Нанотехнологии заинтересовали в первую очередь военных. Пока нет нанороботов, приходится воевать людям. И для того, чтобы повысить боевую мощь солдата, в США основали Институт Солдатских Нанотехнологий, который разрабатывает униформу солдата будущего. В этой статье описаны прогнозы и реальные разработки в области будущего обмундирования.
Ателье
На базе Массачусетского технологического института (МТИ) был создан Институт Солдатских Нанотехнологий для разработки экипировки и вооружения "солдата будущего". Основатели института со стороны МТИ и армия США выделили на исследования грант размерами в 50 миллионов долларов. Тем не менее, Эдвин Томас, глава института, сказал, что "на разработку военного обмундирования и оружия, существенно улучшенного с помощью нанотехнологий, потребуется не менее 20 лет." В институте ведется разработка в рамках семи проектов, каждый из которых составляет отдельный "кирпичик" будущего солдата. В работе участвуют 37 ученых из 8 разных отделений МТИ.
Эдвин и исследователи предлагают существенно новую концепцию солдата. Они хотят сделать из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы которого будут настолько тесно связаны между собой, что полностью экипированного солдата будущего можно будет назвать отдельным организмом - автономным, быстродействующим, выживаемым.
По словам Томаса, с помощью традиционных технологий таких результатов достичь трудно, хотя и возможно. С помощью современных нанотехнологий их достичь еще трудней, но Томас надеется на их дальнейшее развитие и твердо верит в то, что команда выполнит больше того, что будет описано ниже.
На недавней выставке в Капитолии члены Конгресса США смогли увидеть две "демонстрационные модели" солдат: образца 2010 и 2020 года. Там же был представлен видеоролик, объясняющий работу новых костюмов и их отличие от современных.
Конструкция
Боевой бронежилет толщиной всего несколько миллиметров, названный исследователями "динамическая броня", составляющий одну из основных деталей экипировки солдата, будет облегать его наподобие водолазного костюма. При этом в его тонком слое будут содержаться довольно сложные молекулярные компоненты, с помощью которых новая форма будет и бронежилетом, и универсальным медицинским диагностическим инструментом, и экзоскелетом. Обмундирование солдата, воевавшего в Ираке, весило 48 килограмм. Обмундирование 2010 года будет весить 20 килограмм. Сколько будет весить броня 2020 года, исследователи пока не уточняют. Но вряд ли солдат будет носить на себе броню. Скорее всего, броня сама будет его носить.
Все жизненно важные параметры солдата (пульс, кровяное давление, энцефалограмма, температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме, так и на медицинский компьютер, который будет принимать решения о трансформировании костюма в экзоскелет или броню мгновенно и независимо от солдата. Ряд полимерных актюаторов, из которых будет состоять костюм, по сигналу от медицинского компьютера будут делать определенные его участки жестче или мягче. Если, например, солдат поломает ногу, местный экзоскелет позволит захватить ее в искусственные шины, сформированные тканью костюма.
Как говорит один из исследователей, специально сконструированные наномашины-усилители, входящие в состав экзоскелета брони 2020, смогут увеличить силу солдата на 300%. Униформа образца 2010 года может "усилить" солдата только на 35%.
Томас заявляет, что ответная реакция костюма будет аналогична работе подушек безопасности в автомобилях. "Меньше секунды пройдет между детектированием удара или кровотечения, и ответной реакцией костюма. И все это благодаря существующим МЭМС-акселерометрам", - говорит Томас. Естественно, что через несколько лет речь уже будет идти о НЭМС-акселерометрах. И именно они наверняка будут использоваться в качестве детекторов ударов в солдатском костюме.
Исследователи поясняют, как они будут работать над созданием экзоскелета. Для обеспечения нужного быстродействия актюаторы должны быстро принимать нужное положение в зависимости от поступившего сигнала. Для этого необходимо поработать с уже имеющимися полимерами, найти методы их "быстрой" самосборки в нужные структуры, и сделать их электропроводными. Далее необходимо узнать, будут ли эти полимерные материалы совместимы с живой тканью при длительном контакте. И, наконец, воспользовавшись математическим моделированием, вычислить наиболее оптимальные места для размещения датчиков, их количество и типы. Далее действуют программисты - они пишут программное обеспечение для медицинского компьютера. На мультфильме, который можно посмотреть здесь, можно увидеть историю про солдата, потерявшего сознание от ранения. Но медицинский компьютер вовремя включил экзоскелет, и это спасло солдату жизнь.
