969859936

Цифровые материалы

Май 21 2013, 0 Коммент.

Как правило, термин «цифровое производство» подразумевает изготовление продукта с помощью управляемых компьютером инструментов — потомков станков с числовым программным управлением, но пока это не совсем соответствует действительности. Ведь цифровой в данном случае является только управляющая часть — компьютер, материалы же до сих пор остаются аналоговыми. В идеале цифровое производство должно и материалы использовать цифровые, чтобы в полной мере соответствовать определению. И сейчас многими лабораториями ведётся активная разработка именно таких материалов. Но чем они отличаются от обычных?

Возьмём, к примеру, телефонную связь. Когда-то она была аналоговой, и с увеличением расстояния она заметно ухудшалась: ошибки в системе накладывались друг на друга, сигнал становился слабее, и в результате собеседники могли вместо нормального разговора получить тихое неразборчивое бормотание, сопровождаемое всевозможными шумами. Но в 1937 году математик Массачусетского технологического института (МТИ) Клод Шеннон написал магистерскую диссертацию, в которой показал, что любую логическую функцию можно вычислить с помощью переключателей включения-выключения.

На практике он применил эту идею в 1938 году, работая в Bell Labs, и доказал, что после преобразования звонка в код из нуля и единиц сообщение может быть надежно передано без помех даже в самой шумной и несовершенной системе телефонной связи. Двоичная система хороша тем, что даже если единица из-за помех принимается как 1,1 или 0,9, она всё равно отлична от нуля и потому воспринимается системой именно как единица.

На мысль об использовании такой системы Шеннона натолкнула сложность работы с имеющимся в МТИ механическим аналоговым компьютером, использовавшим вращающиеся колеса и диски. Постепенно накапливающиеся сбои в расчётах приводили к тому, что чем дольше он работал, тем хуже были ответы. Многие другие исследователи — такие как Джек Коуэн, Джон фон Нейман — также считали, что оцифрованные данные более подходят для вычислений, так как компьютер, представляющий информацию в виде единиц и нулей, остаётся надежным даже в том случае, если его части не являются таковыми. Время только многократно подтвердило это, и именно благодаря оцифровке данных возможности огромных суперкомпьютеров середины прошлого века сейчас доступны компактным устройствам типа смартфона.

Примерно то же можно применить и к материалам. Для более наглядного представления можно сравнить современный процесс создания детали 3D принтером со сборкой ребенком конструктора LEGO (образным аналогом цифрового материала).

1. Детали конструктора требуют точного соединения для обеспечения надёжного скрепления между собой, но их конструкция такова, что некоторые ошибки, возникающие при недостаточно развитых двигательных навыках ребенка, устраняются автоматически. Ошибки же, возникающие при работе 3D принтера, напротив — только накапливаются, не имея возможности автоматического исправления.
2. Детали LEGO сами регулируют расстояние между собой, что позволяет модели расти до любого размера, а процесс 3D печати жёстко ограничен размерами рабочей зоны, в пределах которой может перемещаться печатающая головка.
3. Части LEGO могут быть изготовлены из довольно широкого спектра материалов, при этом проблем с соединением, допустим, алюминиевых и пластиковых деталей не возникает. 3D принтеры же имеют довольно ограниченные возможности в этом плане, поскольку все материалы должны проходить через одинаковый процесс печати.
4. Самое существенное различие состоит в том, что модель, собранную из конструктора, можно без проблем разобрать и собрать что-нибудь другое, а вот ставшие ненужными детали, напечатанные на 3D принтере, обычно просто выбрасывают.

Природа подобные методы уже давно освоила: лучшим примером этого является рибосома – белок, который сам производит белки из собственного конструктора LEGO — аминокислот (22 различных видов). Последовательность сборки каждого типа ткани в организме хранится в ДНК (природный цифровой код) и передается рибосоме посредством РНК, после чего преобразовывается в соответствующие «устройства»: от «двигателей», которые приводят в движение наши мышцы, до «датчиков» в наших глазах. Таким образом, идее цифрового материала уже около 4 миллиардов лет.

Основное различие между современными 3D принтерами и цифровыми сборщиками в том, что последние способны из одного исходного материала создать полную функциональную систему: подвижные и неподвижные механические конструкции, исполнительные механизмы, датчики, электронику. Причём, не имеет значения, из какого материала состоят детали — медь, пластик, дерево — всё собирается их одного исходника, и точно также может быть разобрано при необходимости. Кроме того, при таком производстве понятие «мусор» попросту исчезнет, поскольку переработать можно будет всё. Как в любом природном сообществе, где постоянно идёт переработка одного в другое.

И самое главное — цифровые сборщики имеют возможность полностью воссоздать себя, что для комплексов типа «fab lab» весьма немаловажно. Например, одной из самых больших проблем в распространении лабораторий стала логистика. Не стоимость проектов или отсутствие интереса, не трудность обучения персонала, а именно логистика: некомпетентные или коррумпированные сотрудники пограничного контроля, бюрократия, неспособность поставщиков удовлетворить спрос — вот что более всего препятствует распространению оборудования по всему миру. При наличии цифровых сборщиков на местах их можно было бы воссоздавать на основе присланных по электронной почте кодов дизайнов, а по почте отправлять только физические цифровые компоненты.

Самовоспроизведение имеет ещё и другое важное значение — они способны регулировать масштабы производства. Например, рибосома отличается большой медлительностью (они могут добавлять лишь по несколько аминокислот в секунду), но это с лихвой компенсируется их количеством — в организме их десятки тысяч в каждой клетке, и при необходимости они могут довольно быстро воссоздавать себе подобных. Кроме того, для увеличения скорости работы можно организовать выполнение работы несколькими сборщиками одновременно.

Theme by USA Web Hosting and Premium Wordpress Themes