Знание-сила, 2005 № 07 (937)

Умные материалы

Все умнеет — кроме человека. Вот, уже появились, оказывается, и «умные» (по-английски - smart) материалы. Так называют вещества (чаще всего — жидкости), которые направленным образом меняют свойства под воздействием электрического или магнитного поля. В первом случае это ER-вещества, во втором — MR. Их особенности связаны с тем, что такие жидкости представляют собой масляные растворы, в которых плавают крохотные диэлектрические или магнитные частицы. Пока частицы располагаются беспорядочно, жидкость течет свободно. При включении поля частицы выстраиваются определенным образом, и жидкость становится вязкой. Эту вязкость можно, по желанию, менять в широких пределах, вплоть до полной нетекучести, затвердевания. Вот как это выглядит на примере.

На вас надет костюм, в котором циркулирует «умная» жидкость. Вы видите, что в вас целятся. Нажатие кнопки, включение поля — и жидкость в костюме мгновенно затвердевает до пуленепробиваемости. Это кажется эффектом из дешевого научно- фантастического фильма, но на самом деле это почти реальность. В Массачусетском технологическом институте уже идут испытания такого материала. «Умная» жидкость вскоре сможет защищать солдат.

Что еще могут делать эти умные вещества? Ведущей фирмой по производству MR-жидкостей сейчас является американская «Лорд корпорейшн». В 1997 году она добилась первого серьезного успеха, применив «умную» жидкость в подвесках автомобилей. Работает эта схема так. Чуткие сенсоры (на радарах) «щупают» профиль лежащей перед автомашиной дороги (ipy6o говоря, ухабы и рытвины предстоящего пути). Эту информацию они непрерывно передают на демпфер. Электромагнитный виток внутри демпфера воспринимает ее и создает необходимой величины магнитное поле. Поле, в свою очередь, меняет вязкость «умной» жидкости в демпфере до нужной величины, то есть так, чтобы упругость подвески соответствовала сиюминутной потребности. Такая система не нуждается ни в электромеханических клапанах, ни в движущихся частях, это ее большое преимущество над обычными.

Опыт показал, что там, где рытвины и ухабы встречаются не ежеминутно, «умный» демпфер работает почти идеально. Иными словами, в России его внедрять не стоит. Но кроме того, он пока еще дорог, и поэтому на данный момент «умное» демпфирование применяет только фирма «Дженерал моторе». С 2002 года она уже выпустила 100 тысяч таких машин — спортивных, специальных и «для богачей». Но ничего, дойдет и наш черед.

Еще один пример. Фирма «Форд» решила, что «умные» жидкости лучше применять в коробках передач — это дешевле подвески, но тоже гарантирует потребителю новые удобства. Пробные образцы таких коробок передач с постепенным, медленным нарастанием магнитного поля и вязкости масла продемонстрировали полную бесшумность и мягкость переключения скоростей.

Этими двумя примерами дело не ограничивается. Фирма «Лорд» то и дело объявляет о придуманных ее инженерами новых применениях «умных» веществ. Уже показано, как использовать эти вещества для уменьшения тряски в стиральных машинах. Теперь те же инженеры продемонстрировали «сейсмические демпферы». Они будут встраиваться в опоры зданий для уменьшения сейсмической опасности. Все те же сенсоры автоматически реагируют на колебания почвы и включают магнитное поле нужной величины. Вязкость «умной» жидкости возрастает, и она благополучно поглощает энергию сейсмического толчка. В Китае «умные» демпферы встроены в некоторые большие мосты.

Отдельные маленькие фирмы, идушие в фарватере «Лорда», разработали демпфирующие системы для уменьшения вибраций при запуске ракет. Это очень важно. Такие вибрации способны повредить аппаратуру запускаемых спутников. Но, пожалуй, самым экстравагантным может показаться применение MR-жидкости в новейших автомашинах типа «drive- by-wire». В этих машинах движения руля передаются на колеса не механически, а по проводам. При этом, однако, водитель не ощущает дороги. Оказывается, водителю это мешает. И вот «умная» жидкость в таких автомашинах выполняет функцию, обратную демпфированию, — создает небольшие вибрации, имитирующие ощущение дороги.

