С «интернетом вещей», 3D-печатью и боевыми роботами будущее уже наступило
В ушедшем году не было недостатка в статьях и комментариях по поводу будущего облика вооруженных сил как России, так и ведущих стран мира. Отметим три наиболее интересных направления военно-технологического развития – «интернет вещей», 3D-печать и роботы. Впрочем, с последними не все так однозначно. Нет сомнений, что использование их вместо солдат в ситуациях, сопряженных с риском для жизни, – задача архиважная. Но настораживает практически полное отсутствие данных о способности робота действовать в условиях реального боя.
Призываемый на службу человек проходит медкомиссию, которая должна убедиться в его физическом и психическом здоровье, прежде чем допустить к обращению с оружием. Робот тоже проходит комиссию – разнообразные испытания. Но они в большей степени касаются его физического соответствия характеру возлагаемых задач. А вот на психологической, скажем так, устойчивости, которая определяется способностью безошибочно выполнять задачи в условиях радиоэлектронного и программного противодействия, пока внимание не столь сконцентрировано. Для боевого робота проверка в жесткой реальности радиоэлектронной и кибернетической войн представляется крайне важной и, безусловно, необходимой. Только выдержавший такие испытания робот может считаться боевым и быть включен в штат войсковых подразделений. Другие должны быть признаны нонкомбатантами и выполнять задачи в тылу, вдали от боя, как внештатное средство.
Непобедимый рой
Словом, не только роботы определят будущее вооруженных сил и человечества в целом. Важное направление технологического прогресса – «интернет вещей» (Internet of Things – IoT). Под этим термином понимают концепцию информационной коммуникационно-вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или внешней средой. В таком виде сеть исключает человека из части действий и операций.
Концепция сформулирована в 1999 году как осмысление перспектив широкого применения средств радиочастотной идентификации для взаимодействия физических объектов между собой и с внешним окружением. Наполнение концепции многообразным технологическим содержанием, внедрение практических решений для ее реализации считается начиная с 2010-х годов восходящим трендом в информационных технологиях. Прежде всего благодаря повсеместному распространению беспроводных (Wi-Fi) сетей, появлению облачных вычислений, развитию технологий межмашинного взаимодействия, началу активного перехода на интернет-протокол IPv6 и освоению программно-конфигурируемых сетей.
Первый шаг на пути к созданию «интернета вещей» был сделан в 1974 году при повсеместном внедрении штрихкода. Второй – после создания и внедрения технологии RFID (Radio Frequency Identification – радиочастотные метки) и похожей технологии NFC (Near Field Communication – коммуникация ближнего поля). Важную роль здесь сыграло то, что стоимость этих технологий за последние годы снизилась до пренебрежительно малых величин. Третий – достижение за последние 20 лет невероятной дешевизны баз данных, необходимых для сбора, хранения и обработки данных от миллиардов элементов новой системы. Четвертый – это замена интернет-протокола с IPv4 на IPv6. Первый интернет-протокол позволял вместить четыре миллиарда IP-адресов. Создание «интернета вещей» предполагает увеличение количества IP-адресов на порядки. IPv6 и есть тот самый новый интернет-протокол, который обеспечивает предоставление практически бесконечного числа таких адресов. С помощью этого протокола можно подключать к Интернету все, что имеет программное обеспечение: велосипед, кофемашину, холодильник. Вообще любое механическое, электрическое, электронное устройство, да и не только устройство – это может быть любая деталь, материал и т. п. Таким образом, с технологической стороны IoT представляет собой систему, состоящую из штрихкодов, QR-кодов (мозаичные метки в виде множества квадратиков), RFID, NFC, активных датчиков, Wi-Fi, IPv6 и баз данных для хранения и переработки информации.
Уточним, что «интернет вещей» пока находится в стадии концепции. Основная причина – отсутствие общих стандартов. Без единых технологических норм интернетсовместимые устройства от разных фирм и производителей могут попросту не понимать друг друга, что на корню подрывает саму идею свободного обмена данными между предметами. Так что IoT необходим свой собственный консорциум, который мог бы задавать единые кросс-индустриальные стандарты сетевой совместимости для разных устройств.
