 |
Производственные технологии
|
|
|
|
К концу 21-го века, благодаря достижениям генной инженерии в сочетании с биоинженерными тканями и имплантантами, люди станут совсем не похожими на современных. Пока не ясно, какой процент населения пожелает принять участие в подобных усовершенствованиях, но отказавшиеся рискуют остаться сторонними наблюдателями, следя с обочины за тем, как люди, развитые биоинженерными методами, гигантскими шагами устремляются вперед рука об руку с разумными машинами. Могу себе представить, как в какой-то момент человечество разделится на два лагеря, будут социальные волнения, но прогресс не остановить. Если все это будет происходить, как прогнозируется, годах в 2050-х, то, как вы думаете, кто будет самой консервативной частью общества? Правильно – нынешняя молодежь, правда, к тому времени немного постаревшая. Примерно, как сейчас бабушки и дедушки недоверчиво косятся на коробчатые компьютеры, так же будущее старшее поколение будет недоверчиво смотреть на своих детей, получающих биологические имплантанты при рождении и общающихся не открывая рта. В области окружающей среды будут активно развиваться технологии, обеспечивающие уменьшение выбросов углекислого газа, резкое снижение (в десятки раз) окиси азота в выхлопных газах автомобилей, внедрение электромобилей в больших городах, снижение количества сжигаемых отходов, создание массовых промышленных технологий, обеспечивающих существенное снижение отходов всех видов, технологии по обезвреживанию стойких органических загрязняющих веществ из почвы, технологии очистки и удаления опасных примесей из воды, широкое внедрение биоразлагаемых пластиков, технологий размножения бактерий, уничтожающих загрязнители окружающей среды, таких как бактерии, разлагающие нефть; исследования возникновения аллергии на факторы загрязнения окружающей среды, исследования по выявлению факторов глобальных изменений окружающей среды и др. Будут развиваться системы глобального мониторинга для постоянного наблюдения за изменением состояния сельскохозяйственных, лесных и рыбных ресурсов и окружающей среды на основе достижений в технологии дистанционного считывания с высоким разрешением, а также технологии, основанные на крупномасштабных числовых моделях, для прогнозирования изменений в Мировом океане, включая рыбные запасы. Будет разработана технология прогнозирования будущего новых химических веществ за счет накопления знаний о поведении стойких химических веществ в окружающей среде. Ожидается создание динамичных методов заблаговременного (за 1—6 мес.) прогнозирования погоды.
|
|
|
Найдут практическое применение технологические конструкции и системы для оптимального использования лесов с сохранением их функций (поддержание биологического многообразия, очищение окружающей среды и сохранение лесного ландшафта и комфорта). Будут разработаны предприятия, способные очищать речные воды путем поглощения бактерий, разрушающих диоксин, и других эндокринных разрушителей в таких носителях, как пористый древесный уголь. В пищевой промышленности будут применяться безотходные или полностью подлежащие вторичной переработке продукты, включая упаковку. Будут разработаны недорогие препараты против биологического загрязнения, заменяющие органические соединения, а также композитные материалы с очищающей функцией для создания преграды между предприятиями, занятыми переработкой промышленных отходов, и окружающей средой. Будут внедряться системы, в которых использованные или отработанные продукты подвергаются безопасной и эффективной вторичной переработке в масштабах промышленности в целом, а не на базе одной или группы компаний. Широкое применение найдут высокоэффективные процессы для обработки твердых и опасных материалов с использованием систем обработки сточных вод на основе биотехнологии. Энергетика В области энергетики основные приоритеты относятся к таким направлениям, как производство, преобразование, эффективное использование, накопление, поддержание, регенерация и распределение энергии.
