Станислав Лем, «умная пыль» и 3D-принтеры
Напечатать новую дверную ручку или таблетки по рецепту врача в ближайшем будущем сможет каждый, не выходя из дома, считают венчурные инвесторы.
Одной из генеральных инновационных технологий, способных революционно изменить мир, в котором мы живем, признана технология 3D-печати. Возможно, именно поэтому данной технологии была посвящена отдельная панельная дискуссия «Революция в 3D-принтинге: производство по требованию – всего и в любом месте» в рамках секции «Роботы, «умные» системы и цифровое производство» на Московском международном форуме «Открытые инновации».
Участие в панельной дискуссии приняли Иван Бортник, исполнительный директор Ассоциации инновационных регионов России; Игорь Агамирзян, Генеральный директор и председатель правления ОАО «РВК»; Кристофер Уильямс, доцент Виргинского политехнического университета (VirginiaTech); Макс Лобовски, сооснователь FormLabs; Скайлар Тиббитс, основатель SJETLLC, преподаватель департамента архитектуры Массачуссетского технологического института; Игорь Смуров, директор лаборатории диагностики и инженерии промышленных процессов (DIPI) Национальной инженерной школы Сент-Этьенна (ENISE); Скотт Саммит, основатель и технический директор Bespoke Innovations и Шерри Ласситер, менеджер программ Центра «Center for Bits and Atoms», MIT Media Lab.
Прежде всего, нужно пояснить, что такое 3D-печать. С обычным принтером – лазерным или струйным – наверняка знакомо большинство читателей, у многих такой принтер есть дома. Это удобно: в течение нескольких минут можно легко и просто получить на бумаге оттиск рисунка или текста (в том числе цветной), по качеству не уступающий продукции хорошей профессиональной типографии и вполне доступный по цене.
3D-принтер, по сути, способен сделать то же самое уже не в виде бумажной распечатки, а в виде реального изделия – от украшений и фурнитуры для одежды до мелких предметов быта, запчастей, деталей, заводской оснастки и даже готовых изделий вплоть до архитектурных сооружений. Главный принцип в работе 3D-принтера – вместо обычного для большинства производственных операций «срезания лишнего» нужная деталь (а то и вся сборка целиком) «синтезируется из ничего», выращивается слой за слоем согласно созданной при помощи компьютера трехмерной модели.
Технологии такого синтеза могут быть различными. Это может быть лазерная стереография, когда твердый материал в требуемых участках детали наращивается за счет отвердевания жидкого исходного вещества под действием лазерного облучения либо за счет сплавления лазером металлического порошка в монолитный материал. Некоторые модели устройств 3D-печати используют порошок-наполнитель, склеиваемый каким-либо жидким связующим (например, быстро застывающей полимерной смолой). В простейшем случае в качестве исходного вещества используется пластмасса, подаваемая в «печатную головку» в виде непрерывного тонкого прутка: пластмасс плавится нагревом, очередной ее тонкий слой в вязком виде наносится на предыдущие слои, охлаждается, отвердевает и становится основой для нанесения следующего слоя. А если использовать, кроме основного («конструкционного») материала, также дополнительное вещество, которое можно после изготовления изделия попросту смыть каким-либо растворителем (хотя бы обычной водой), то появляется возможность за счет «программирования» размещения в изделии полостей сразу, «за один проход» послойно выращивать различные шарнирные сборки из нескольких деталей, в том числе сплошные, а не разъемные.
Революционность такого способа изготовления изделия – не только в уменьшении количества промышленных отходов (поскольку неиспользованное исходное вещество может быть собрано и пущено в дело при изготовлении следующей детали) или в том, что выращиваемая таким способом деталь может (с учетом разрешающей способности устройства 3D-печати, которая, впрочем, достаточно высока даже у сравнительно дешевых моделей, предназначенных для домашнего и учебного использования) иметь принципиально любую форму, в том числе с любыми внутренними полостями, получить которые традиционными методами крайне сложно или вообще невозможно.
Как отмечали докладчики панельной дискуссии, 3D-печать – это явление уже не столько технологическое, сколько экономическое и социальное. Точно так же, как несколько десятилетий назад появление персонального компьютера подтолкнуло общество к переходу от коллективного создания и потребления информационного продукта к индивидуальному, 3D-печать становится важнейшим элементом новой индустриальной революции, заключающейся в ИНДИВИДУАЛИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА. «Сегодня настала пора пересечения виртуального мира с реальным, когда виртуальность начинает определять состояние реального мира, а его физические объекты могут быть созданы из информационных образов, – сказал в своем вступительном слове Игорь Агамирзян, – 3D-печать даст возможность каждому из нас (при наличии, конечно, минимальных навыков работы с компьютером) если не проектировать самому, то, по крайней мере, создавать по готовым проектам, скачанным, например, из Интернета, почти любые нужные ему вещи, позволит открыть эру индивидуального производства-творчества».
