенные в такую 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 сети Интернет (27).

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 (28). 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 волокна и/или оптические волокна оказалось не так уж и сложно. Чуть сложнее оказалось встроить в нее датчики давления, температуры, чипы с датчиками вибрации и др. Не оставили без внимания е-ткань и разработчики электронных компонентов. Реальностью сегодняшнего дня стали 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 является экономической базой для реализации этого технического решения.

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

УМНЫЙ ДОМ

Для реализации проекта умная одежда использовались не только умные материалы, но и достижения современной радиоэлектроники. Достижения радиоэлектроники стали базовой основой и другого умного проекта - умный дом (smart home). Начало этому проекту было положено в 1999 году, когда на северо-западной окраине Лондона был построен прекрасный современный дом для гипотетической семьи из 5 человек, включающий гостиную, столовую, кухню, две ванны, кабинет, пять спальных комнат. Этот дом был построен из современных материалов, оснащен экономичной системой отопления и т.д. и т.п. Но главное отличие этого проекта заключалось в том, что его по праву можно было назвать еще 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 (29): (72 порта данных; настольный маршрутизатор Cisco 1750-2B; две ISDN карты компании British Telecom, обеспечивающие работу 6 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 Web-камеры; распределенная аудиовизуальная система Total Sound и др).

Подробнее о потребительских свойствах умного дома, которые обеспечиваются наличием этого сложного "радиоэлектронного комплекса". На входе в дом установлена Web-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 и салона автомобиля. В России же под регулированием понимают 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 умного дома. Более того, доступ к большей части товаров и услуг возможен в режиме онлайн.

Благодаря системе дистанционного обучения RM в умном доме детям в школу можно не ходить. Можно подключаться к школьной сети, заходить в собственные и/или общие папки, помещать туда выполненные домашние задания и брать новые и т.д. Как бы хотелось, чтобы такая возможность (не ходить на работу) в этом удивительном доме распространялась и на взрослых! Но, увы, такая возможность пока имеется только для очень узкого круга лиц. А вот диагностику автомобиля в умном доме в ближайшем будущем можно будет проводить лежа на диване. В расчете на создание очередного "умника" - умного автомобиля кабели и порты имеются даже в гараже.

Вот такой он вкратце умный дом образца 1999 г. Сейчас уже 2006 г. Локальное будущее наступило. В начале 21 века технические характеристики некоторых высокотехнологичных приспособлений конца 20 века уже 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 этой статье на умные материалы, умную одежду и умный дом. Хотя, не прилагая больших усилий, этот перечень можно существенно расширить. На первый взгляд, всем этим интенсивно развивающимся направлениям можно только аплодировать. Действительно, первые члены этого товарищества - умные материалы заслуживают только аплодисментов. Никакая система автоматики никогда не будет сопоставима по надежности с умным материалом, изменения которого определяются только законами природы. Материал с 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 и т.д. - 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 этих 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 (30). Если при этом интенсивность процесса увеличивается, то 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 бы такая машина работала в разнос, 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 (31) я пришел к выводу, что большинство лекарственных препаратов стремятся помочь биологической машине уменьшить те неблагоприятные отклонения от нормы, которые по тем или иным причинам в ней произошли.

Возьмем, например, банальный гастрит с повышенной кислотностью желудочного сока. При этом заболевании по тем или иным причинам резко увеличивается секреция желудочного сока, основу которого составляет соляная кислота. Не мудрствуя лукаво, медики предлагают нам нейтрализовать избыток этой кислоты. Для этого используется обычная реакция нейтрализации. Альмагель, фосфагель и другие аналогичные лекарственные препараты представляют собой смесь гидроксидов магния, кальция, алюминия и некоторых 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, чтобы перевести систему в прежнее состояние. Причем, чем чаще и чем интенсивнее будет такого рода внешнее воздействие на биологическую машину, тем более вероятно, что такой "форсированный" режим работы для желез, вырабатывающих соляную кислоту, станет "новой нормой". И эта "норма" будет далека, от действительной нормы. Условный рефлекс закрепит это состояние. Говоря медицинскими терминами, 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 он порочен.

Как же превратить эту фактически положительную обратную связь в отрицательную обратную связь? Рассмотрим проблему в несколько 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 (32). Согласно этому принципу, введение в систему дополнительного количества реагента смещает равновесие в направлении того процесса, при котором концентрация этого 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 это "антилекарство" вводить в биологическую машину постоянно, то тот же условный рефлекс сместит равновесие в нужную сторону. В этом случае, с точки зрения тактики (кратковременное облегчение) будет иметь место положительная обратная связь, а с точки зрения стратегии (излечение) - так нужная нам отрицательная обратная связь.

