Робототехническая отрасль в рамках нанотехнологичного производства в современных условиях и её роль в экономике США

Учёные и медики связывают большие надежды с исцелением больных при помощи гипотетических наноботов, способных доставлять лекарства к строго заданной цели или выполнять некие осмысленные действия в потоке крови. И здесь один из ключевых вопросов - контроль над столь крошечными молекулярными машинами.

Нанотехнологии, манипулирование деталями и сборка крошечных приборов, размер которых  часто не превышает размера группы молекул, - прекрасная сфера для применения промышленных роботов. Вследствие того факта, что приходится работать с объектами такой маленькой величины – их длина не превышает миллиардной части метра, - которые люди не могут ни увидеть, ни собрать из них, что бы то ни было, основным способом работы с подобными объектами становятся роботы.

Большинство деталей, производимых людьми с целью последующей сборки, не могут быть меньше размера, который позволит специалистам с хорошим зрением и уверенными руками взять их подходящим пинцетом. Любые объекты меньше этого размера требуют наличия мощного, гибкого инструмента, каковым и является робототехника.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Индустриальные возможности создания  нанотехнологичной продукции с использованием робототехнических устройств.

Роботы для нанотехнологий позволяют производить продукцию  для нескольких типов деталей  и датчиков. Робототехника используются в широком круге процессов для позиционирования объектов наноразмеров, в том числе при сборке волоконно-оптических компонентов. Роботы также используются при сборке, тестировании и осмотре полупроводников - производства нанотехнологической продукции. Кроме того, нанотехнологичные роботы применяются для обработки фармацевтических анализов высокой плотности.

В сфере нанотехнологий существует несколько направлений применения робототехники. Роботизированные нано-манипуляторы интегрируют в растровые электронные микроскопы высокой мощности. На рынке интегральных микросхем их используют для проведения исследований. Большинство основных производителей полупроводников в настоящее время имеют в своем распоряжении такие инструменты для измерения конкретных транзисторов в разных местах микросхемы. Нанотехнологичные роботы используются для управления контактами длиной всего 100 нанометров, ведь размер этих контактов становятся все меньше и меньше. Исполнительные механизмы робота могут установить тонко вытравленные вольфрамовые пробы на металлические контакты с целью получить хороший электрический контакт.

Еще одним возможным  применением робототехники в  нано-манипулировании или сборке является схватывание и размещение датчиков для построения оптических систем, таких как спектрометры.

Как правило, масс-спектрометры представляют собой крупные и  очень дорогие лабораторные измерительные  приборы. Благодаря подходу наносборки, высокоточные роботы строят уменьшенные  масс-спектрометры. Небольшие масс-спектрометры установлены в аэропортах в целях обеспечения безопасности. Благодаря этому  процедура сканирования багажа становиться более быстрой и эффективной. Служба безопасности авиакомпаний обрабатывает багаж специальной полотняной щеткой. Щетка анализируется масс-спектрометром, который осуществляет поиск взрывчатых веществ или биологического оружия. Обычные масс-спектрометры слишком велики для установки в аэропортах. Робототехника с нанотехнологическими возможностями дает возможность производить уменьшенные модели.

Производство  полупроводников и другой небольшой  по размерам электроники было бы невозможным  без применения робототехники, которая  способна работать в наномасштабах. При работе с небольшими объектами роботы могут оперировать в трех различных масштабах: мини, микро и нано.

Другие микроскопические электромеханические устройства, которые  производятся с помощью робототехники, используются для медицинских приложений, таких как ангиопластика (пластические операции на сосудах). Происходит сокращение объема хирургических инструментов, необходимых, например, для чистки тромбоцитов в венах и артериях. На конец катетера помещаются наноразмерные двигатели, которые проходят через вены, чтобы вычистить тромбоциты. Среди прочих медицинских применений микроскопических механических устройств можно назвать камеру, которая помещается внутрь таблетки и проглатывается человеком, обеспечивая внутренний обзор пищеварительного тракта. Эта крошечная камера способствует проведению исследования кишечника, благодаря чему врачи не вынуждены прибегать к хирургии или инвазивным техникам, таким как эндоскопы, прикрепленные к кабелю.

Также можно отметить зонды  для манипулирования объектами наноразмеров. Это уменьшенная модель того, что часто выполняют классические роботы. Роботы собирают и передвигают объекты с помощью зондов. Существует лазерный пинцет, где два лазера направлены на жидкость, и они оказывают воздействие на поверхностное напряжение жидкости, которая охватывает или управляет клетками - это и есть уменьшенное в масштабе роботизированное манипулирование на нано-уровне.

Так как единицы, которыми манипулируют нанороботы, так бесконечно малы, типичные параметры производственных ячеек отличаются. Успешная реализация роботизированного решения в  нанотехнологических приложениях ставит перед системными интеграторами набор задач, о которых должны помнить интеграторы и конечные пользователи нанотехнологичной робототехники при реализации таких систем:

• получение нужной точности, которая технически достижима
• получение нужного форм-фактора, для достижения конкретных движений в наносреде.

Эти задачи решаются с помощью тех же технологий, которые применяются в системах с микроэлектромеханическими  системами - МЭМС.

В течение последних 5-10 лет в индустриально развитых странах мира произошел резкий скачок в области научно-технического прогресса. Причиной тому послужила очередная научно-техническая революция, приведшая к появлению МЭМС – микроэлектромеханических систем.⁹ Направление развития микроэлектромеханики, называемое МЭМС, в современной русскоязычной научной литературе часто именуется целым набором слов-синонимов: мехатроника, микротехника, микромеханика, микроэлектромеханика, микроприборостроение, микротроника.

