Миниатюризированные машины

Возьмем, к примеру, устройства для хранения и проигрывания музыки. Механические пианино переносили грузчики, а ленты для них занимали довольно много места. Граммофоны тоже были немаленькими, но все же их размеры позволяли брать их с собой, к примеру, на фронт во время Первой мировой войны2. С кассетным магнитофоном можно было пойти на пляж. Плееры Walkman уже носили на поясе. МРз–плееры стали еще меньше, поскольку им не нужны сравнительно громоздкие кассеты или диски. Все больше музыки помещается во все более крошечные коробочки. Раньше человек мог унести две–три мелодии; сегодня люди передвигаются с тысячами треков. Предмет мебели сначала эволюционировал в настольное устройство, потом в переносное, наконец — в аксессуар, который можно надеть.

Как известно архитекторам и промышленным дизайнерам, в любой вещи обычно есть некая критическая подсистема, определяющая размер; избавьтесь от нее или найдите способ ее уменьшить — и вы сможете снизить общие параметры. В архитектурных сооружениях, как не уставал напоминать Бакминстер Фуллер, основная проблема состоит в элементах, работающих на сжатие; замените как можно больше из них на элементы, которые работают на растяжение, и структура станет значительно легче. Проблема с CD–плеерами состояла в диаметре диска; как ни крути, но сделать проигрыватель меньше носителя информации невозможно — а так он не помещается в карман.

Кроме того, существует взаимосвязь между размером и материалом. Помещать граммофоны в деревянные корпуса и воспринимать их как лакированную мебель казалось совершенно естественным. С появлением настольных стереопроигрывателей дерево стало уступать место металлу и пластику. О том, чтобы сделать корпус CD–плеера из дерева, уже не могло бьпъ и речи; при таких размерах древесину невозможно достаточно точно обработать, ей недостает прочности и плотности. Иногда миниатюризация ведёт к смене материала, а иногда изобретение новых материалов и связанных с ними производственных технологий вызывает волну миниатюризации; подчас эти движения совпадают.

В фотоаппаратах проблемным узлом была пленка. Формат негатива диктовал величину оптической системы и механизма перемотки. Постепенное уменьшение формата пленки (а до того — переход со стекла на целлулоид) обеспечило определенный уровень миниатюризации, однако внедрение фотодиодных матриц решительно изменило правила игры. Крошечные массивы светочувствительных элементов позволили значительно уменьшить оптику, а механизм перемотки просто исчез. На более глубоком уровне замена оптических и механических взаимосвязей электронными (особенно в системе видоискателя) изменила требования к пространственным соотношениям между частями камеры, позволив размещать их гораздо плотнее. Вскоре цифровые фотоаппараты стали не просто меньше своих пленочных предшественников, они уже не были похожи на фотоаппараты — как когда‑то самодвижущиеся экипажи перестали походить на экипажи.

В переносном компьютере нам требуются клавиатура, на которой помещались бы пальцы, хорошие рабочие характеристики и экран, подходящий под наше поле зрения. Наладонники с маленькими экранами и до смешного крошечными клавиатурами — не самая удобная альтернатива. Но если вы замените экран на дисплей, проецирующий изображение высокого разрешения прямо на сетчатку, а клавиатуру на микрофон, подключенный к системе распознавания голоса, все устройство можно будет уменьшить до размеров солнцезащитных очков и перенести его с колен на переносицу.

Замена механических соединений, оптических систем и движения материалов электронными соединениями (проводными или беспроводными) также позволяет разделить устройства на составные части и воссоздать их в новом качестве. Их функции можно перераспределять между карманными, настольными и стационарными приспособлениями. Таким образом, ради уменьшения размеров и веса определенной вещи ее можно избавить от некоторых функций, перенеся их в другое место. В фотографии, к примеру, съемка производилась при помощи отдельного компактного устройства, проявка и печать происходили в централизованных фотолабораториях, а функции хранения выполняли альбомы и архивы. Технология мгновенных фотоснимков Polaroid совместила съемку, проявку и печать в одной переносной коробке, обеспечив удобство за счет увеличения размера. Цифровая же фотография дает практически ничем не ограниченную свободу перераспределения функций. Экспонирующее устройство сокращается до объектива и матрицы с подсоединением к сети. Его можно носить отдельно, встроить в другое устройство типа сотового телефона или закрепить на стене. Изображения можно хранить на переносном или настольном устройстве, а можно — на сетевом сервере. Печать же может происходить везде, где есть принтер с сетевым подключением.

Случается, что такие перераспределения открывают новые возможности. Мгновенная фотография позволила нам обсуждать и оценивать снимки прямо в момент съемки, а не потом, в другое время и в другом месте. Похожим образом интеграция цифровых камер в сотовые телефоны дает собеседникам возможность просто показывать, а не описывать на словах то, о чем они говорят.

Еще одну возможность уменьшить размеры полезных предметов дают высокоточные технологии производства. Заметнее всего это в разработке и производстве электронных схем. Вакуумные трубки, использовавшиеся для построения ранних компьютеров, были громоздкими и сильно нагревались просто по своей природе. Сменившие их вскоре транзисторы были меньше и грелись уже не так сильно, что позволяло размещать их куда компактнее. Появление полупроводниковых технологий задало экспоненциальный рост плотности транзисторных элементов на кристалле кремния, позднее описанный законом Мура. В 50–х переносные радиоприемники с полудюжиной транзисторов казались чудом; к концу века компьютерные чипы размером с марку, вмещавшие 100 миллионов транзисторов, уже никого не удивляли.

Микропроизводство обычно начинается с макроскопического элемента, например — с кремниевой пластины, на которой путем точнейшего снятия или добавления слоев материала создаются сложные структуры вроде интегральных схем. По мере развития технологий минимальные размеры элементов в таких структурах, ранее составлявшие десятки микрометров, снизились до десятков нанометров. Эта прогрессия достигнет предела, когда элементы уменьшатся до пары нанометров, то есть до размеров атома — но это не значит, что развитие микропроизводств в этот момент остановитсяЗ. По мере приближения этой гонки к финалу акцент смещается на изобретение новых видов микроскопических структур и систем.

Методы микропроизводства, разработанные для изготовления электронных схем, уже расширены и обобщены для микрожидкостных систем с крохотными каналами, резервуарами, клапанами и форсунками, заменившими колбы и мензурки традиционной химической лаборатории и позволившими проводить анализ проб значительно меньших объемов. Те же методы используются и в производстве волноводов для света и радиосигналов. Название таких структур — микроэлектроме–ханические системы — занимает больше места, чем они сами, но, к счастью, его принято сокращать до МЭМС4.

Что еще удивительнее, в МЭМС могут бьпъ встроены подвижные части, такие как переключатели и клапаны, вибрирующие консоли, крошечные приводы и механические соединения. Это позволяет МЭМС функционировать в качестве сенсоров, преобразующих различные сигналы из окружающей среды в электронные данные. Их используют как датчики давления, микрофоны, измерители ускорения, датчики угловой скорости, детекторы видимого и инфракрасного излучения. Они могут превратиться в «лаборатории на чипе», распознающие химические и биологические вещества.

И наоборот, МЭМС способны функционировать как преобразователи информации в полезные физические, химические и биологические реакции. Они, например, могут испускать световые или радиоимпульсы, настраивать микроскопические зеркала, чтобы направлять сигналы в оптоволоконных системах, а также служить двигателями для микроскопических транспортных средств и роботов.