Для того, чтобы сделать костюм толщиной в несколько миллиметров достаточно прочным (постоянное использование экзоскелета может вызвать большие энергетические затраты), исследователи хотят создать его на основе структуры паутины. Паутина прочна, водоустойчива, гибкая и легкая, поэтому есть все основания полагать, что ее модификации будут хорошей базой для обмундирования. Паола Хэммонд, руководитель команды по биологической и химической защите Института Солдатских Нанотехнологий, говорит, что "изучив структуру паутины, мы создали нановолокна из полиуритана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только гибче, легче и жестче настоящей".
Для того, чтобы сделать новый материал жестким, исследователи добавили к новым нановолокнам наночастицы, присоединяющиеся к определенным участкам волокон, соединяя их между собой и, таким образом, делая новый материал прочнее. Как говорит Паола, одежда на основе искусственной паутины будет гораздо прочнее обычной и ее будет трудно износить или разрезать. Вероятно, что данное открытие используется и в мирном назначении в качестве "неизнашиваемого" материала для обычной одежды. Также добавление различных наночастиц к нановолокнам позволяет изменять их электропроводность. Так в костюме можно создать участки проводимости, связав расположенные внутри него сенсоры с компьютерами и обеспечив передачу энергии к наноактюаторам экзоскелета.
Новые материалы на основе нескольких полимеров позволит защитить солдата от попадания пуль и осколков. Исследователи ведут разработки в направлении энергопоглощающих полимеров на основе жидких кристаллов, которые при их деформации распределят энергию по всей поверхности. Вполне возможно, что исследователи смогут утилизировать энергию пуль и осколков, попадающих в солдата.
Также планируется снабдить костюм солдата рядом гибких солнечных панелей, которые будут вмонтированы в костюм. Тогда автономность солдата заметно возрастет. Как сказал один из исследователей, новая броня сможет принять неограниченное количество пуль, в то время как современные бронежилеты после попадания определенного количества пуль приходят в негодность.
Одна из важнейших проблем в разработке костюма - создание эффективной гибридизации организма человека с механизмами костюма. Исследователи давно занимаются производством нанометровых трубок (не обычных углеродных нанотрубок) для того, чтобы создать работоспособные биологические лаборатории-на-чипе.
Для того, чтобы эффективно распознать химическую или биологическую атаку, исследователи предложили использовать обычную человеческую печень. Как известно, этот орган очень чувствителен к различным вирусам и ядам. Исследователи изготовили чип, на котором содержится около 1,5 миллионов живых клеток печени для того, чтобы вовремя сообщить солдату о опасности. Под руководством Линды Гриффит отдел из Института Солдатских Нанотехнологий создал мобильную и компактную версию печени. Чип представляет собой две ультратонкие пластины из кремния, разделенные рядом микроканалов. Далее на поверхность одной из пластин помещают живые клетки печени, которые располагаются в ячейках микронных размеров. Как только клетки "расположатся" внутри чипа, он представляет собой биореактор, способный производить специфические вещества при воздействии на него другими веществами и микроорганизмами. Через чип постоянно циркулирует вода, снабжая клетки питательными веществами. Через время клетки организуются в такие же структуры, как и в живой печени. Тогда чип начинает работать. Как только к клеткам поступят вещества, вредные для человека, они выработают определенный химический ответ, который будет интерпретирован медицинским компьютером, и солдат получит сообщение об опасности. Искусственная печень может обнаружить вредные вещества в очень малых концентрациях, что дает возможность солдату защититься от химической или биологической атаки раньше, чем она станет смертоносной.
Интерфейс
Модель 2010 года была названа исследователями "F-16 на ногах", поскольку система позиционирования и навигации, расположенная в заплечном рюкзаке солдата, позволяет проделать все те операции по навигации, что и компьютеры самолета F-16. "Этот солдат может пересечь джунгли, ни разу не сбившись с пути" - говорит исследователь Де Гэй, обслуживающий презентацию в Капитолии. Шлем солдата оснащен сенсорами, детектирующими вибрации костей черепа и челюстей. Эта система успешно заменяет обычный микрофон, использовавшийся ранее. Весь обмен информацией будет производиться через проектор, который передает информацию прямо на сетчатку. Так у солдата появится ряд "операционных окон" - которые будут информировать солдата о приказах, о противнике, заменят бинокль и приборы ночного видения, а также будут отображать состояние организма. По "видимым" размерам экран будет сопоставим с 17" монитором.