|
|
|
Среди основных перспективных технологий — производство микротурбин, возобновляемые источники энергии (фотоэлементы, в том числе тонкопленочные солнечные элементы большой площади с высоким коэффициентом преобразования, использование приливов, ветра и т. д.), топливные элементы, сверхпроводники, улавливание и хранение двуокиси углерода, источники света с низким потреблением энергии, безопасная утилизация высокорадиоактивных твердых отходов, в том числе создание метода оценки безопасности подземной утилизации высокорадиоактивных отходов; средства транспорта на водородном топливе, применение вторичных батарей (NiMH, Li и т. д.) с высокой энергетической плотностью в автомобилях, перезаряжаемых полимерных батарей с объемной емкостью 500 Вт/л, применение твердых полимерных электролитических топливных элементов для выработки энергии в домах, создание энергетически эффективных домов и др. Будут разработаны многослойные солнечные элементы с коэффициентом преобразования свыше 50% и аморфные силиконовые солнечные элементы большой площади с коэффициентом преобразования свыше 20%.
Основные приоритеты в области промышленного производства заключаются в создании технологий, позволяющих существенно повысить производительность труда, гибкость производственных мощностей, экономии энергии и ресурсов, внедрении безотходных и малоотходных производств, улучшении условий труда, снижении вредных выбросов и в конечном счете в обеспечении роста конкурентоспособности. В значительной степени эти задачи решаются путем использования информационных и коммуникационных технологий, позволяющих существенно сократить время разработки новой продукции, эффективно организовать процесс производства, обучение и переподготовку сотрудников. Применение ИКТ позволяет создавать новые модели бизнеса и эффективно использовать знания, накопленные на предприятии. К наиболее перспективным направлениям в сфере производственных технологий относится создание «безотходного» общества (recycling society), в том числе виртуальных производственных систем, поддерживающих такие виды производственной деятельности, как проектирование, разработка, производство, эксплуатация, техобслуживание и утилизация отходов; использование неорганических энергетических ресурсов (ветер, геотермальные ресурсы, солнечная энергия, тепловые выбросы); применение комбинированных систем (топливные элементы и газовые микротурбины) в обрабатывающей промышленности; оптимизация использования энергии в производственных процессах за счет хранения больших объемов электроэнергии (сверхпроводники, маховые колеса, конденсаторы); создание экологических предприятий с низким энтропийным эффектом, работающих с должным учетом влияния на локальные экосистемы во всем жизненном цикле — от производства до утилизации; системы проектирования, производства, сбора и вторичной переработки отходов, где не менее 90% использованных материалов проходят вторичную переработку; массовое производство водорода путем разложения органических веществ с применением солнечной энергии и биологических систем; создание предприятий с нулевыми выбросами двуокиси углерода; применение системы «производство — уничтожение», в которой система производства «проектирование производство использование вывод из употребления» соединена с системой вторичной переработки ресурсов «сбор разборка и сортировка вторичное использование производство».
|
|
|
В производстве будут широко применяться технологии оценки потенциального риска для промышленного предприятия, компании или производственной мощности, прогнозирующей цепь происшествий и оценивающей причиненный ущерб, включая воздействие на окружающую среду.
|
|
|
Войдут в практику сверхточные производственные технологии, включая процессы, способные изменять свойства материала с помощью технологии управления производством материалов на молекулярном и атомном уровнях, сверхточные (порядка единиц ангстремов) технологии обработки (механическая обработка, анализ, испытания и мониторинг на месте) в результате прогресса в лучевой технологии (ионы, электроны и лазеры), технологии контроля и сенсорной технологии; технологии монтажа на уровне нескольких микронов, способные производить сверхмалые портативные устройства, интегрирующие оптоэлектронику, микроэлектронику и микромашины, полупроводниковые микропроцессорные и измерительные технологии с разрешением в 1 нм для производства БИС с масштабом в 0,01 мк. Найдут широкое применение локальные производственные системы (в том числе в отдаленных районах) без процесса опытного производства, производящие прототипы изображения с трехмерными цифровыми моделями и передающие цифровые данные заводам-производителям. Производственные технологии для контроля выделенных характеристик сделают излишними последующие испытания благодаря мониторингу химических реакций на месте и обратной связи с системой управления в производственных процессах высокой сложности и точности (например, производство БИС). Прогресс в цифровой технологии и усовершенствование промышленных роботов повлекут радикальные перемены в возможностях применения и форм труда работников обрабатывающей промышленности: в частности, широко будут применяться производственные системы, в которых смогут беспрепятственно работать пожилые люди или инвалиды.