Если это случится, то вещи смогут соучаствовать в процессе своих перемещений и трансформаций, сообщая о себе любые необходимые, заложенные в стандарты памяти меток сведения. Они позволят полностью автоматизировать процесс логистики. Имея встроенный интеллект, смогут также менять свои свойства и адаптироваться к окружающей среде. С помощью «интернета вещей» в полном объеме может быть решена одна (но далеко не единственная, это всего лишь пример) из сложнейших проблем – ремонт техники по состоянию. Любой узел автомобиля, танка, ракетной установки сможет сообщить о своем состоянии и необходимости обслуживания или ремонта. Обладая собственными органами чувств, такие средства будут способны обнаруживать другие, так или иначе связанные (функционально или организационно) с ними средства, налаживать взаимодействие.
Пример такого рода – так называемый атакующий рой. Имеется в виду стая беспилотных летательных (наземных, подводных, надводных) аппаратов, которая способна по единому замыслу и плану выполнять поставленную задачу. Что-то похожее описывал Станислав Лем в знаменитом романе «Непобедимый». Более того, IoT позволяет создавать комбинацию из людей-операторов и интеллектуальных устройств (это могут быть, например, различного рода средства дистанционного сбора данных и роботы), объединенных мультипротокольными сетями связи. Совместно они могут создавать системы для выполнения задач в средах и условиях, опасных или недоступных для человека. То есть поле боя, космос, большие высоты и глубины, ядерные установки, трубопроводы, сверхвысокие скорости в сочетании с тысячекратными перегрузками и т. п. Синергия различных вещей в сочетании с творческими возможностями делает возможности «интернета вещей» бесконечными.
Как уже было сказано, есть три ключевых фактора, способных затруднить развитие IoT: необходимость перехода к протоколу IPv6, обеспечение энергопитания бесконечно большого количества датчиков, разработка и принятие общих стандартов.
Первый и последний факторы носят скорее организационный характер, второй – вполне материален и весьма технологически непрост. Для того чтобы обеспечить функционирование «интернета вещей», датчики должны получать электроэнергию не от сменяемых батареек (это при многомиллиардной потребности невозможно в принципе), а из окружающей среды – от вибрации, света, тепла, воздушных потоков. Недавно в этой области был достигнут определенный успех. На 241-м собрании Американского химического общества в марте 2011 года анонсировали пригодный к коммерческому использованию наногенератор – гибкий чип, преобразующий в электроэнергию человеческие телодвижения даже одного пальца.
Но есть еще один фактор, который может стать головной болью для всех пользователей «интернета вещей» и не только. В отчете Национального разведывательного совета США (National Intelligence Council) 2008 года IoT фигурирует как одна из потенциально разрушительных технологий. Повсеместное и незаметное для потребителей превращение в интернет-узлы таких распространенных вещей, как товарная упаковка, мебель, бумажные документы, может нанести урон национальной безопасности. Оставленная в танке солдатом обертка от конфеты может стать источником информации о месте нахождения и перемещениях этого танка, другими словами, маяком для наведения ракеты. Лист чистой бумаги в штабе – средством сбора разведданных. В принципе любой предмет, используемый военными и имеющий устройство со встроенной меткой, может стать врагом – разведчиком, радиомаяком для наведения оружия. А количество таких предметов будет интенсивно расти. Одна их ведущих компаний в области информационных технологий – Cisco IBSG прогнозирует, что к 2015 году к Интернету будет подключено 25 миллиардов, а к 2020-му – 50 миллиардов устройств. Важно заметить, что эти прогнозы не учитывают ускоренного развития интернет-технологий и устройств. Скорее всего цифры могут оказаться в разы больше.
Многими полководцами всех времен неоднократно повторялся постулат: важна не столько мощь врага, сколько информация о нем. «Интернет вещей» обещает информационно обнажить вероятного противника полностью. Какими тогда будут формы и способы военных действий? Как увеличатся их скоротечность, интенсивность? А может, наоборот, войска будут связаны по рукам и ногам в силу бесполезности планирования и подготовки операций, ведь все равно противник обо всем будет информирован в реальном масштабе времени. Об этом необходимо задуматься уже сейчас, ведь 2020 год практически рядом.
Одноразовый восьминог
Это еще одно направление развития человеческой мысли, сулящее гигантский технологический прорыв совсем скоро. В последние годы рынок 3D-печати стремительно растет и уже не воспринимается как экзотика. По некоторым прогнозам, к 2017 году его объем увеличится в десять раз. С 2012-го ежегодный рост в количественном выражении составлял и далее до 2017 года составит около 30 процентов, а в денежном – около 60 процентов.