Медицинский компьютер модели 2020 года передает важнейшие параметры солдата на камеру, проектирующую изображение на сетчатку глаза. Солдату показывают основные физиологические параметры: пульс, кардиограмму, температуру тела и окружающей среды, радиоактивность среды, калориметр, а также сколько воды выпил солдат. Контроль над количеством жидкости позволит экономнее расходовать воду и предотвратить обезвоживание организма. Если солдат болен, то доктор, находящийся в тысячах километров от него, проанализировав состояние солдата, отдаст соответствующие команды медицинскому компьютеру, который сделает необходимые инъекции и сконфигурирует экзоскелет.
Если же солдат не успеет сам вызвать медика, то это сделает его компьютер по данным датчиков, заблокировав солдата в экзоскелете и включив системы жизнеобеспечения. Таким образом солдат будет "закован в латы" до прихода врача.
Солдаты смогут обмениваться данными в реальном времени с транспортными средствами, вертолетами, танками, роботами поддержки и другой техникой. Возможно также дистанционное управление техникой солдатом. Еще, по словам Де Гэя, вертолеты, летящие впереди отряда, будут передавать информацию о противнике солдатам. В новом костюме солдат сосредоточится только на одном - на ведении боя.
Эдвин Томас также отметил, что все представленные институтом разработки уже близки к завершению. Следующим этапом будет соединение всех частей в одно изделие. Вполне возможно, что в недалеком будущем к уже ведущимся исследованиям добавятся новые, которые расширят возможности новой униформы. Но и без этого предложенный Томасом солдат будущего поражает своей автономностью, быстродействием и неуязвимостью.
Источники:
1. Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) http://web.mit.edu/isn/aboutisn/index.html
2. Small Times: Smart artillery shells promisea major MEMS device market
3. Small Times: Soldier nanotech institute expects to recruit six more private partners
4. DoD: Future Warrior Exhibits Super Powers
Ателье
На базе Массачусетского технологического института (МТИ) был создан Институт Солдатских Нанотехнологий для разработки экипировки и вооружения "солдата будущего". Основатели института со стороны МТИ и армия США выделили на исследования грант размерами в 50 миллионов долларов. Тем не менее, Эдвин Томас, глава института, сказал, что "на разработку военного обмундирования и оружия, существенно улучшенного с помощью нанотехнологий, потребуется не менее 20 лет." В институте ведется разработка в рамках семи проектов, каждый из которых составляет отдельный "кирпичик" будущего солдата. В работе участвуют 37 ученых из 8 разных отделений МТИ.
Эдвин и исследователи предлагают существенно новую концепцию солдата. Они хотят сделать из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы которого будут настолько тесно связаны между собой, что полностью экипированного солдата будущего можно будет назвать отдельным организмом - автономным, быстродействующим, выживаемым.
По словам Томаса, с помощью традиционных технологий таких результатов достичь трудно, хотя и возможно. С помощью современных нанотехнологий их достичь еще трудней, но Томас надеется на их дальнейшее развитие и твердо верит в то, что команда выполнит больше того, что будет описано ниже.
На недавней выставке в Капитолии члены Конгресса США смогли увидеть две "демонстрационные модели" солдат: образца 2010 и 2020 года. Там же был представлен видеоролик, объясняющий работу новых костюмов и их отличие от современных.
Конструкция
Боевой бронежилет толщиной всего несколько миллиметров, названный исследователями "динамическая броня", составляющий одну из основных деталей экипировки солдата, будет облегать его наподобие водолазного костюма. При этом в его тонком слое будут содержаться довольно сложные молекулярные компоненты, с помощью которых новая форма будет и бронежилетом, и универсальным медицинским диагностическим инструментом, и экзоскелетом. Обмундирование солдата, воевавшего в Ираке, весило 48 килограмм. Обмундирование 2010 года будет весить 20 килограмм. Сколько будет весить броня 2020 года, исследователи пока не уточняют. Но вряд ли солдат будет носить на себе броню. Скорее всего, броня сама будет его носить.