Молекулярные компьютеры
В 2006 году компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из HP и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое – по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти.Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых HP, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.
|
|
|
Кроме того, молекулярные технологии сулят появление микромашин, способных перемещаться и прилагать усилие. Причем для создания таких устройств можно применять даже традиционные технологии травления. Когда-нибудь эти микромашины будут самостоятельно заниматься сборкой компонентов молекулярного или атомного размера. Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2010 и 2015 годами.
Биокомпьютеры
Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока эта чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки – это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг. Ихуд Шапиро из Вейцманоского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки – 0,000025 мм. По мнению Шапиро, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга. Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются для определения характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G). Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках. Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов будущего.
Оптические компьютеры
По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.
Эти операции можно упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими. Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий дальней связи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче через все океаны и континенты. Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическую основу, хотя первые модели, по-видимому, будут представлять собой гибриды с применением света и электричества. Оптический компьютер может быть меньше электрического, так как оптоволокно значительно тоньше (и быстрее) по сравнению с сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками. По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей примерно 50 Гбит/с.
Чтобы достичь терабитных скоростей потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытные образцы). Это объясняет, почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование позволяет повысить ее еще больше. Инженеры пропускают по оптоволокну все больше и больше коротковолновых световых лучей. В последнее время для управления ими применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысяч микрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей – уже 280 Мбит/с. Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в 10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптическом волокне. Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.
Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи – вплоть до «последней мили» на участке до дома или офиса. В ближайшие 10 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.
Квантовые компьютеры
Итак, квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир – очень странное место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности.Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях «включено», «выключено» и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций – вот истинный пример массово-паралельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.
Уже есть несколько действующих квантовых компонентов – как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или «псевдоатомов». Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической «1», а вторая – «0». Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему. Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовых вычислений лежат вероятностные законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и «1», и «0» с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.
Насколько близко люди подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2010 году, а в 2015–2020 годах должно начаться их массовое производство.
Искусственный интеллект
Понятие искусственный интеллект, как впрочем и просто интеллект, весьма расплывчаты. Если обобщить все сказанное за последние тридцать лет, то оказывается, что человек просто хочет создать себе подобного в той или иной форме, хочет, чтобы какие-то действия выполнялись более рационально, с меньшими затратами времени и энергии. С конца 40-х годов ученые все большего числа университетских и промышленных исследовательских лабораторий устремились к дерзкой цели: построение компьютеров, действующих таким образом, что по результатам работы их невозможно было бы отличить от человеческого разума. В последнее время наблюдается возрастание интереса к искусственному интеллекту, вызванное повышением требований к информационным системам. Умнеет программное обеспечение, умнеет бытовая техника. Мы неуклонно движемся к новой информационной революции, сравнимой по масштабам с развитием Интернета, имя которой – искусственный интеллект.
