История, как известно, развивается по спирали, и с этим, похоже, нельзя ничего поделать. Искусные мастера XVIII-XIX веков удивляли своих современников диковинными механизмами: говорящими куклами, поющими пичужками и паровыми экипажами, некоторые - даже подковывали блох… Век двадцатый принес нам радио и телевидение, компьютеры и спутники связи. Новое столетие, похоже, снова станет расцветом механики во всех ее проявлениях, и этому есть свои предпосылки: MEMS-технология, позволяющая создавать микро-электро-механические системы (МЭМС), в последние несколько лет испытывает бурный рост. Ее основа - необычайно миниатюрные механические элементы, интегрированные в электронную схему.

Насколько же такие устройства малы? На фотографии (рис. 1) вы можете видеть элементы кремниевого двигателя, сделанного по технологии МЭМС. Чтобы можно было оценить его размеры, стоит заметить, что огромная труба над ним - человеческий волос, диаметр которого - 100 микрон (10^-5 м).

Огромное преимущество МЭМС - способ их производства, сходный с созданием современных чипов. Процесс литографии дает возможность штамповать тысячи готовых микросхем в очень короткие сроки и с низкими затратами, точно таким же образом можно создавать и дешевые механические сенсоры и приводы. Область применения таких устройств огромна, а перспективы многообещающи. Мы рассмотрим лишь некоторые любопытные проекты, использующие МЭМС-технологию.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли планируют создать микромеханическое насекомое с размахом крыла в 10-25 мм, способное на автономный полет. За основу взяты биологические принципы, с помощью которых ученые надеются достигнуть скорости и «маневренности» настоящей мухи. Разработчики делают ставку на пьезоэлектрические приводы и корпус из гибких материалов, которые смогут обеспечить требуемое распределение мощности и необходимую подъемную силу крыла, используя в качестве источника энергии солнечные батареи (рис. 2).

Биологическим прототипом разработки выбрана мясная муха Каллифора, имеющая почти оптимальный размер для относительно легкого размещения на ее механическом аналоге моторчиков, крыльев и всей электроники. Наиболее сложный вопрос разработки - как передать крыльям необходимую мощность - ученые решают путем использования пьезоэлектрического двигателя и специального привода, которые обладают потенциально большей силой и меньшим весом, чем мышцы мухи. Для осуществления полета механического насекомого будет достаточно мощности в 10 милливатт, что вполне по силам современным MEMS-технологиям. В дальнейшем исследователи намерены оснастить «муху» устройствами дистанционного управления и контроля полета, включающими оптическую систему для определения высоты и гироскоп для стабилизации в полете.

Клавиатура, надеваемая на руку (рис. 3), напоминает часть специального костюма, подобного тому, что используется в технологии motion capture. Электронная перчатка была создана в Калифорнийском университете для того, чтобы продемонстрировать возможности использования микроакселерометров для расшифровки и перевода жестов рук в интерпретируемые компьютером символы. Пять двухосных акселерометров размещены на кончиках пальцев каждой перчатки, шестой - на тыльной стороне ладони. Получаемые аналоговые сигналы оцифровываются микроконтроллером и передаются через последовательный порт в компьютер, который вычисляет точное положение пальцев. После чего компьютер пытается определить, какой жест был сделан рукой и какому символу он соответствует. На данный момент алгоритм распознавания работает только для статических положений рук, воспроизводя таким способом практически весь английский алфавит.

Клавиатура-перчатка представляет собой крупномасштабную модель микро-электромеханических систем, разрабатываемых в проекте Smart Dust («умная» пыль), цель которого - создание автономных миниатюрных (общим объемом в один кубический миллиметр) устройств, интегрирующих на одном чипе источник питания, различные датчики (например, микроакселерометры, оптические сенсоры и т. п.) и беспроводные средства связи. «Пылинки» должны легко крепиться к самым разнообразным предметам и обладать широким спектром применения. Например, разработка виртуальных устройств ввода данных на основе технологии Smart Dust позволит играть на виртуальном пианино, создавать трехмерные компьютерные модели, вылепленные из воображаемого материала, общаться с компьютером на языке жестов. С помощью целого ряда подобных устройств можно построить, к примеру, систему мониторинга качества продукции (например, электронных приборов) или комплекс слежения за положением вещей в пространстве, что даст возможность вести скрытное наблюдение за людьми, следить за передвижением автотранспорта и т. п. Созданные в настоящее время образцы пока еще в несколько раз больше нужного, но уже несут в себе почти все необходимые компоненты (рис. 4).

