Мир стоит на пороге серьезных изменений, но Popular Mechanics начеку. В этой статье мы расскажем о тех идеях, которые в самое ближайшее время могут повлиять на нашу жизнь, — от автомобильных пробок и исследования Антарктики до термоядерного синтеза и выращивания органов для трансплантации «под заказ»

Меньше мусора — больше энергии

Green Energy Machine (GEM) компании IST Energy совершает свои чудеса в не слишком-то привлекательной сфере. Однако в результате работы этой установки размером со стандартный транспортный контейнер обычный бытовой и офисный мусор можно превратить в энергию и отопление для 20 000 м². Система стоимостью $850 000 способна перерабатывать три тонны мусора в день, превращая мусор в газ, который затем служит топливом для газопоршневого двигателя, вращающего генератор.

По словам Майкла Кашмана, вице-президента компании IST, система выдает 40 кВт электрической энергии и 187 кВт тепловой и способна окупиться за три года. Ежегодно такой агрегат спасает атмосферу от 540-тонной добавки парниковых газов, а главное, в отличие от многих фантазий в сфере альтернативной энергетики, эта идея уже реализована. «Нам нравятся революционные технологические решения, но в данном случае мы имеем дело с результатом эволюции, который несет в себе потенциал для очень активного использования, — говорит Кашман. — Эти проблемы требуют сиюминутных решений и не позволяют закладываться на десятилетние перспективы».

Гибкий робот

Подобные аппараты уже давно используются в нефтяных компаниях. Они ползают по трубопроводам, выискивая в них следы коррозии. Для похожих целей сейчас разрабатываются еще более любопытные механизмы. Они, к примеру, смогут по выведенным из строя трубопроводам пробираться в зоны землетрясений в поисках выживших. Однако самая насущная задача для таких роботов — патрулирование вдоль тысяч километров муниципальных водопроводов, которые давно просят ремонта. Канадский робот Regina Pipe Crawler (RPC) компании SpringBoard West Innovations уже отработан в деталях и готов к появлению на рынке. Этот робот управляется дистанционно и может ползать по изогнутым трубопроводам 15-см диаметра, причем для этого не нужно даже снижать обычный напор воды.

Лазер вместо иголки с ниткой

При зашивании ран и полостных хирургических операциях ткани можно «сваривать» при помощи CO2-лазера, который разогревает ткани, используя «припой» из водорастворимого белка. Этот метод разработан группой израильских исследователей под руководством Абрахама Катцира, главы кафедры прикладной медицинской физики в Университете Тель-Авива (Израиль). При такой сварке нет риска перегреть шов, поскольку аппарат включает в себя волоконно-оптическую систему обратной связи, отслеживающую температуру сшиваемых тканей, и регулирует мощность излучения. Эта процедура оставляет менее заметные хирургические швы, сокращает время заживления и снижает вероятность инфекции.

Катцир надеется, что эту технологию можно будет вскоре применять в глазной и косметической хирургии. Он предвидит создание такого аппарата размером с карманный фонарик специально для использования прямо в каретах скорой помощи и травмопунктах.

Подключим автомобиль к сети без всяких проводов

Компании GM, Volkswagen и несколько других автопроизводителей решили научить наши автомобили разговаривать между собой. Системы связи V2V (Vehicle-to-Vehicle) позволят нашим машинам предупреждать друг друга о проблемах на дороге — например, об участке с гололедом или поломанном грузовике, спрятавшемся за крутым поворотом. Всю эту информацию автомобиль будет выводить на лобовое стекло или на экран бортового компьютера. V2V поможет нам объезжать пробки. В Калифорнии и Германии уже проведены испытания. Следующим шагом должен быть договор относительно общего для всех производителей протокола связи.