В настоящее время меняется сама парадигма производства. Если раньше основной частью стоимости товара являлось его изготовление, то теперь практически любой товар представляет собой, прежде всего, информационный объект, лишь тиражируемый в некоторой физической форме при помощи тех или иных средств производства. Например, современная микросхема – это, по сути, закодированный в определенной форме алгоритм обработки сигнала, тиражируемый в виде чипа, а лекарство – это, прежде всего, определенная химическая формула, тиражируемая в виде соответствующего вещества. Именно «информационная составляющая» каждого изделия становится все более ценной, тогда как технологии его изготовления приобретают лишь вспомогательную роль, а основной источник стоимости продукта заключается теперь не в производстве (тиражировании), а в разработке информационного прототипа изделия.
В качестве примера Игорь Агамирзян привел современную фабрику инсулиновых инъекторов. Сегодня это – полностью автоматизированная производственная линия, на вход которой поступает исходное сырье, а на выходе появляются готовые упаковки инъекторов с уже надпечатанным адресом их доставки заказчику, и всю эту производственную линию обслуживают шесть человек. Однако чтобы разработать данный технологический процесс и сконструировать автоматическую фабрику, потребовался труд трех тысяч инженеров и конструкторов.
Дальнейшим развитием идеи автоматизации производства как тиражирования информационных объектов и одновременно – идеи индивидуализации производства является создание так называемых foundry-центров. В настоящее время такой подход используется при производстве интегральных микросхем: заказчику достаточно в буквальном смысле прислать по сети Интернет информационный образ, чтобы через краткое время получить требуемую микросхему.
В перспективе же индивидуализированное производство может быть выражено в возможности изготовления («синтеза») в домашних условиях любого требуемого изделия. Например, сотруднику сервисной службы уже не потребуется нести с собой полный набор запчастей для вашего кухонного комбайна: все требуемые детали он будет иметь в кармане на обычной «флешке» в виде файлов-образов. Или же, например, вам уже не потребуется ехать в магазин, чтобы купить дверную ручку взамен сломанной. Достаточно будет лишь запросить через Интернет требуемый файл, включить 3D-принтер и через некоторое время вынуть из него готовое изделие. По словам Игоря Агамирзяна, уже недалек тот день, когда, скажем, врач, дистанционно поставив вам диагноз по данным, полученным от встроенных в ваш смартфон датчиков, просто отправит вам по Интернету файл с формулой лекарства, и вы сами сможете напечатать себе требуемое количество таблеток.
Конечно же, этот путь не устлан лишь лепестками роз (что, впрочем, относится к любой новой технологии). При реализации подобного индивидуализированного производства появится целый ряд проблем, нуждающихся в решении. Это и обеспечение эффективности такого производства (имеется в виду вопрос: что и в каких случаях выгоднее с точки зрения расхода энергии и сырья – централизованное крупносерийное производство, обеспечивающее население целого региона, или индивидуальное изготовление каждым жителем этого региона одного или нескольких экземпляров изделия), и проблема контроля такого производства. Так, Иван Бортник в качестве наглядного примера напомнил присутствующим о недавно широко обсуждавшейся в Интернете публикации о том, как один из американских оружейников сумел в буквальном смысле (хоть и с некоторыми оговорками) напечатать на 3D-принтере действующий образец автоматического пистолета (http://www.nkj.ru/news/21253/). Представьте себе «пиратский торрент», с которого можно при желании вместо нелицензионной программы или «электронной книги» скачать и распечатать дома «нелицензионный» автомат Калашникова, и вы поймете, что здесь есть над чем задуматься…
Впрочем, какими бы ни были сопутствующие проблемы, прогресс остановить не удастся. Во многих вузах (например, в МИСиС, http://www.nkj.ru/news/21241/) уже создаются центры коллективного пользования, так называемые FabLab – «фабрики-лаборатории», в которых студенты могут воспользоваться компьютеризированными станками (и 3D-принтеры среди них занимают далеко не последнее место!), чтобы реализовать «в реале» свои идеи, предлагаемые ими в курсовых и дипломных проектах. Уже появляются фирмы, которые предоставляют подобные услуги (либо оборудование в почасовую аренду) всем желающим. Все большее число пользователей (в основном пока за рубежом) приобретают даже домашние 3D-принтеры, несмотря на пока еще достаточно высокие цены (порядка двух-трех тысяч долларов). Так, Макс Лобовски, рассказывая о собственном опыте разработки устройств 3D-печати, сообщил, что когда сотрудники основанного им проекта FormLab объявили Интернет-предзаказ на разработанный ими 3D-репликатор Form1 по цене 2068 долларов, за короткое время удалось собрать более двух миллионов долларов. Энтузиасты 3D-печати уже начинают создавать в Интернете собственные социальные сети (аналогичные всем известным сетям ВКонтакте или Одноклассники), нацеленные на бесплатный (а иногда – и платный) обмен готовыми проектами для 3D-печати. «Нужна критическая масса заинтересованных людей, чтобы запустить дело», – отметил Макс Лобовски, и, похоже, что такая критическая масса энтузиастов в мире уже имеется.