Если уменьшить долю иронии в оценке некоторых фанатов-одиночек, стремящихся на собственноручно изготовленных ракетах полететь в космос, можно смело сказать, что в недалеком будущем каждый сможет купить себе ракету и запустить небольшой личный спутник. Осуществиться подобным надеждам поможет любопытный проект, разрабатываемый в Массачусетском технологическом институте (МТИ). При поддержке НАСА инженеры МТИ создают микроракету, имеющую размеры мелкой монеты и представляющую собой микроэлектромеханическую систему, изготовленную из кремния. С помощью нескольких таких устройств ученые смогут запускать на орбиту наноспутники размером с банку пива, сеть из которых могла бы вести наблюдение за Землей или заниматься обслуживанием своих более крупных собратьев. И хотя пока только некоторые из действующих образцов микроракет могут подниматься хотя бы на несколько метров, у них большие перспективы, ведь по показателю отношения количества генерируемой тяги к собственному весу МЭМС-двигатели опережают даже двигатели Шаттла (85 против 70).

В начале этого года ученые из Национальной лаборатории Сандиа объявили о создании миниатюрных машин-роботов на гусеничном ходу, имеющих автономное питание и управление. Самое впечатляющее в этой разработке - размеры: около 6 мм в высоту, ширину и длину. Вес устройства всего семь граммов. Маленький робот состоит из полимерного каркаса, трех батареек от часов, шести колес, двух гусениц, двух моторов, процессора с 8 Кб памяти и датчика температуры (рис. 5). Машина может нести на себе такие приборы как микрофон, видеокамера, химический датчик. Не будут машины обделены и связью, для чего планируется использовать беспроводную систему передачи данных, работающую в радио- или инфракрасном диапазоне. Что же касается их мощности, машины способны двигать объекты равного с ними веса. Кроме того, исследователи из Sandia Labs создают единую коммуникационную среду, которая позволит нескольким устройствам объединяться в группы для решения общей задачи под управлением центрального компьютера. Ученые Лаборатории уже разработали алгоритмы управления машинами и обмена информацией между ними.

По мнению разработчиков, основной областью применения этих роботов станет поиск и обезвреживание мин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря своим гусеницам машины очень проходимы и маневренны (робот спокойно забирается на монету и может развернуться на ней), но работа вне помещения - не их стихия. К тому же скорость передвижения машин очень мала - около метра в минуту, батареек же хватает всего на десять минут работы. Ученые говорят, что способны удвоить это время, что, однако, не исправит ситуацию - требуются много меньшие по размеру и более энергоемкие элементы питания, на данный момент - главное препятствие дальнейшей миниатюризации.

Еще одна разработка Sandia Labs -микроэлектромеханический конвейер для работы с отдельными клетками. Похожий на микрочелюсти механизм, помещенный в трубку толщиной всего 20 микрон, способен отлавливать и, удерживая короткое время, деформировать красные кровяные тельца - эритроциты, которые затем освобождаются, восстанавливают свою форму и продолжают движение (рис. 6). Каждая такая ловушка работает со скоростью 10 клеток в секунду. Конечная цель разработчиков - создать устройство, объединяющее тысячи таких ловушек, способных прокалывать клетку тонкой силиконовой трубкой и вводить в нее ДНК, белки, медикаменты - для противодействия биологической или химической атаке, вторжению вирусов, лечения генетических нарушений; это представляет большой интерес для медицины, генетической инженерии, сельского хозяйства. В настоящее время учеными создан модуль, содержащий восемь «ловушек» и микромоторчик приводящий в движение механические челюсти. Плата с модулем может свободно перемещаться в объеме тонкой соломки для коктейля (рис. 7).

Безусловно, не стоит ожидать широкого распространения стольких удивительных механизмов в ближайшие несколько лет. Скорее всего, они войдут в нашу жизнь медленно и незаметно. И уже году этак в 2021-м, возможно, никого не удивит сосед, запускающий свой персональный наноспутник, или доктор, за несколько часов вылечивающий больного с помощью «интеллектуального» фильтра крови. Поживем - увидим.