Исследуем неведомые моря на нашей Земле

Экспедиционные вездеходы исколесили вдоль и поперек далекий, недружелюбный Марс. Его поверхность любовно запечатлена на тысячах фотографий, снятых с орбитальных беспилотных аппаратов. И все это сейчас, когда 95% земных океанов не обследовано и не нанесено на карту. И даже новый автономный подводный аппарат (AUV), прекрасно подходящий для исследования подледных пространств Антарктиды, погружается в земные водоемы лишь для тренировки перед более грандиозными подвигами. В NASA построен аппарат ENDURANCE (Environmentally Non-Disturbing Under-ice Robotic Antarctic Explorer, «подледный антарктический робот-исследователь, не наносящий вреда окружающей среде»). Этот шустрый робот готовится к полету на Европу, одну из лун Юпитера. Питер Доран, профессор наук о Земле в Университете штата Иллинойс и научный руководитель программы ENDURANCE, хотел бы обеспечить этому роботу и постоянную земную службу. Кроме того, он предлагает разработать другие модели AUV, изначально приспособленные для решения земных задач. Среди них может быть миниатюрная версия робота ENDURANCE (размером с малолитражку), более удобная в управлении и эксплуатации, а также «крейсер районного масштаба» с ядерной энергоустановкой. Доран говорит, что такие аппараты могли бы исследовать жизнь экстремофилов и других организмов, обитающих в приполярной зоне. Кроме того, с их помощью можно брать пробы воды, отслеживать изменения солености и кислотности, связанные с климатическими изменениями.

Боковые движители

Эти движители обеспечивают не столько поступательное движение, сколько маневренность. Встроенные в корпус, они позволяют реализовать прецизионную навигацию, удерживать аппарат от сноса течением.

Сонары для уклонения от препятствий

Короткие сигналы, которые испускает антенная решетка эхолокатора ближнего действия, позволяют контролировать пространство со всех сторон и уклоняться от столкновений с подводными ледяными глыбами.

Бортовые датчики

Датчики можно устанавливать как внутри аппарата (они, скажем, будут анализировать состав воды, текущей по проложенным внутри трубам), так и снаружи, подвешивая приборы на тросах или закрепляя их на манипуляторах.

Литье под давлением

Лоуренс Бонассар, доцент кафедры биомедицинских инженерных разработок в Корнеллском университете, разработал метод изготовления частей человеческого тела под заказ с помощью трехмерного принтера Fab@Home. «Чернилами» в этом принтере служит культура живых клеток в геле. Если структура изготавливаемого органа однородна, можно обойтись и без принтера, впрыскивая гель под давлением в литейную форму. Поскольку клетки для имплантата позаимствованы у того же пациента, вопрос отторжения органа не встает.

Прогноз До опытов на людях придется ждать еще долго, но крысы могут записываться на прием к Бонассару прямо сейчас. Его сотрудники уже сделали операцию по замене позвоночного диска у одного из грызунов.

Человек + машина

Кому нужен джойстик, если шикарный процессор, расположенный у нас между ушами, вполне способен самостоятельно управлять любой техникой? Мигел Николелис, один из руководителей Центра нейроинженерных разработок в университете Дьюка, показал, что обезьяны могут управлять шагающим роботом только одним усилием своей мысли. Затем Николелис занялся вопросами сенсорной обратной связи. Он полагает, что человеческий мозг скоро научится самостоятельно интерпретировать такие данные, как сигналы от датчиков магнитного поля или систем инфракрасного зрения. В результате должны образоваться новые органы чувств, основанные на технических средствах (в «Звездном пути» такими способностями обладают борги).

Практические перспективы В течение ближайших пяти лет Николелис собирается сконструировать нечто вроде экзоскелета на все тело. Это устройство будет управляться человеческим мозгом и предназначено для помощи людям с тяжелой инвалидностью. Но вряд ли все это кибернетическое колдовство получит широкое признание, пока не появится интерфейс, который не подразумевает кучу проводов, вживленных в мозг клиента.

Остановка кровотечения ультразвуком

Аппарат Deep Bleeder Acoustic Coagulation, DBAC («Акустическая коагуляция для борьбы с внутренними кровотечениями») разрабатывается на средства DARPA, агентства передовых исследований Пентагона. Предполагается, что DBAC сможет обнаруживать внутренние кровотечения, локализовывать их, а затем с помощью ультразвуковых волн прижигать повреждение, не нанося ущерба окружающим тканям.

Прогноз В DARPA надеются в 2011 году предъявить аппарат-прототип. Он будет выглядеть как манжета, которую можно надеть на поврежденную конечность.

Термоядерный мусоросжигатель

Борьба за управляемый ядерный синтез — одна из самых футуристических инженерных задач. Настоящие работоспособные реакторы появятся еще не скоро. А пока ядерному синтезу можно найти другое применение. Ученые из Техасского университета заявили о проекте термоядерного реактора, главная задача которого — утилизация ядерных отходов традиционных АЭС. Бóльшую часть отходов можно переработать для повторного использования в стандартных ядерных реакторах. Термоядерный реактор — следующая ступень. В нем реакция синтеза использовалась бы для трансмутации долгоживущих продуктов деления и токсичных актинидов с помощью мощного потока нейтронов. По словам старшего научного сотрудника Свадеша Махаяна, с помощью этого процесса можно избавиться от 99% отходов. «Человечеству не надо бояться распространения ядерной энергетики в форме обычных, легководных реакторов, — убеждает Махаян. — Это единственный способ, которым можно быстро вытеснить из энергетики угольные электростанции. И не бойтесь накапливающихся отходов — через 20 лет с ними будет покончено».

