Инновационные системы: достижения и проблемы. В трех частях. Часть I I. Конкретные примеры получения продуктов инновационных систем по странам и направлениям

Исследовательская группа Mediated Matter разработала высокоточный метод 3D-печати прозрачного стекла. Технологию под названием G3DP создавали при участии специалистов Массачусетского технологического университета (MIT) и Гарвардского института Висса. В качестве исходного сырья для печати используется готовое стекло. Его расплавляют в камере, температура внутри которой превышает 1000 градусов. Затем стекло укладывают слоями, чтобы сформировать изделие. Конструкция позволяет располагать слои с высокой точностью – максимальное отклонение составило 0,44 миллиметра.

1.1.10 Нестандартные применения 3D-печати

Быстрее, дешевле, точнее – нынешний тренд создателей и производителей 3D-принтеров, но с большой долей вероятности можно утверждать, что будущее за теми, кто выйдет на рынок с необычными возможностями своих устройств. Креатив проявит в решении выхода на потребителя.

Например, с производством еды при задействовании 3D-принтера. Одним из первых прототип подобного устройства представил американский инженер Аньян Контрэктор из компании Systems & Materials Research Corporation. Вскоре на его разработку обратили внимание в NASA и выдали грант на дальнейшие исследования. Еду принтер создаёт из нескольких питательных компонентов, содержащихся в специальных картриджах. Их срок годности не менее 30 дней, что решает проблему со скоропортящейся едой.

Продолжением темы «печати» еды с помощью 3D-принтера является разработка Массачусетского технологического института, которая обещает американским солдатам таким необычным способом готовить обед прямо на поле боя. Кроме того, технологию планируют внедрить и в целях экономии.

«Она позволяет сократить расходы на обеспечение войск продуктами питания в районе операционных действий и расширить ассортимент блюд, входящих в солдатский паек», - заявил специалист в области военной логистики армии США Лорен Олексик.

Разработчики собираются учитывать вкусы военных, тем более, что по части ингредиентов в составе еды из принтера ограничений нет. Оператор сможет занести в компьютер любой состав будущего блюда, и устройство его распечатает.

«3D-принтер способен производить пищу с заданными параметрами. Они включают количество калорий, протеина, углеводов и витаминов», - добавил специалист в области военной логистики армии США.

Ещё один проект, занимающийся разработками напечатанной на 3D-принтере еды – нью-йоркская компания Modern Meadow. Ее специалисты сосредоточились на создании кожи и мяса и в 2014 году получили грант в размере $10 млн.

«Настоящий 3D-печатный стейк – это почти фантастика на сегодняшний день, – отметил глава фирмы Андраш Форгэкс. - Конечно, это будет не первый наш продукт, потому что создать стейк – дело очень сложное. Первой волной мясных продуктов, созданных таким методом, скорее всего, станут полуфабрикаты из рубленого мяса и паштеты».

В Израиле учёные создали 3D-принтер, печатающий еду из наноцеллюлозы. Его изобрели Идо Браславски и Одеда Шосейова. Их новое устройство сможет превращать наноцеллюлозу в необходимые человеку полезные компоненты. Это сырье было выбрано потому, что в нём практически не содержится калорий. Помимо того, ферменты, находящиеся в пищеварительном тракте, легко его переваривают. Наноцеллюлоза будет смешиваться в специальных картриджах с такими веществами, как жиры, белки, углеводы, витамины и антиоксиданты. После дополнительной обработки лазером, приготовленное блюдо станет иметь вид традиционного яства. Специалисты полагают, проект принтера, печатающего еду в формате 3D, может стать коммерческим. В частности, они рассчитывают, что им заинтересуются рестораны FastFood. Помимо того, изобретатели считают, что данное устройство сможет выступить в качестве настоящей находки для людей, внимательно соблюдающих свой рацион питания. Это касается не только диабетиков или вегетарианцев, но также и спортсменов.