Но как же так? Человек испытывает боль из-за избытка соляной кислоты, а мы ему добавляем еще и кислоты и боли. Чем все это может закончиться? Сформулируем техническое противоречие этой задачи (ТП) по законам теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) (33):

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 с использованием 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 эти рассуждения и эти, пока еще виртуальные решения, к "умницам и умникам"? Самое прямое. Дело в том, что развитие проектов умная одежда и, особенно, умный дом могут привести к результатам, аналогичным тем, к которым привели биологическую машину современные лекарственные препараты. А 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, как от лютого холода, так и от знойной жары. Но та же умная одежда оградит человека и от сравнительно слабых колебаний температуры, оказывающих "тренирующее" воздействие по отношению к воздействию на него тепла и холода.

Умный дом создаст максимум удобства, для его обитателей, но с той же неотвратимостью приведет к все большему и большему обездвиживанию человека. Человек ленив по своей природе. В какой то степени это хорошо - это стимулирует технический прогресс, способствуя созданию все более и более идеальных технических решений. Умные материалы - реальный тому пример. А вот желающих "истязать" себя физическими 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 необходимость и требование времени. И как бы отдельные индивидуумы не хотели обратного, от "умниц и умников", как и от "праздника детства" нам никуда не деться. Более того, деваться от них и не нужно. Все эти 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 этой системы. Изобретения (настоящие изобретения) в каждом конкретном случае разрешают эту 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, а точнее к системе: человек - окружающая его внешняя среда. В этой технической системе также великое множество противоречий. "Умницы и умники" делают свой дополнительный вклад в эту сложную и запутанную сеть противоречий. Поэтому, как минимум, следует иметь в виду их существование, а в лучшем случае стараться их разрешать. На то они и противоречия, чтобы их преодолевать. Как это делать в технике, человек знает и умеет. Нужно всего лишь повернуться лицом еще и к себе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г. Колесников, - М.: Сов Энциклопедия, 1991.

2. Смыслов И. Новые возможности передовой технологии. Позисторные нагреватели // Электроника: НТБ, 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/00246/00246.html

7. Тимохов В.И. Картотека биологических эффектов //

8. Уразаев В.Г. Влагозащитные полимерные покрытия: фантазии на тему // Компоненты и технологии. Приложение: 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… // Компоненты и технологии. Приложение: 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/Cadillac.shtml

16. Http://www.iop.org/EJ/journal/SMS

17. Уразаев В.Г. Химия в электронике // Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в электронной промышленности, 2005, № 6.

18. Http://www.chem.msu/rus/journals/chemlife/2001/welcome.html

19. Http://www.scientific.ru/journal/news/n190201.html

20. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. - М.: Техносфера, 2006.

21. Http://www.nature.ru/db/msg.html?mid=1181458&s=120700000

22. Методические указания "Гигиенические требования к одежде детей", утвержденные главным государственным врачом СССР 30.09.1981г. № 2452-81.

23. Чехов А.П. Хамелеон. Собрание сочинений в 8 томах. Т.1. - М: Правда, 1969.

24. Smart Material Bulletin Volume 2002, Issue 12, December 2002, Page 4.

25. Http://www.news.pravda.ru/index.html

26. Http://www.publish.diaspora.ru/gazeta/articles/usa009_4.shtml

27. Володарский О. Мне идет этот компьютер? Электроника, вплетенная в ткань, становится модной // Электроника: НТБ, 2003, № 8.

28. Мокеев М.Н., Лапин М.С. Технологические процессы и системы производства тканых монтажных плат и шлейфов. - Л.: ЛДНТП, 1988.

29.  Http://www.aspect.spb.ru/library/ib/ihome/sx/art/256411/cp/1/br

30. Электроника: Энциклопедический словарь/ Гл. ред. В.Г. Колесников, - М.: Сов. энциклопедия, 1991.

31. Ураков А.Л. Как действуют лекарства внутри нас. - Ижевск: Удмуртия, 1993.

32. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 4 /Редкол.: И.С. Зефиров (гл. ред.) и др. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.

33. Уразаев В.Г. Путешествие в страну ТРИЗ. Записки изобретателя. - М.: Солон Пресс, 2003.