Применение ER-жидкостей продвинулось пока меньше, но необходимо в тех областях, где нужны устройства небольших размеров. MR- жидкости требуют относительно громоздких магнитов, тогда как ER — только пары небольших электродов. Вот одно из их применений, над которыми работают сейчас инженеры, — автоматическое чтение и печать текстов, написанных азбукой Брайля, то есть для слепых. Эти буквы выпуклы, что дает возможность микросенсору их «ощупать». Результаты такого ощупывания он должен передать специальному устройству, в котором «умная» жидкость застынет тем или иным образом, соответствующим именно этой букве. Программа компьютера получит сигнал о характере застывания и благодаря этому распознает прочитанную букву. После этого уже не составит труда воспроизвести ее в читающем или печатном устройстве. Разумеется, переход от профиля буквы на бумаге к «профилю» ее в виде застывшей «умной» буквы представляется очень сложным, но инженеры полагают, что задачу можно решить.

Однако самое широкое применение ER-жидкости, по-видимому, получат в мини-фотокамерах. Сегодня дигитальные фотокамеры становятся составной частью переносных компьютеров и мобильных телефонов, и необходимость механически двигать линзы и преодолевать трение создает возрастающие трудности при конструировании этих миниатюрных устройств. Желательно по возможности устранить механическое перемещение их частей, и тут на помощь приходят «умные» жидкости. Французская фирма «Вариоптик» и голландский «Филипс» разработали микролинзы, работающие на таких материалах.

В обоих случаях используется метод управляемого изменения поверхностного натяжения ER-жидкости. Роль линзы играет водный раствор, помещенный в сосуд с водоотталкивающим внутренним покрытием. Под влиянием отталкивания эта «водяная линза» приобретает полусферическую форму. Меняя электрическое поле внутри ER-покрытия, можно влиять на его гидрофобность (степень отталкивания им воды). Это меняет поверхностное натяжение в «линзе», ее фокусное расстояние, и она становится менее выпуклой. Сочетание двух и более «умных» линз позволяет придать микрофотокамере любые желаемые оптические свойства (зум и тому подобное). Фирма «Вариоптик» уже продала эту технологию южнокорейскому гиганту «Самсунг» для использования в портативных компьютерах, видеокамерах и мобильных телефонах. В денежном исчислении перспективы здесь оцениваются в сотни миллионов долларов.

И, наконец, есть еще «умная пыль». Размеры этой пыли уже приближаются к настоящей пылинке. В каждой такой пылинке (сегодня она еще имеет размеры типичного рисового зерна) имеется микропроцессор (чип), который поглощает направленную на него радиоволну и под ее воздействием испускает соответствующий сигнал — например, идентификационный номер. Такая «умная пыль» уже используется в магазинах торговой компании «Вол-Март» для слежения за своими товарами. Фирма «Бритиш петролеум» применяет чипы в своих бензовозах, чтобы следить за маршрутом и действиями водителей. Кое-где это даже вызывает нарекания, но фирмы утверждают, что новая технология служит исключительно целям безопасности. Менее спорные применения «умной пыли»: управление освещением в одном из зданий Чикаго, слежение за температурой и давлением на одной из станций лондонского метро и измерение сейсмических колебаний в одном из зданий города Беркли в Калифорнии.

В перспективе возможности применения «умной пыли» для непрерывного технического контроля представляются неисчерпаемыми. Быть может, самый впечатляющий пример здесь — это танкер «Лох Раннон» той же компании «Бритиш петролеум». В различных его местах расположены 160 «умных пылинок», каждая из которых содержит собственный источник питания (микробатарейку), микропроцессор и двухстороннее радио (приемник и передатчик). Они непрерывно измеряют и так же непрерывно передают контрольной системе данные о состоянии (вибрации, температуре, давлении) машин и компрессоров судна. Миниатюрность этих устройств делает их незаменимыми там, где возможности контроля ограничены малостью объема. Так, разрабатывается «умная пыль», которая сможет следить за температурой и влажностью в компьютерных устройствах, что позволит непрерывно регулировать их охлаждение или подогрев. Другое достоинство «умной пыли» — возможность покрывать ею (то есть контролировать) большие площади, например, целые здания, корабли или аэродромы. Пока что самое большое пробное испытание такого рода было проведено только в университете штата Огайо, где создали систему из 10 тысяч «умных пылинок» для защиты армейского полигона. Тем не менее, представляется, что главное еще впереди. Если мы хотим закончить в том же научно-фантастическом ключе, в котором начали, то следует вспомнить роман Станислава Лема «Рекогносцировка», где невидимые «умные пылинки» окружают защитным облаком каждого жителя планеты, непрерывно следя за его безопасностью и здоровьем, и приходят на помощь в случае любой надобности. В пределе — даже мгновенно покрывая его пуленепробиваемым слоем.

Илья Абель