Стоит отметить, что уже существует несколько серийно выпускаемых, и достаточно популярных при этом, пищевых 3D-принтеров. Одни из них печатают конфеты любой заданной формы из специального состава. Такие аппараты, кроме расходного материала, почти ничем не отличаются от обычных 3D-принтеров. Есть и более специализированные. Например, английский Choc Creator печатает шоколадом как плоские картины для оформления тортов, так и объёмные объекты. Конструкция позволяет загрузить в него несколько различных ингредиентов и получать на выходе разнообразные блюда. Есть и специальный принтер для блинов, создающий блинчики и оладьи любой заданной формы. Он, кстати, и стоит относительно недорого, и в обращении прост.

В общем, технология создания пищевых 3D-принтеров совершенствуется. Можно предположить, что в ближайшем будущем появятся недорогие и общедоступные кухонные 3D-принтеры, как специализированные, так и универсальные, совмещённые с кухонным комбайном и духовкой, где на входе – ингредиенты, а на выходе готовое блюдо. Ожидается, что интерес «к печати еды» будет повышен в свете проектов будущего – межпланетным перелётам и создания баз на Луне и Марсе, к чему человечество идёт, и где никак не обойтись без «конфигуратора» Роберта Шекли, который в том числе и еду б готовил по принципу нынешней 3D-печати.

По касательной к 3D-печати – работы компании NVIDIA, которая создает продукты из области искусственного интеллекта (ИИ), способные создавать трёхмерные графические изображения. Сравнив работы искусственного интеллекта и настоящих 3D-художников, специалисты пришли к выводу, что программа справляется с задачами не хуже людей. Это означает, что ИИ сможет существенно упростить людям жизнь, к примеру, взяв на себя прорисовку лиц персонажей из видеоигр. Помимо ИИ, занимающегося 3D-анимацией, в NVIDIA создают и другие программы, умеющие обрабатывать изображения, делая их более реалистичными. Компания делает большие ставки на программы искусственного интеллекта. Если NVIDIA пойдёт дальше – скооперирует искусственный интеллект для 3D-графики с 3D-печатью и роботизацией, то вполне возможно в будущем ожидать такого правдоподобия в играх, про которое сейчас даже думать не хочется. Не потому, что это невозможно в принципе, а потому, что сейчас сложно представить, как это отразится на реальной жизни – станет ли благом или обернётся обратной стороной, куда лучше не заглядывать, чтоб на себя не вытащить. Но это уже из области страшилок, которыми нас пугают луддиты XXI века.

Про луддитов XXI века в третьей части монографии «Инновационные системы: достижения и проблемы», а здесь, возвращаясь к креативу в 3D-печати, стоит заметить, что нестандартность подхода к 3D-технологиям может проявляться и в стандартных процессах. В тех же технологиях создания новых материалов. Но не методам тыка – сначала получил, что-то необычное и думу думаешь, куда б пристроить, а через целенаправленный поиск, когда задаются параметры, и в их направлении создаётся новый материал.

По этому пути идут исследователи из Университета науки и технологии Миссури, разрабатывающие способ использовать технологию 3D-печати для того, чтобы создавать новые металлические материалы, которые будут прочнее и легче, чем существующие. Процесс изготовления таких металлов дополнительно включает моделирование производственного процесса, создание сети датчиков и бесшовную технологию изготовления. Металлические материалы, созданные учёными, представляют собой структурные аморфные металлы. Они созданы с помощью лазера, расплавляющего металлический порошок, который затем осаждается слой за слоем для получения 3D-печатного объекта. Исследователи работают над поиском необходимой скорости охлаждения, чтобы металлические материалы получались аморфными, а не с обыкновенной кристаллической структурой. Привлекательность аморфных металлов заключается в их структуре. То есть материал, будучи составлен из крошечных фрагментов, как песчинки, получается прочнее и более устойчивым к трещинам, чем обычные металлы с регулярной структурой. В то время как обычные металлы, как правило, разрушаются вдоль линий своей структуры, в аморфных металлах таких линий нет. Есть надежда, что можно будет создать новые материалы в 10 раз прочнее обычных металлов, при этом снизится количество вещества, необходимое для производства объекта, вес изделия, а также затраты на производство.

