Маленькие станки: Необычные маленькие токарные станки из дерева, алюминия и стали
alexxlab | 10.04.2023 | 0 | Разное
Необычные маленькие токарные станки из дерева, алюминия и стали
- О компании
- Документация
- Сертификаты
- Отзывы о компании
- Новости
- Лизинг
- Наши хобби
- Производители
- Сервис
- Шефмонтажные и пусконаладочные работы
- Модернизация, реновация и капремонт
- Справочник
- Библиотека станочника
- Станки советские, российские, импортные – справочная информация
- КПО советское, российское, импортное – справочная информация
- ГОСТы станков и КПО
- Каталог станков производства СССР, РОССИЯ и стран СНГ
- Каталог КПО производства СССР, РОССИЯ и стран СНГ
- Инструкции по охране труда при работе на станках
- Доставка
- Контакты
- Главная /
- Статьи
- Необычные маленькие токарные станки из дерева, алюминия и стали
(Из книги Е. Васильева “Маленькие станки”)
Интересная идея – сделать токарный станочек из дерева.
Для работы по пластику такая конструкция вполне может подойти.
На фото станочек Fonly. Станок имеет и перемещаемый суппорт с резцедержкой, и даже люнет.
Ссылка: www.shipmodeling.ru/tooling_fonly01.php и ещё одна:
www.shipmodeling.ru/tooling_fonly02.php.
Когда-то я делал по этому принципу нечто подобное. Простые мелкие детали из фторопласта обработать удавалось, но хотелось и более высокой точности, и жёсткости. Может быть, в будущем решится и эта проблема, и станочек Fonly начнёт грызть сталь? Но вериться с трудом.
Интересный экземпляр токарного станочка Clisby из красного дерева. Сейчас станочек уже не выпускается. Но его конструкцию легко повторить в домашних условиях. Правда, этот станок предназначен для обработки дерева ручными резцами.
И ещё одна самодельная конструкция из дерева. Размеры уже побольше.
Большой любитель домашнего литья по металлу, Lionel Oliver II, предпринял попытку изготовить станочек из алюминиевых сплавов. В прошлом веке уже была попытка сделать станок полностью из алюминия. В результате получились станочки Wade (на фото). Станки выпускались в нескольких вариантах и были сделаны очень тщательно, но этот смелый эксперимент закончился полным фиаско.
Чуда не случилось, жесткость станка оказалась слишком низкой для любой мало-мальски серьёзной работы. Но станок получился красивый и содержал ряд необычных решений, например центр в задней бабке был квадратного сечения.
Принцип компоновки с одной трубой, иногда встречающемся на старых станках интересен: при таком решении внутри основной трубы проходит ходовой винт. Труба имеет снизу длинный сквозной паз, через который гайка ходового винта соединена с суппортом.
Другой станок аналогичной компоновки, Drummond, был выполнен уже из чугуна и стали, и его основная несущая труба диаметром 75 мм имела достаточную жесткость.
13.01.2016
Источник: Васильев Е. “Маленькие станки”
ИНТЕРЕСНЫЕ СТАТЬИ И ПОЛЕЗНЫЕ КНИГИ
- Школьные станки ТВ и их аналоги
- Мини токарные станки Универсал – сделано в СССР
- Мини токарный б.у станок по металлу – восстановление и ремонт своими руками. 1 часть
- Универсальные мини токарно-фрезерные станки по металлу
- Маленькие фрезерные станки по металлу
- Самодельные мини токарные станки по металлу
- Маленькие токарные патроны
- Микромодели токарных и фрезерных станков
- Чудные механизмы – о маленьких токарных, фрезерных, строгальных станках
- Часовые станки различных производителей
Производители
Ламельные станки DSG Wintersteiger (Австрия)
Галерея
- Запатентованные канальные направляющие
- Приёмный стол.
- Пульт управления.
- Крепление пильной рамки
- Пильная рамка
Придуманные и осуществленные командой пользователей, мастеров и дизайнеров, ламельные станки DSG представляют собой образец абсолютной производительности и легко демонстрирует свои преимущества с присущей ей эффективностью в изготовлении высококачественной ламели для:
• паркетных полов
• многослойного щита
• дверных элементов
• оконных элементов
• мебели
• карандашных заготовок
• заготовок для музыкальных инструментов
• пиленого шпона и мн.
др.
Ламельные станки серии DSG фирмы WINTERSTEIGER (Винтерштайгер) базируются на хорошо зарекомендовавшем себя принципе построения многопильного станка рамного типа. В настоящее время во всём мире работают более 1000 ед. станков рамного типа фирмы WINTERSTEIGER. Каждый из них в отдельности является примером хорошо зарекомендовавшей себя концепции станка для изготовления ламельной заготовки и пиленого шпона. Постоянное усовершенствование всех компонентов, проводимое на протяжении многих лет, гарантируют маскимальную возможность безотказной эксплуатации ламельного станка в промышленных условиях. Видимый результат: высокая степень удовлетворённости пользователей, стабильная производительность и безупречное качество ламельной заготовки и пиленого шпона.