По оценке аналитической компании Research Techart, по итогам 2013 года объем мирового рынка 3D-принтеров превысит 2,4 миллиарда долларов, а российский рынок приблизится к отметке 350 миллионов рублей, составив 0,45 процента от мирового. К 2017-му он превысит показатель 600 миллионов рублей (мировой – 4,7 миллиарда долларов). То есть доля сохранится примерно той же – 0,4 процента. В России 3D-принтеры уже есть в крупных торговых сетях. Появились дистрибьюторы, занимающиеся продажей этих устройств, а также отечественные модели, например PrintBox3D One.
В передовых странах мира наиболее интенсивно ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению 3D-печати в аэрокосмической, образовательной, медицинской, ювелирной и развлекательной сферах. Если отбросить последние две, то уже можно сделать выводы о военно-прикладном значении. Кроме того, ведутся исследования по сугубо военному применению технологии.
Стремительнее всех воплощают идеи 3D-печати в жизнь именно новые, специально созданные для развития этой технологии компании, такие как Shapeways и Makerbot. 12 ноября 2013 года фирма Makerbot заявила, что планирует поставить принтер в каждую американскую школу, процитировав речь президента США Барака Обамы: «У 3D-печати есть потенциал совершить революцию в производстве практически всего. Мы должны сделать так, чтобы следующая индустриальная революция случилась в Америке».
Наибольшее распространение такие принтеры получают в пластической хирургии и травматологии. Хотя текущий уровень развития техники не позволяет создавать пригодные для протезирования составляющие, специалисты ведут усердную работу. «Если технологии 3D-принтеров будут развиваться нынешними темпами, то через несколько лет скорее всего мы сможем печатать на них, к примеру, кости, которые потом можно использовать при протезировании», – считает один из ведущих специалистов японского медицинского университета Фудзита. Совсем недавно исследовательская компания Organovo из Сан-Диего объявила о том, что успешно распечатала ткань человеческой печени на 3D-принтере. Ткань способна выполнять все функции, свойственные этому внутреннему органу.
Нет необходимости пространно рассуждать о значимости внедрения такой печати в военно-полевой хирургии, где характер каждого ранения редко повторяется и где для лечения требуются уникальные материалы и средства. Время изготовления и доставки их традиционным способом недопустимо велико, на кону жизнь и здоровье солдата, а 3D-принтеры сделают запасной орган за несколько минут или часов.
Сотрудник Мичиганского технологического института Джошуа Пирс создал систему металлической 3D-печати. Этот принтер состоит из рамы, небольшого газосварочного аппарата и микроконтроллера, который управляет его работой. То есть фактически это сварка металлических листов. Таким образом Пирсу удалось пока создать только металлическую шестеренку, однако он надеется, что открытость управляющей программы и доступность оборудования (детали аппарата стоят около 1500 долларов) быстро приведут к совершенствованию системы.
Сейчас существует множество коммерчески доступных аппаратов для металлической 3D-печати. Наиболее совершенные из них работают по технологии прямого лазерного спекания. Исходным материалом для изделия является металлический порошок, который плавится в местах облучения, а затем покрывается новым слоем порошка.
Методом прямого спекания можно изготавливать детали сложной формы из различных типов стали и даже титана. Разрешение при печати достигает около 20 микрон, и получившиеся изделия не требуют последующей обработки. Недавно компания Solid Concepts продемонстрировала возможности этой технологии, напечатав действующую модель армейского пистолета M1911.
 |
| Пистолет 1911 DMLS |
| Источник: Кадр: видеопрезентация Solid Concepts |
Естественно, такая технология невероятно востребована при проведении войскового ремонта или ремонта военной техники в боевых условиях. А если удастся научить 3D-принтеры печатать оружие, то это будет другой оборонно-промышленный комплекс и другое человечество. Поэтому фантастический потенциал новых технологий требует отдельных размышлений и законодательного регулирования.
3D-печать станет незаменимой при возможном освоении других планет, тех же Луны и Марса. С помощью принтеров и роботов можно создавать любые объекты на внеземных базах, успешно развивать колонии, управляя процессом дистанционно. Можно с определенной уверенностью говорить, что это ключевая технология для успешного осуществления космических программ. Одна из компаний, занятых в этой области, так и называется – Made In Space. Ее ближайшая задача состоит в разработке 3D-принтера для работы в условиях микрогравитации на Международной космической станции (МКС).