С металлом в 3D-печати работает и доктор Кристофер Уильямс, доцент факультета машиностроения Политехнического университета Вирджинии. Он занимается созданием 3D-принтера, который печатает медью. Хотя в 3D-печати металлом нет ничего нового (некоторые компании уже вовсю применяют технологии прямого лазерного спекания металлов и электронно-лучевой плавки), доктору Уильямсу и его команде удалось собрать абсолютно новый тип 3D-принтера, ведь до них с медью мало кто отваживался работать.

«Нам удалось собрать совершенно уникальный 3D-принтер, – объясняет Кристофер Уильямс. – С медью крайне сложно работать. Однако мы открыли метод разбрызгивания связующего вещества, при котором печатающая головка выборочно вводит клей в медный порошок, и так слой за слоем. Потом мы помещаем изделие в печь, чтобы частицы порошка сплавились и спеклись между собой. Таким образом можно изготовить медное изделие даже самой сложной формы».

Хотя этот процесс кажется достаточно перспективным, есть ещё пара задач, которые доктору Уильямсу и его команде предстоит решить. Главная сложность заключается в том, что после сплавления медных частиц в печи между ними остаются крошечные воздушные пространства. В результате детали получаются гораздо более хрупкими, чем изготовленные традиционными методами, например, путём обработки и шлифовки медных слитков. Исследователи подбирают состав наносуспензии, которая заполнит промежутки между частицами порошка, свяжет их между собой и повысит плотность изделия. Для изготовления такой наносуспензии исследователи решили добавить в клей наночастицы, которые и заполнят промежутки в медном порошке во время спекания. Хотя можно пойти и в обратную сторону – создать пеномедь, увеличив размеры пузырьков в материале, что придаст ему лёгкость. Но тут уже придётся думать: «А кому этот материал станет нужным?». Вполне возможно, что нанопористые структуры в современном ювелирном деле окажутся интересны, только вместо меди золото и прочие драгметаллы в 3D-принтер грузить надо.

А пока что в направлении внедрения 3D-принтеров в ювелирное дело компания Cooksongold совместно с EOS создали принтер для 3D-печати из драгоценных металлов. Cooksongold разработала порошки из золота (розовое, желтое, белое) и с помощью принтера M080 изготавливает драгоценные изделия сложных форм, которые не под силу традиционному литью. При этом 99 % неиспользуемого порошка вторично используется в производстве. Представитель компании Давид Флетчер рассказал о возможностях принтера по печати ювелирных изделий: отсутствие ограничений на дизайн; сложные формы, недоступные при традиционном литье; тонкие стенки изделий; лёгкий вес, полые изделия; изготовление неразъёмных соединений; короткое время производства – от 4 часов плюс 1,5-2 часа на обработку.

По части получения готовых изделий с применением 3D-принтеров большим шагом вперёд явятся технологии одновременной работы с несколькими материалами с различными свойствами. Как, например, технология трёхмерной печати, разработанная учёными Гарвардского университета, которая позволяет одновременно смешивать и наносить различные концентрированные вязкие материалы. Разработка позволит печатать мягких роботов с интегрированными токопроводящими элементами. Исследователи создали для 3D-принтера новую печатающую головку, к которой по трубкам могут подводиться несколько жидкостей с разной вязкостью. Сопло такой печатающей головки инженеры оснастили импеллером – быстро вращающейся во время печати трубкой с продольными прорезями, которая отвечает за активное смешивание жидкостей. Эта технология уже была апробирована на нескольких материалах. В частности, новая печатающая головка использовалась для нанесения силоксанового каучука и специальных чернил с различной токопроводящей способностью. Кроме того, для печати использовалась и эпоксидная смола с отвердителем. Сегодня уже существуют 3D-принтеры, позволяющие одновременно наносить гетерогенные жидкости разной вязкости, однако в них используется пассивное смешивание материалов. Из-за этого перемешивание получается неоднородными, и точность печати значительно снижается при применении вязких гелей.