Преимущества ламельных станков Винтерштайгер серии DSG:
- Высокая точность
- Безупречное направление пильных полотен
- Симметричная конструкция пильной рамы
- Высококачественная технология пильных полотен
- Продуманная эргономика
- Pазъёмная конструкция станка
- Oптимальная доступность
- Простое обслуживание
- Производительность выше на 30 — 80 %
- Pеволюционная концепция привода
- Bысокоточный механизм подачи с сервоприводом
Повышенная производительность (550 ходок в минуту)
DSG Sonic
DSG Notum
DSG 200
DSG 200/400 высокий распил
Подключаемый ток
400-415 VAC / 50 Гц
400-415 VAC / 50 Гц
400-415 VAC / 50 Hz
400-415 VAC / 50 Hz
Главный привод
15 кВт
11 кВт
22 кВт
22 кВт
Скорость подачи (в зависимости от вида древесины и размера блока)
от 0,3 до 1,7 м/мин
до 1,7 м / мин
от 0,2 до 2,0 м/мин
от 0,2 до 2,0 м/мин
Ход пильной рамы
210 мм
210 мм
210 мм
210 мм
Число ходов
550 ходов в минуту
450 ходов в мин
450 ходов в мин
400 ходов в мин
Высота раскроя (регулируется электронно)
от 30 до 250 мм
30 — 266 мм
от 45 до 250 мм
от 140 до 400 мм
Ширина раскроя по боковой линейке
до 140 мм
60 — 162 мм
от 80 до 205 мм
от 80 до 165 мм
Ширина раскроя по средней линейке
от 2 до 60 мм
2 x 25 — 70 мм
2 по 30 — 95 мм
2 по 30 — 75 мм
Количество каналов (ширина заготовок варьируется)
от 2 до 5 каналов
2 канала макс.
5 канала макс. 24,5 мм
2 по 9 каналов
от 1 до 4 каналов
Длина заготовки
от 185 мм
от 300 мм
от 250 мм
от 500 мм
Разница по высоте заготовок / по средней линии
макс. +/- 0,5 мм
макс. +/- 0,5 мм
регулируется бесступенчато
регулируется бесступенчато
Толщина ламели (в зависимости от вида древесины и размеров заготовки)
> 1,5 мм
> 1,5 мм
> 1,5 мм
> 3 мм
Точность раскроя при высоте раскроя до 120 мм
+/- 0,1 мм
+/- 0,1 мм
+/- 0,1 мм –
Точность раскроя при высоте блока свыше 120 мм
+/- 0,2 мм
+/- 0,2 мм
+/- 0,2 мм
+/- 0,2 мм
Толщина пропила
от 0,7 мм
от 0,9 мм
от 0,9 мм
от 1,1 мм
Количество пильных полотен
макс.
макс. 30
макс. 50
макс. 32
Срок службы пильных полотен
до 80 часов
до 60 ч
до 60 ч
до 60 ч
Вытяжные штуцеры
1 x 150 / 1 x 120 мм
3 x 120 мм
3 по 140 мм (1 по 120 мм)
3 по 140 мм
Мощность оттока воздуха на каждом подключении
30 м/с, 1300 м3/ч
30 м/с, 1300 м3/ч
30 м/сек., 5100 м3/ч
30 м/сек., 5100 м3/ч
Сжатый воздух
мин.
мин. 6 бар, 87 psi
мин. 6 бар, 87 psi
мин. 6 бар, 87 psi
Габариты
Длина
4050 мм
3590 мм
4400 мм (5050 мм)
4400 мм
Ширина
1150 мм
990 мм
1230 мм
1230 мм
Высота:
макс. 2500 мм
макс. 2250 мм
ok. 2600 мм
ok. 2715 мм
Высота станка при транспортировке
ok.
ok. 2120 мм
макс. 2100 мм
макс. 2200 мм
Вес
ok. 3000 кг
ok. 2200 кг
ok. 5000 кг
ok. 5200 кг
72,5 мм
35
6 бар, 87 psi
2300 ммСопутствующее оборудование
- Заточной станок Micro Grinder HT
Товары со скидкой – LittleMachineShop.com
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
также наши выгодные пакеты
США – Распродажа 
США В продаже
США В продаже
США В продаже
США В продаже
США В продаже
США В продаже
Аэрозольный баллончик, Старретт
США
00
США В продажеМалые машины | Американская академия искусств и наук
Оглянитесь на мир, созерцайте его целиком и каждую его часть: вы обнаружите, что это не что иное, как одна большая машина, подразделенная на бесконечное число меньших машин, которые опять-таки допускают деления в степени, превышающей возможности человеческого восприятия и понимания. способности могут проследить и объяснить. Все эти различные машины и даже их мельчайшие части приспособлены друг к другу с точностью, которая приводит в восхищение всех людей, когда-либо созерцавших их. Любопытное приспособление средств к целям во всей природе в точности напоминает, хотя и намного превосходит, продукты человеческого изобретения; человеческого замысла, мысли, мудрости и интеллекта.