Новые технологии разработки и промышленного  производства микроэлектромеханических систем являются развитием планарных технологических процессов, уже давно используемых при изготовлении образцов микросхемотехники. В основе развития и практического применения технологий МЭМС лежат чисто экономические факторы. Известно, что массовое производство микросхем чрезвычайно дешево.

В то же время классические промышленные технологии (механообработка, литье, технология пластмасс и др.), используемые при изготовлении традиционных электромеханических устройств, характеризуются резким увеличением себестоимости производства по мере снижения линейных размеров (и роста точности изготовления) деталей механических систем. Этим и обусловлены попытки изготовления, как отдельных деталей механической части, так и всего изделия в целом в едином технологическом производственном процессе, что при массовом производстве низводит себестоимость всего электромеханического блока практически к нулю. Кроме того, результирующее изделие получается функционально полным с микрометровыми размерами и с минимальным энергопотреблением.

В рамках технологий МЭМС может использоваться множество  различных конструкционных материалов. Детали микромашин могут быть выполнены из керамики, полимеров, даже из ферромагнетиков.

Именно технологии МЭМС являются в настоящее время тем  технологическим базисом, на котором строится вся зарубежная микро- и мини-робототехника.

Многие эксперты склонны  отсчитывать историю микротехнологий  от знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году перед Американским физическим обществом. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты и правительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработана технология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографии и инструментарий полупроводниковой промышленности.

 Фактически, понадобилось  больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческое  приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал.

В конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Сандиа под названием SUMMiT V¹⁰. Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния - четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.

 Опыт, накопленный  разработчиками Сандиа в миниатюризации  электромеханических систем, помог  создать и весьма эффектных микроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модель автономного робота MARV¹¹ имела объем около 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имела полимерный каркас, шесть колес, два электромотора, процессор с памятью 8 Кбайт, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов.

Исследования и разработки в области микроробототехнических систем ведутся сейчас практически во всех развитых странах мира. Наиболее интенсивный характер этих работ применительно к направлению военной робототехники наблюдается в США по линии Проектного агентства перспективных оборонных исследований ДАРПА¹². ДАРПА является головной исследовательской и разрабатывающей организацией Министерства обороны США. Это агентство определяет направления и контролирует ход выполнения фундаментальных и прикладных исследований в интересах Министерства обороны США, занимается исследованиями и технологиями, где высоки риск и непредсказуемость результата, но при этом успех может обеспечить качественный скачок в областях решения традиционных военных задач и приложений двойного назначения.

Среди крупномасштабных разработчиков MEMS – фирма Intel, известная своими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии они объясняют стремлением разработать интегрированные «всё-в-одном» микросхемы. Уже сегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера. Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическими микропереключателями MEMS позволяет  на порядок уменьшить геометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение, внутренние флуктуационные эффекты и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Роль робототехнической отрасли в экономике США.

В США, обрабатывающий сектор обеспечивает около 14% ВВП и обеспечивает примерно 11% занятости трудоспособного населения. Порядка 75% чистого экспорта США составляет промышленная продукция.¹³ В обрабатывающей промышленности, автоматизация технологических процессов, связанная с технологиями робототехники, исторически произошла в автомобильном секторе экономики, где конкурентоспособность определяется ценой автомобиля и необходимостью для автоматизации конкретных технологических операций в условиях массового производства продукции. Однако новая экономика гораздо меньше сосредоточена на массовом производстве, но в большей степени концентрируется на производстве заказной продукции.

В условиях мирового кризиса, бизнес-модели таких крупных компаний, как General Motors, Chrysler и Ford практически себя изжили. И особенно актуальна стала проблема выживания и развития малых и средних компаний, которые имеют более высокую степень адаптации к быстро изменяющимся условиям рынка. Таким компаниям становится все труднее конкурировать с компаниями третьих стран, где производится аналогичная продукция с использованием примерно тех же технологий, но с меньшими затратами на заработную плату. Разработка и широкое внедрение нового поколения технологий робототехники и привлечение более квалифицированных специалистов поможет США оставаться лидером в производстве промышленной продукции, обеспечить глобальную конкурентоспособность их промышленной базы и обеспечить их национальную безопасность.

Эффективность процессов  логистики важна для большинства  аспектов повседневной жизни: от доставки почты до наличия продовольствия в продуктовых магазинах. В настоящее  время в США, ежедневный импорт превышает 100000 контейнеров в день. Содержимое этого огромного количества контейнеров должно быть оперативно обработано и доставлено клиентам. Робототехнические технологии уже были использованы для автоматизации обработки контейнеров в портах Австралии и  других стран и имеют потенциал для улучшения процесса хранения и транспортировки грузов. После того, как товары покидают завод или фабрику, их движение, как правило, предполагает множество этапов. Например, для распределения продовольствия от фермеров в продуктовые магазины требуется выполнить несколько операций погрузки-разгрузки и перевозки. Хотя значительная часть цены на продукты питания непосредственно связана с транспортными расходами и расходами на хранение, процесс хранения и распределения продукции автоматизирован менее чем на 15%. Следующее поколение робототехники будет способно оптимизировать процессы логистики, что позволит снизить цены на продукты питания и другие товары на несколько процентов. В мировом масштабе это очень существенная экономия финансовых ресурсов. Однако необходимо разработать новые робототехнические способы обнаружения, захвата и манипулирования разнообразными объектами.