В промышленном использовании 3D-принтеров новые перспективы открывают технологии одновременной работы 3D-печати с дискретными элементами создаваемого изделия. Тут можно выделить разработчиков из Принстонского университета, которые представили новый метод сложной 3D-печати. Учёные создали контактные линзы, соединяющие в себе полимеры и настоящие микроскопические светодиоды. Такие линзы буквально излучают свет, однако они совершенно непригодны для ношения на глазах.

«Мы создали уникальное устройство, не рассчитывая, что ему найдётся практическое применение. Наши линзы не стоит надевать на глаза, хотя бы потому, что они имеют внешний источник питания», – рассказывает ведущий автор исследования Майкл Макальпин.

Новые линзы являются наглядной демонстрацией возможности создания на 3D-принтере интегрированных объектов из сложной электроники, встроенной в различные материалы.

«Данная работа показывает, что современные методики и технологии позволяют печатать на 3D-принтере сложную электронику, включая полупроводники», – поясняет Майкл Макальпин.

Сами контактные линзы состоят из жёсткого пластика. Исследователи использовали особые нанокристаллы (квантовые точки) для создания светодиодов, способных генерировать свет с нужной длиной волны. Изменяя размеры квантовых точек, материаловеды могут варьировать цвет излучаемого света. «Если говорить о 3D-печати буквально, то квантовые точки у нас выступили в роли чернил. В результате нескольких экспериментов мы смогли получить два цвета испускаемых лучей – зелёный и оранжевый», – говорит ведущий автор исследования. Аддитивное производство, оно же 3D-печать, по словам инженеров, может стать решением проблемы по созданию устройств из сложно комбинируемых материалов. Новое исследование является попыткой объединить электронику с пластиком, что при других условиях производства было бы сделать труднее. Удобство же 3D-принтеров в том, что они позволяют создавать как горизонтальные, так и вертикальные структуры в электронике, тогда как любой другой метод производства предполагает конструирование лишь горизонтальных структур на плоскости с последующим наслаиванием.

Ещё одна работа в области сложной 3D-печати ведётся компанией Rohinni из штата Айдахо, США. Её инженеры создали 3D-печатную светящуюся бумагу. Разработка получила название Lightpaper («Светобумага»). Фактически, это тонкие листы светодиодных массивов, которые могут быть согнуты в различные формы или использованы для покрытия различных поверхностей. Light paper создаётся за счёт смешивания крошечных светодиодов с «чернилами», служащими в качестве субстрата. Затем, полученная смесь наносится на токопроводящий слой. «Начинка» запечатывается между двумя прозрачными защитными слоями. При этом размер светодиодов сопоставим с размером эритроцитов. Получаемая «светящаяся бумага» даже тоньше, чем органические светодиоды, применяемые в производстве OLED-дисплеев. Для чего можно применять такие устройства? Хотя бы для подсветки автомобильных логотипов, в качестве светящихся обоев или наклеиваемых светильников. Согласно Нику Смуту, главному маркетологу Rohinni, компания намеревается сделать технологию печати Lightpaper доступной для любителей. Если старания компании увенчаются успехом, то в скором времени мы сможем украшать светящимся материалом корпуса наших телефонов, переделывать стены спален в ночные светильники, мастерить светящиеся циферблаты часов – как повелит фантазия. «Lightpaper – световая технологическая платформа, о полном потенциале которой даже мы можем только догадываться», – рассказывает Ник Смут.

Другая стезя 3D-печати – изготовление приборов для научных исследований. Здесь пока что поле непаханое, но первые шаги сделаны. Учёные Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе напечатали на 3D-принтере специальный прибор – электронный микроскоп, который подключается к смартфону и способен заменить обыкновенный дорогостоящий электронный микроскоп для рассматривания структур ДНК. «Напечатанный» микроскоп работает в связке со смартфоном под управлением операционной системы Windows Phone. Точность измерения пока не превышает 10000 структур. Но это не предел. В будущем учёные планируют значительно увеличить этот показатель в несколько раз. Подобный гаджет обязательно буден востребован в странах с низкими уровнями дохода населения, где люди не имеют доступа к дорогостоящим генным исследованиям. Все, что нужно для подобных измерений: смартфон, программное обеспечение и сырье для 3D-принтера.