Один из проектов, получивший название SpiderFab, финансируется американским аэрокосмическим агентством NASA. Реализация его поручена Вашингтонской технологической компании Tethers Unlimited Inc. (TUI). Демонстрационная версия создаваемого по проекту многофункционального космического завода может быть готова уже к 2020 году. По замыслу разработчиков завод будет использовать 3D-печать и робототехнику для создания и монтажа гигантских космических структур. Например, антенн, мачт с датчиками, солнечных батарей, которые практически невозможно доставить на орбиту с Земли.
В настоящее время все громоздкие компоненты космических станций изготавливаются на Земле, проектируются с учетом размещения на ракете-носителе и последующего разворачивания на орбите. Такой подход накладывает ограничения на производство различных элементов. Кроме того, он технологически сложен, требует преодоления многих противоречивых требований, в силу чего финансово затратен.
Производство на орбите позволит заготавливать исходные материалы на Земле в компактных формах, например катушки волокон, блоки полимеров, контейнеры с металлическим порошком и т. п. После выведения на орбиту автоматизированные системы SpiderFab будут использовать материалы для производства сколь угодно больших структур. Этот подход к строительству космических систем сделает реальностью антенны и модули, которые в десятки и сотни раз больше нынешних.
Наряду с этим проектом специалисты TUI выполняют заказ NASA и фирмы Small Business Innovation Research по разработке устройства под названием Trusselator. Оно предназначено для производства в условиях космического пространства несущих конструкций и элементов сверхбольших солнечных батарей. Это значительно повысит энерговооруженность орбитальных станций. К сожалению, попутно произойдет существенный прогресс в создании боевых космических лазеров.
Недавно NASA заявило об успешном испытании самого крупного ракетного компонента, который когда-либо изготавливали с помощью 3D-принтера. Это инжектор, деталь двигателя. Его создали с применением технологии избирательной лазерной плавки (SLM), аналогичной 3D-печати. Здесь также идет процесс послойного изготовления физического объекта, слои создаются из металлического порошка, плавящегося лазером. Готовое изделие может быть сложной геометрической формы.
Благодаря новейшим технологиям достигается большая экономия материальных и финансовых средств, а также времени. Компонент, на который обычно требуется несколько месяцев упорного труда, 3D-принтер создает за несколько дней. К тому же при такой печати деталь получается монолитной, без швов и соединений.
Что касается упомянутой выше робототехники, то и здесь 3D-печать находит применение. Существует довольно большое количество исследовательских групп, которые начали создавать прототипы роботов с помощью принтеров. В Германии, к примеру, компания Fraunhofer-Gesellschaft разработала модель восьминогого робота-паука. Причем один из исследователей сравнил созданного таким образом робота с одноразовыми резиновыми перчатками, подразумевая, что после использования робота нет необходимости думать о его ремонте или обслуживании – легче просто напечатать нового.
Американским физикам и инженерам удалось разработать технологию трехмерной печати литиевых элементов питания. Размер полученных батарей составляет около миллиметра, электроды – тоньше человеческого волоса. Процесс печати полностью автоматизирован и использует уже существующие модели трехмерных принтеров. Основной проблемой, которую пришлось разрешить ученым, являлся подбор «чернил», материала, используемого принтером. Исследователям удалось подобрать вещество, которое сочетает высокую электрическую проводимость со способностью мгновенно затвердевать при контакте с воздухом и сохраняться жидким внутри принтера.
Кроме того, разработчиками печатной микробатареи подобран состав, содержащий оксид лития. После того как принтер сформировал электроды и добавил оксид лития (он в печатный состав вносился в виде наночастиц), батарея заливалась электролитом и закрывалась корпусом.
Это изобретение поможет в разработке вживляемой электроники. Сейчас в распоряжении медиков уже есть технологии, позволяющие создать сверхминиатюрные устройства для мониторинга биохимических показателей крови или других параметров непосредственно в организме пациентов, но для долговременной работы многим перспективным вживляемым приборам не хватало компактных и надежных источников питания.
Эксперты считают, что сегодня методом 3D-печати могут быть изготовлены 70 процентов деталей с использованием различных мономатериалов – от керамики и пластиков до различных металлов. Проблема состоит в технологической сложности печатания деталей, состоящих из смешанных материалов. Пока она не решена, но и здесь в ближайшие годы ожидается технологический прорыв.
Василий Буренок, доктор технических наук, профессор
Опубликовано в выпуске № 2 (520) за 22 января 2014 года