Искусственный интеллект является сейчас «горячей точкой» научных исследований. Именно здесь решаются многие коренные вопросы, связанные с путями развития научной мысли, с воздействием достижений в области вычислительной техники и робототехники на жизнь будущих поколений людей. Прежде всего, необходимо понять механизмы процесса обучения, природу языка и чувственного восприятия. Выяснилось, что для создания машин, имитирующих работу человеческого мозга, требуется разобраться в том, как действуют миллиарды его взаимосвязанных нейронов. И тогда многие исследователи пришли к выводу, что, пожалуй, самая трудная проблема, стоящая перед современной наукой – познание процессов функционирования человеческого разума, а не просто имитация его работы. Что непосредственно затрагивало фундаментальные теоретические проблемы психологической науки. В самом деле, ученым трудно даже прийти к единой точке зрения относительно самого предмета их исследований – интеллекта. Некоторые считают, что интеллект – умение решать сложные задачи; другие рассматривают его как способность к обучению, обобщению и аналогиям; третьи – как возможность взаимодействия с внешним миром путем общения, восприятия и осознания воспринятого. Тем не менее, многие исследователи ИИ склонны принять тест машинного интеллекта, предложенный в начале 50-х годов выдающимся английским математиком и специалистом по вычислительной технике Аланом Тьюрингом. «Компьютер можно считать разумным, – утверждал Тьюринг, – если он способен заставить нас поверить, что мы имеем дело не с машиной, а с человеком».
В настоящее время различают два основных подхода к моделированию искусственного интеллекта (AI – artificial intelligence): машинный интеллект, заключающийся в строгом задании результата функционирования, и искусственный разум, направленный на моделирование внутренней структуры системы. Разделение работ по искусственному интеллекту на два направления связано с существованием двух точек зрения на вопрос, каким образом строить системы искусственного интеллекта. Сторонники одной точки зрения убеждены, что «важнее всего результат», т.е. хорошее совпадение поведения искусственно созданных и естественных интеллектуальных систем, а что касается внутренних механизмов формирования поведения, то разработчик искусственного интеллекта вовсе не должен копировать или даже учитывать особенности естественных, живых аналогов.
Другая точка зрения состоит в том, что именно изучение механизмов естественного мышления и анализ данных о способах формирования разумного поведения человека могут создать основу для построения систем искусственного интеллекта, причем построение это должно осуществляться прежде всего как моделирование, воспроизведение техническими средствами принципов и конкретных особенностей функционирования биологических объектов.
Первое направление, таким образом, рассматривает продукт интеллектуальной деятельности человека, изучает его структуру, и стремится воспроизвести этот продукт средствами современной техники. Основные результаты заключаются в создании экспертных систем, систем разбора естественного языка и простейших систем управления вида «стимул-реакция». Ясно, что успехи этого направления искусственного интеллекта оказываются тесно связанны с развитием возможностей ЭВМ и искусства программирования, то есть с тем комплексом научно-технических исследований, которые часто называют компьютерными науками.
Второе направление искусственного интеллекта рассматривает данные о нейрофизиологических и психологических механизмах интеллектуальной деятельности и, в более широком плане, разумного поведения человека. Оно стремиться воспроизвести эти механизмы с помощью тех или иных технических устройств, с тем чтобы «поведение» таких устройств хорошо совпадало с поведением человека в определенных, заранее задаваемых пределах. Развитие этого направления тесно связано с успехами наук о человеке. Для него характерно стремление к воспроизведению более широкого, чем в машинном интеллекте, спектра проявлений разумной деятельности человека.
Системы искусственного разума базируются на математической интерпретации деятельности нервной системы во главе с мозгом человека и реализуются в виде нейроподобных сетей на базе нейроподобного элемента – аналога нейрона. Нейроподобные сети в последнее время являются одним из самых перспективных направлений в области искусственного интеллекта и постепенно входят в бытность людей в широком спектре деятельности.
Нейронные сети
Современные цифровые вычислительные машины способны с высоким быстродействием и точностью решать формализованные алгоритмам. Однако в тех случаях, когда задача не поддается формализации, а входные данные неполны, зашумлены или задачи с вполне определенными данными по заранее известным противоречивы, применение традиционных компьютеров становится неэффективным. Альтернативой им становятся специализированные компьютеры, реализующие нетрадиционные нейросетевые технологии. Сильной стороной этих комплексов является нестандартный характер обработки информации. Она кодируется и запоминается не в отдельных ячейках памяти, а в распределении связей между нейронами и в их силе, поэтому состояние каждого отдельного нейрона определяется состоянием многих других нейронов, связанных с ним.