– Дэвид Хьюм, Диалоги о естественной религии , 1779
Насколько маленькими мы можем делать вещи? Физик, научный рассказчик и будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман задал этот вопрос в декабре 1959 года.
В ныне известном выступлении на ежегодном собрании Американского физического общества он взял этот очень простой вопрос и довел его до конца. Его выступление помогло определить область нанотехнологий. С проницательностью и точностью Фейнман четко обозначил обещания и проблемы, связанные с уменьшением размеров вещей. Это был громкий призыв, сформировавший область нанонауки в течение следующих пятидесяти лет — область, которая, в свою очередь, изменила мир.
Программу миниатюризации, изложенную Фейнманом в 1959 г., можно разделить на три основные части:
- миниатюризация информации;
- миниатюризация электроники; и
- Миниатюризация машин.
Части 1 и 2 революции уже шли полным ходом к тому времени, когда Фейнман произнес свою речь. (Он был не только провидцем, но и репортером.) Такие компании, как Fairchild Semiconductor в районе залива Сан-Франциско и Texas Instruments в Остине, производили транзисторы и собирали их в интегральные схемы.
Гордон Мур, основатель и бывший генеральный директор Intel, вскоре начал подсчитывать количество транзисторов на чип, заметив, что это число удваивается каждый год или около того. Он предсказал, что эта тенденция сохранится еще как минимум десятилетие.
После пяти десятилетий действия закона Мура у нас теперь есть компьютеры с размерами элементов 25 нанометров (нм). Для сравнения: с помощью 25-нанометрового пера можно нарисовать карту мира на одной пластине Intel, записав характеристики вплоть до масштаба отдельного человека. Кроме того, работая с тактовой частотой 2 гигагерца, компьютер может выполнять за секунду столько операций, сколько человек может обдумать за всю жизнь.
По мере того, как интегральные схемы уменьшались, в хранении данных происходила вторая революция: память на магнитных сердечниках, жесткие диски и флэш-память неуклонно уменьшали размер бита данных. Информация теперь вездесуща, и она мала, с размерами битов, измеряемыми десятками нанометров. Мы купаемся в цифровой информации — зеттабайтах — ежегодно добавляем на глобальную книжную полку эквивалент ста тысяч книг для каждого мужчины, женщины и ребенка на планете.
В наш век больших данных доступны терабайты информации обо всем, от последовательностей генома человека до астрофизических карт звезд и галактик.
Миниатюризация вычислений и хранения информации является наиболее важным технологическим достижением за последние полвека. А как насчет части 3 программы Фейнмана? Где наномашины? И что именно мы подразумеваем под наномашиной ?
Проще говоря, машина — это устройство, которое выполняет задачу, обычно с затратой энергии и/или информации. По этому определению компьютер — это машина; поэтому для наших целей мы сузим определение до устройства, которое работает, когда что-то физических ходов. Такая машина может быть простой, как вибрирующий трость, или сложной, как автомобиль. Чтобы быть наномашиной, она должна быть субмикронной, на самом краю того, что может быть разрешено в стандартном оптическом микроскопе.
В последнее десятилетие мы стали свидетелями критических достижений как в научных основах, так и в технологиях производства, необходимых для создания, изучения и эксплуатации наномашин.
Эти миниатюрные устройства перемещаются или вибрируют, толкают или захватывают; они записывают, исследуют и модифицируют окружающий их наномир. Прогресс был достигнут благодаря двум совершенно разным подходам, каждый из которых привносил свои собственные идеи, темы и материалы. Первый подход, который я называю подход литографа использует описанные выше методы революции в области микроэлектроники. Второй, подход хакера , направлен на присвоение молекулярного механизма жизни. Я исследую эти подходы по очереди и рассматриваю то, что происходит на стыке этих двух дисциплин. Наконец, я рассматриваю новые подходы, которые выведут наномашины на новый уровень. Моя цель состоит не в том, чтобы предложить всесторонний обзор, а в том, чтобы представить несколько моментальных снимков, которые дают представление о текущем состоянии области, а также о том, куда она может двигаться.