Микрогастроэнтеролог

Ученые давно экспериментируют с «умными пилюлями», которые доставляют в нужную точку тела миниатюрные камеры или дозы лекарств. Но они могли перемещаться по пищеварительной системе человека лишь «своим ходом». Теперь же исследователи разработали более универсального доктора, движение которого можно контролировать, останавливая его, если нужно обследовать отдельные участки пищеварительного тракта. Модель, разработанная в Университете Карнеги-Меллон, закрепляется внутри тела с помощью специального клея, нанесенного на «ножки» робота. Микроробот отделения биомедицинской инженерии Фраунгоферовского института в Германии управляется снаружи с помощью магнитов. Когда такие роботы попадут в клиники, эндоскопия станет более простой задачей, а мучительная процедура колоноскопии станет вообще не нужна.

Термоядерный синтез

Десятилетиями мы наблюдаем все ту же картину — короткие вспышки брызжущей плазмы в исследовательских реакторах типа «токамак». Казалось бы, пора плюнуть на мечту о термоядерной энергетике. Но победа, возможно, не так уж далека. Самый большой токамак в мире ITER будет запущен во Франции в 2018 году и может привести к действующему прототипу термоядерной электростанции. В 2010 году батарея из 192 лазеров, основа «национальной установки для исследования поджига реакции» (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии, начнет стрелять залпами по крошечной водородной мишени. Так будет испытываться конкурирующая схема термоядерной реакции — не с магнитным, а с инерциальным удержанием плазмы. Директор NIF Эд Мозес надеется, что через несколько лет установка будет давать в 20 раз больше энергии, чем потребляет. «Если эта машина заработает, в следующие 20 лет мы радикально изменим мир», — говорит он.

Телепортация данных

Вряд ли нам удастся когда-нибудь наладить такую телепортацию, как в «Звездном пути». Да и кто согласится, чтобы нас сначала разбирали на мелкие части, а потом собирали снова? Где гарантия, что потом все атомы окажутся на своем месте? А вот ученые из Университета штата Мэриленд спокойненько телепортируют данные, синхронно переключая квантовые состояния двух атомов, разнесенных на метр друг от друга. Это серьезный шаг в разработке «квантовых компьютеров». В них многие операции проводились бы одновременно, что обещает радикальное повышение быстродействия в сравнении с нынешней техникой.

Этот принцип уже проверен, но практическая реализация идеи квантового компьютера потребует десятилетий кропотливого труда.

Глушите моторы!

По оценкам компании Bosch — одной из ведущих на рынке автомобильных компонентов, к 2012 году половина выпускаемых в Европе автомобилей будет автоматически глушить двигатель каждый раз, когда он переходит на холостые обороты. Гибриды и сейчас работают по такому же принципу. Утверждается, что система Smart Starter, разработанная компанией Bosch, обеспечит обычному автомобилю 8%-ную экономию горючего при езде в городском цикле. Автостроители не сообщают, насколько новинка скажется на цене автомобиля, но уже понятно, что это будет мелочь в сравнении с той наценкой, которая характерна для гибридов.

Землетрясения не страшны

Как и многие конструктивные идеи, эта украдена у клингонов, цивилизации из сериала «Звездный путь» (Star Trek), которые обычно маскировали свои космические корабли, делая их «невидимыми». Исследователи уже достигли некоторых успехов, пряча объект от наблюдателя за счет того, что электромагнитное излучение огибает его, распространяясь в метаматериалах со сложной внутренней структурой. Этот же эффект можно применить к защите зданий от сейсмических волн или морских нефтяных платформ от цунами. Объекты, окруженные соответствующим метаматериалом со структурой, адаптированной под длины сейсмических волн или цунами, будут защищены от разрушительного воздействия.

Практические перспективы Теоретические выкладки звучат убедительно, но впереди еще годы и годы экспериментов. Если все пойдет на лад, инженерам нужно будет придумать, как эти идеи реализовать в строительстве (уже построенные дома вряд ли удастся защитить таким образом).

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2009).