Все жизненно важные параметры солдата (пульс, кровяное давление, энцефалограмма, температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме, так и на медицинский компьютер, который будет принимать решения о трансформировании костюма в экзоскелет или броню мгновенно и независимо от солдата. Ряд полимерных актюаторов, из которых будет состоять костюм, по сигналу от медицинского компьютера будут делать определенные его участки жестче или мягче. Если, например, солдат поломает ногу, местный экзоскелет позволит захватить ее в искусственные шины, сформированные тканью костюма.
Как говорит один из исследователей, специально сконструированные наномашины-усилители, входящие в состав экзоскелета брони 2020, смогут увеличить силу солдата на 300%. Униформа образца 2010 года может "усилить" солдата только на 35%.
Томас заявляет, что ответная реакция костюма будет аналогична работе подушек безопасности в автомобилях. "Меньше секунды пройдет между детектированием удара или кровотечения, и ответной реакцией костюма. И все это благодаря существующим МЭМС-акселерометрам", - говорит Томас. Естественно, что через несколько лет речь уже будет идти о НЭМС-акселерометрах. И именно они наверняка будут использоваться в качестве детекторов ударов в солдатском костюме.
Исследователи поясняют, как они будут работать над созданием экзоскелета. Для обеспечения нужного быстродействия актюаторы должны быстро принимать нужное положение в зависимости от поступившего сигнала. Для этого необходимо поработать с уже имеющимися полимерами, найти методы их "быстрой" самосборки в нужные структуры, и сделать их электропроводными. Далее необходимо узнать, будут ли эти полимерные материалы совместимы с живой тканью при длительном контакте. И, наконец, воспользовавшись математическим моделированием, вычислить наиболее оптимальные места для размещения датчиков, их количество и типы. Далее действуют программисты - они пишут программное обеспечение для медицинского компьютера. На мультфильме, который можно посмотреть здесь, можно увидеть историю про солдата, потерявшего сознание от ранения. Но медицинский компьютер вовремя включил экзоскелет, и это спасло солдату жизнь.
Для того, чтобы сделать костюм толщиной в несколько миллиметров достаточно прочным (постоянное использование экзоскелета может вызвать большие энергетические затраты), исследователи хотят создать его на основе структуры паутины. Паутина прочна, водоустойчива, гибкая и легкая, поэтому есть все основания полагать, что ее модификации будут хорошей базой для обмундирования. Паола Хэммонд, руководитель команды по биологической и химической защите Института Солдатских Нанотехнологий, говорит, что "изучив структуру паутины, мы создали нановолокна из полиуритана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только гибче, легче и жестче настоящей".
Для того, чтобы сделать новый материал жестким, исследователи добавили к новым нановолокнам наночастицы, присоединяющиеся к определенным участкам волокон, соединяя их между собой и, таким образом, делая новый материал прочнее. Как говорит Паола, одежда на основе искусственной паутины будет гораздо прочнее обычной и ее будет трудно износить или разрезать. Вероятно, что данное открытие используется и в мирном назначении в качестве "неизнашиваемого" материала для обычной одежды. Также добавление различных наночастиц к нановолокнам позволяет изменять их электропроводность. Так в костюме можно создать участки проводимости, связав расположенные внутри него сенсоры с компьютерами и обеспечив передачу энергии к наноактюаторам экзоскелета.
Новые материалы на основе нескольких полимеров позволит защитить солдата от попадания пуль и осколков. Исследователи ведут разработки в направлении энергопоглощающих полимеров на основе жидких кристаллов, которые при их деформации распределят энергию по всей поверхности. Вполне возможно, что исследователи смогут утилизировать энергию пуль и осколков, попадающих в солдата.
Также планируется снабдить костюм солдата рядом гибких солнечных панелей, которые будут вмонтированы в костюм. Тогда автономность солдата заметно возрастет. Как сказал один из исследователей, новая броня сможет принять неограниченное количество пуль, в то время как современные бронежилеты после попадания определенного количества пуль приходят в негодность.