Следовательно, потеря одной или нескольких связей не оказывает существенного влияния на результат работы системы в целом, что обеспечивает ее высокую надежность. Высокая «естественная» помехоустойчивость и функциональная надежность касаются как искаженных (зашумленных) потоков информации, так и в смысле отказов отдельных процессорных элементов. Этим обеспечиваются высокая оперативность и достоверность обработки информации, а простая дообучаемость и переобучаемость нейронных сетей позволяет при изменении внешних факторов своевременно осуществлять переход на новые виды решаемых задач.
Приведенные выше преимущества нейросетевой обработки данных определяют области применения нейронных сетей:
обработка и анализ изображений;
распознавание речи независимо от диктора, перевод;
обработка высокоскоростных цифровых потоков;
автоматизированная система быстрого поиска информации;
классификация информации в реальном масштабе времени;
планирование применения сил и средств в больших масштабах;
решение трудоемких задач оптимизации;
адаптивное управление и предсказание.
Отдельные нейроны, соединяясь между собой, образуют новое качество, которое, в зависимости от характера межнейронных соединений, имеет различные уровни биологического моделирования:
группа нейронов;
нейронная сеть;
нервная система;
мыслительная деятельность;
мозг.
Другими словами, нейронная сеть – это параллельная связная сеть простых адаптивных элементов, которая взаимодействует с объектами реального мира аналогично биологической нервной системе.
Заключение
К 2030 году может начаться распространение вживленных устройств с прямым доступом к нейронам. Ближе к середине столетия в мире киберпространства будут царить микро- и наноустройства (интеллектуальная пыль). К тому времени Интернет будет представлять собой отображение всего реального мира. Представьте себе мир, окутанный беспроводной сетью данных, по которой путешествуют огромные объемы информации. Тогда такие фантастические и мистические явления, как телепатия и телекинез, станут самым простым проявлением Всемирной сети. Грубо говоря, телепатия будет выглядеть как сгенерированная вашими нейронами информация, путешествуя в пакетах к другим нейронам для расшифровки. Почти как протокол TCP/IP сегодня. А телекинез (передвижение мыслью физических объектов) будут производить наноустройства, активированные вашей мысленной командой. Простейшие устройства, реагирующие на мысленные команды, существуют уже и сегодня. Хотя к тому времени вам вряд ли захочется передвигать реальные объекты, если возможно будет просто переместить их цифровые копии. Без шлемов виртуальной реальности можно будет совершить полноценный круиз в любой уголок земного шара, не покидая своей квартиры. Мысленно можно будет вызвать цифровую проекцию любого места, причем события в нем будут отображаться в реальном времени. Или наоборот, спроецировать себя, в любую точку нашей планеты. Таким образом, грань между кибер- и реальным пространством исчезнет. На биологическом фронте исследования в области клетки приближают возможность замены тканей или органов, включая нейроны, которые раньше считались незаменимыми. Более того, клетки и ткани можно будет наделять способностями обработки и передачи данных. Подобный контроль над живыми процессами дает надежду на увеличение продолжительности жизни: ученые не видят принципиальных препятствий к тому, чтобы люди жили по несколько сотен лет.
Список использованной литературы
1. Базаров Б.М. Основы технологии машиностроения. учеб для вузов М: Машиностроение, 2005-736с
2. Жуков Э.Л. Основы технологии машиностроения - СПБ: Изд-во СПБгПУ, 2005-119с
3. Жарченков Ю.Н Основы промышленных технологий. Учебное пособие/ГУУ.М.2000
4. Вестник машиностроения. М. Машиностроение, 2000-2008 г.г
5. Проблемы машиностроения и автоматизации международный журнал. 2000-2008 г.г
|
|
|