Ну и опять про то же – органические 3D-принтеры. Исследователи из Оксфорда сообщили, что им удалось успешно напечатать трёхмерную конструкцию из живых клеток. Этот эксперимент открывает дорогу к созданию универсальной платформы для 3D-печати живых тканей, с перспективой воссоздания синтетического аналога любого участка человеческого тела. 3D-принтер для живых тканей функционирует идентично устройствам для работы с полимерами, но сами печатные схемы совершенно иные. Необходимо учитывать, что готовое изделие не будет стабильно, оно должно жить, разрастаться, в нем будут протекать различные биологические процессы. В противном случае результат будет представлять собой бесполезный клочок синтетической плоти. Проблема работы с живыми клетками в том, что они имеют тенденцию к смещению во время печати и обладают склонностью к спонтанному суициду. Чтобы этого не происходило, оксфордские учёные решили оборачивать каждую клетку перед 3D-печатью в персональное липидное покрытие. Получается своего рода «кирпичик» – очень удобный элемент для составления различных конструкций. Технология печати фрагмента тела или целого органа на основе ДНК конкретного человека открывает перед учёными новые биомедицинские возможности. Так, его можно проверить на совместимость с аллергенами, лекарствами, реакцию на токсины, облучение или малоизученные вещества, не подвергая риску самого пациента. В перспективе же 3D-печать живых тканей может стать новой отраслью регенеративной медицины.

А вот китайские физики решили использовать 3D-принтеры по-простому, без заумных прибабахов, но с коммерческой живинкой. Они обратили внимание на полимеры, по разному реагирующие на свет – некоторые из них твердеют при воздействии света, другие распадаются или усыхают – для своеобразной «3D-печати» с помощью проектора и компьютера с программой Power Point. Полимерный материал, реагирующий на свет, помещают в специальную ёмкость, проецируют на неё слайд, подсвечивая его с разной интенсивностью, что позволяет полимеру принимать необходимую форму прямо внутри ёмкости. От продолжительности подсвечивания и яркости зависит толщина конкретного участка и его гибкость. Подготовив определённые слайды, можно создать фигуру практически любой сложности. Полимер, который использовали китайские исследователи, гнётся только при очень небольшой толщине, поэтому, с его помощью получается создать только небольшие оригами, чей размер не превышает пары сантиметров. «Тем не менее, это уже неплохой задел на будущее – любой человек, имеющий дома проектор и Power Point может заняться чем-то подобным», – говорит физик Дайнин Фан из университета Пекина. Сейчас учёные продолжают экспериментировать с другими видами полимеров, стараясь сделать что-нибудь побольше и попрочнее.

Ну, уж и совсем незамысловато про 3D-печать, что на рынок само просится, остаётся только вопрос цены. Компания Artec Group, запустила свой сервис Shapify, позволяющий любому желающими мгновенно сделать свой 3D-скан и через некоторое время получить свою миниатюрную копию в цвете. Artec собрали большую будку с освещением и сканерами по кругу, с помощью которой делается 3D-скан человека. Shapify не единственное решение со своей 3D-будкой, однако, оно самое удачное с точки зрения облачной инфраструктуры, поддержки расчёта и фиксации моделей, что существенно облегчает жизнь тем, кто хочет сделать бизнес на этом. Само решение продаётся под ключ, единственно, что ему не хватает – получения на месте результатов сканирования в виде трёхмерной статуи клиента. Тут уже всё зависит от качественного 3D-принтера к 3D-будке подключённого. Всё может быть изготовлено дистанционно, главное, чтобы клиент качеством своей 3D-модели остался доволен и цена его устроила.