Одна из важнейших проблем в разработке костюма - создание эффективной гибридизации организма человека с механизмами костюма. Исследователи давно занимаются производством нанометровых трубок (не обычных углеродных нанотрубок) для того, чтобы создать работоспособные биологические лаборатории-на-чипе.
Для того, чтобы эффективно распознать химическую или биологическую атаку, исследователи предложили использовать обычную человеческую печень. Как известно, этот орган очень чувствителен к различным вирусам и ядам. Исследователи изготовили чип, на котором содержится около 1,5 миллионов живых клеток печени для того, чтобы вовремя сообщить солдату о опасности. Под руководством Линды Гриффит отдел из Института Солдатских Нанотехнологий создал мобильную и компактную версию печени. Чип представляет собой две ультратонкие пластины из кремния, разделенные рядом микроканалов. Далее на поверхность одной из пластин помещают живые клетки печени, которые располагаются в ячейках микронных размеров. Как только клетки "расположатся" внутри чипа, он представляет собой биореактор, способный производить специфические вещества при воздействии на него другими веществами и микроорганизмами. Через чип постоянно циркулирует вода, снабжая клетки питательными веществами. Через время клетки организуются в такие же структуры, как и в живой печени. Тогда чип начинает работать. Как только к клеткам поступят вещества, вредные для человека, они выработают определенный химический ответ, который будет интерпретирован медицинским компьютером, и солдат получит сообщение об опасности. Искусственная печень может обнаружить вредные вещества в очень малых концентрациях, что дает возможность солдату защититься от химической или биологической атаки раньше, чем она станет смертоносной.
Интерфейс
Модель 2010 года была названа исследователями "F-16 на ногах", поскольку система позиционирования и навигации, расположенная в заплечном рюкзаке солдата, позволяет проделать все те операции по навигации, что и компьютеры самолета F-16. "Этот солдат может пересечь джунгли, ни разу не сбившись с пути" - говорит исследователь Де Гэй, обслуживающий презентацию в Капитолии. Шлем солдата оснащен сенсорами, детектирующими вибрации костей черепа и челюстей. Эта система успешно заменяет обычный микрофон, использовавшийся ранее. Весь обмен информацией будет производиться через проектор, который передает информацию прямо на сетчатку. Так у солдата появится ряд "операционных окон" - которые будут информировать солдата о приказах, о противнике, заменят бинокль и приборы ночного видения, а также будут отображать состояние организма. По "видимым" размерам экран будет сопоставим с 17" монитором.
Медицинский компьютер модели 2020 года передает важнейшие параметры солдата на камеру, проектирующую изображение на сетчатку глаза. Солдату показывают основные физиологические параметры: пульс, кардиограмму, температуру тела и окружающей среды, радиоактивность среды, калориметр, а также сколько воды выпил солдат. Контроль над количеством жидкости позволит экономнее расходовать воду и предотвратить обезвоживание организма. Если солдат болен, то доктор, находящийся в тысячах километров от него, проанализировав состояние солдата, отдаст соответствующие команды медицинскому компьютеру, который сделает необходимые инъекции и сконфигурирует экзоскелет.
Если же солдат не успеет сам вызвать медика, то это сделает его компьютер по данным датчиков, заблокировав солдата в экзоскелете и включив системы жизнеобеспечения. Таким образом солдат будет "закован в латы" до прихода врача.
Солдаты смогут обмениваться данными в реальном времени с транспортными средствами, вертолетами, танками, роботами поддержки и другой техникой. Возможно также дистанционное управление техникой солдатом. Еще, по словам Де Гэя, вертолеты, летящие впереди отряда, будут передавать информацию о противнике солдатам. В новом костюме солдат сосредоточится только на одном - на ведении боя.
Эдвин Томас также отметил, что все представленные институтом разработки уже близки к завершению. Следующим этапом будет соединение всех частей в одно изделие. Вполне возможно, что в недалеком будущем к уже ведущимся исследованиям добавятся новые, которые расширят возможности новой униформы. Но и без этого предложенный Томасом солдат будущего поражает своей автономностью, быстродействием и неуязвимостью.
Источники:
1. Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) http://web.mit.edu/isn/aboutisn/index.html
2. Small Times: Smart artillery shells promisea major MEMS device market
3. Small Times: Soldier nanotech institute expects to recruit six more private partners
4. DoD: Future Warrior Exhibits Super Powers