А что же дальше? Специалисты уже не удовлетворяются существующими технологиями послойного синтеза изделий. В рамках панельной дискуссии упоминались такие перспективы как молекулярная сборка объектов (как одна из разновидностей нанотехнологий); изделия, самособирающиеся из некоторых типовых компонентов (в том числе наноразмерных), за счет чего реализуются те или иные требуемые от получаемого изделия функции; идеи «программируемого материала» (высказанные в выступлении Скайлара Тиббитса) – вплоть до возможности для каждого из нас самостоятельно изготавливать себе все что угодно по имеющейся готовой (или собственными силами созданной) информационной модели, о чем говорила Шерри Ласситер. Фактически речь идет о переходе на государственном уровне от «экспорта товаров» или «экспорта технологий» к «экспорту идей», а на уровне конкретных граждан – к реализации самых смелых мечтаний фантастов, подобных волшебству. Как вам, например, вместо того чтобы загромождать дом сотнями вещей, которые могут когда-то понадобиться, возможность держать на жестком диске компьютера библиотеку образов этих вещей, согласно которой любая из них, если в ней возникнет необходимость, самособирается из «умной пыли», а после использования вновь рассыпается в такую пыль, – из которой затем самособирается другое какое-либо изделие? Станислав Лем описал подобную технологию в своем романе «Осмотр на месте»: «шустры» (микроскопические компьютеры), которыми, по сути, заменена вся среда обитания жителей описываемой планеты, позволяют воссоздать всё что угодно, любую вещь или любой сколь угодно сложный автомат, – достаточно лишь одного желания, – и автоматически заботятся о безопасности каждого жителя планеты и – не в меньшей мере – о соблюдении каждым установленных норм морали и закона. Не будем здесь рассказывать обо всех экономических и социальных последствиях, блестяще спрогнозированных писателем-фантастом, тем более, что нашей земной цивилизации до них еще ой как далеко. Однако некоторые мысли, высказанные Лемом в его романе, становятся актуальными уже сегодня. «Нет уже уникальных предметов, и подарком может стать только оригинальная информация о чем-нибудь таком, чего ни у кого пока нет, потому что он об этом не слышал, а сам не додумался. То есть презентом может быть лишь нечто вроде рецепта или инструкции», – сообщает один из инопланетных его персонажей. И точно так же, с широким распространением 3D-принтеров (а тенденции развития современных компьютерных технологий всерьез заставляют думать, что это произойдет еще в текущем десятилетии), действительно ценными станут именно идеи. А также люди, которые способны такие идеи генерировать…
Фото автора.
На фото: 1. Эмблема форума «Открытые инновации». 2. Перед дискуссией… 3. Игорь Бортник и Игорь Агамирзян открывают панельную дискуссию. 4. Пример детали, изготовленной по технологии лазерной металлостереографии (3D-печать путем сплавления лучом лазера металлического порошка); об этой технологии рассказывал участникам дискуссии Игорь Смуров. 5. Стенд FabLab на выставке Open Innovations Expo, сопровождавшей форум «Открытые инновации», представил московский НИТУ «МИСиС» (перекрестная стереопара, инструкция по просмотру в Интернет-журнале «Мир 3D», http://mir-3d-world.narod.ru/). 6, 7. 3D-принтер, используемый в FabLab НИТУ «МИСиС» … и изготовленные на нем изделия (перекрестная стереопара) 8. FABLAB@SCHOOL – инновационно-технологический центр для молодых исследователей, FabLab для школы, – компактная цифровая мастерская, включающая аппарат для лазерной резки, фрезеровально-гравировальный станок, приборы трехмерного моделирования, 3D-принтер и 3D-сканер. 9. Компактный 3D-принтер (репликатор) REPRAP – один из основных компонентов школьной фабрики-лаборатории FabLab.
3 ноября 2012