3D-печать идеальна для создания всевозможных полезных мелочей для дома. Если раньше трёхмерное моделирование представляло собой исключительно трудоёмкий процесс, то сегодня любой, даже самый простой настольный 3D-принтер способен напечатать трёхмерную модель с разрешением в 100 микрон. Роль человеческого фактора при этом сводится к минимуму, а изготовленный предмет будет в точности соответствовать своей компьютерной модели. Особенно хороша 3-D печать для изготовления запчастей к сломавшейся бытовой технике, фурнитуры для мебели, дизайна жилища. Можно создать с нуля игрушку для ребёнка или скачать 3D-модель из интернета и придать ей уникальности в программе-редакторе. При этом, такая игрушка по себестоимости будет дешевле покупной и гораздо интереснее для ребёнка, поскольку он будет вовлечён в процесс её создания. Покупая домой такой инструмент как 3D-принтер, родители могут печатать несколько разных игрушек в день: от простых до самых сложных и развивающих – для бесплатного скачивания уже доступны тысячи моделей. Постоянно разрабатываются всё новые и новые материалы для трёхмерной печати, обладающие всевозможными механическими и эстетическими свойствами, а 3D-принтеры и расходные материалы к ним постоянно дешевеют. Через несколько лет такой аппарат может стать неотъемлемой частью почти каждого жилища, как сейчас – телевизор. И неудивительно – полезность этого устройства в быту сложно переоценить. 3D-принтеры в каждый дом – это уже действительно будет умопомрачительный рывок в стремлении удовлетворить растущие потребности потребителей, переход на вышестоящий виток развития цивилизованного мира.

1.1.11 3D-печать – новая эра производства вещей

Во второй половине XVII века человечество изобрело паровой двигатель, подтолкнувший мир к первой промышленной революции. Вторая промышленная революция, связанная с изобретением двигателя внутреннего сгорания и распространением электричества, длится до сих пор и явно переживает период упадка. Её технологии уже выработали свой потенциал и ждут, когда на смену им придёт нечто другое, более совершенное. Что это может быть? Существует мнение, что именно технологии 3D-печати смогут придать развитию человечества новый импульс.

Это сейчас возможности 3D-принтеров вызывают не более чем любопытство сродни тому, что мы обычно испытываем в зоопарке, глядя на неведомую зверушку, однако в долгосрочной перспективе их потенциал поистине огромен, и уже в ближайшие годы 3D-печать получит ещё большее распространение и кардинально изменит представления о производстве вещей, делая их более доступными и уникальными. А это однозначно скажется на культуре производства и потребления, неотвратимо изменяя облик повседневной жизни человека.

Многие учёные предрекают наступление эры 3D-печати, которая приведёт к полной децентрализации общества. Наряду с развитием солнечной энергетики и тотальной информатизацией, трёхмерная печать может стать толчком к развитию автономности домов, в рамках которой единственная потребность в связи с внешним миром будет заключаться в необходимости покупки сырья для 3D-принтеров. В результате логистика в своём нынешнем виде исчезнет, а её место займёт нечто совершенно другое. Хорошо это или плохо, сказать трудно, однако тот факт, что наш мир в скором времени изменится до неузнаваемости, уже не вызывает никаких сомнений, и не последнюю роль в этом сыграют 3D-технологии.

1.2 Зелёные технологии

Как было сказано и показано в предыдущей главе, в наши дни мощным фактором, давшим новый толчок прогрессу в направлении растущих потребностей человечества, стало распространение цифровых технологий: 3D-моделирования, 3D-сканирования, объёмной печати и роботизации. Но для того, чтобы инновационный продукт органично вписался в многомерное пространство будущего, на современном этапе развития общества на первый план выходит экологическая составляющая любой инновации, то есть инновация, помимо всего прочего, должна быть экологически приемлемой. По оценкам многочисленных экспертов экологические технологии, в просторечии называемые «зелёными технологиями», станут лидирующими в развитии мирового хозяйства в XXI веке.