* * *
Если квантовая механика не потрясла вас до глубины души, значит, вы ее еще не поняли.
— Нильс Бор
В 2010 году физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создали то, что некоторые называют первой квантовой машиной: то есть машину, работа которой следует законам квантовой механики (см. рис. 1). 1 Это последний прорыв в подходе литографов к нанопроизводству. Эта технология, обычно называемая MEMS (микроэлектромеханические системы) или NEMS (наноэлектромеханические системы), использует и расширяет методы литографии, тонкопленочного осаждения и травления микроэлектронной промышленности для создания движущихся машин. Область МЭМС, уходящая своими корнями в 1980-х годов, сейчас это индустрия с оборотом 10 миллиардов долларов в год, предлагающая продукцию, начиная от акселерометров в подушках безопасности, микрофлюидных клапанов для систем «лаборатория на чипе» и крошечных зеркал для рулевого управления в проекторах. Например, iPhone 4 от Apple имеет два микрофона MEMS и трехосевой гироскоп MEMS, который определяет, когда телефон вращается.
Рисунок 1
Квантовая машина
Эта наномашина, созданная группой физиков Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, первой продемонстрировала квантовое поведение в механической системе. Источник: Аарон Д. О’Коннелл и др., «Квантовое основное состояние и однофононное управление механическим резонатором», стр. 9.0009 Природа 464 (2010): 697; используется здесь с разрешения авторов.
Область NEMS доводит этот подход до предела, используя передовую литографию для создания механических устройств с размерами, сравнимыми с размерами самых маленьких интегральных схем. Причина не просто в миниатюризации ради самой себя: правила работы наномашин могут быть принципиально иными, чем их более масштабные аналоги. В частности, возможность увидеть квантовое поведение в наноразмерных машинах дразнила и стимулировала область НЭМС уже более десяти лет. Противоречащие здравому смыслу правила квантовой механики — квантование энергий, квантовое туннелирование, нулевые флуктуации и парадокс кота Шрёдингера — проверялись на электронах и фотонах почти сто лет.
Но могут ли правила квантовой механики проявляться и в механических машинах?
Группа Калифорнийского университета в Санта-Барбаре показала, что ответ положительный. Они использовали вибрирующий наноразмерный луч, одну из самых простых возможных наномашин. По правилам квантовой механики амплитуда колебаний объекта квантуется, как и орбиты электронов в атоме. Кроме того, даже при охлаждении до абсолютного нуля положение пучка должно демонстрировать квантовые флуктуации. Ряд исследовательских групп исследовали различные геометрии резонаторов, чтобы попытаться достичь этих квантовых пределов, а также различные методы обнаружения крошечного движения луча.
Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре добились успеха, используя новый колебательный режим луча и умную схему обнаружения с использованием квантовой сверхпроводящей цепи. Им удалось охладить осциллятор до его основного состояния, прежде чем добавить один колебательный квант энергии и измерить результирующее движение.
Они даже смогли поместить устройство в квантовую суперпозицию, где оно одновременно находилось в своем основном состоянии и также колебалось, причем две возможности мешали друг другу, как мертвый и живой кот Шредингера. Журнал Science назвал этот эксперимент прорывом года в 2010 году: первая демонстрация квантового поведения в механической системе.
И что? Почему нас должны волновать квантовые машины? Первая причина — чистое любопытство, стремление показать, что физические машины также подчиняются квантовым законам. Но эти устройства также могут найти применение в области квантовой информации, где цифровые биты компьютера обрабатываются как квантовые объекты. Они также расширяют границы физических законов, проверяя макрозаконы на наноуровне и нанозаконы на макроуровне.
Например, в ряде теорий утверждается, что гравитация может по-разному действовать на маленькие объекты. Можно ли обнаружить эти эффекты в наноразмерном генераторе? Двигаясь в другом направлении, существует ли масштаб, на котором правила квантовой механики перестают работать, тем самым вынуждая пересматривать фундаментальные законы квантовой теории? Это научные дальние планы; но измерение, которое изменило бы наши представления о гравитации или квантовой механике, серьезно изменило бы наше понимание устройства Вселенной.
* * *
В течение следующих 20 лет синтетическая геномика станет стандартом для создания чего угодно.
– Крейг Вентер
Наномашины литографа, несмотря на весь их прогресс, бледнеют по сравнению с машинами жизни. Устройства MEMS в вашем iPhone не могут сравниться по сложности и изощренности с простейшей бактерией. Так как же мы далеки от создания чего-то более похожего на бактерию — скажем, наноподводной лодки, которая может путешествовать по кровотоку в поисках раковых клеток? Или, что еще лучше, как скоро у нас появится машина, которая сможет создавать копии самой себя, экспоненциально растущие, пока их не станет триллион? Мы, литографы, можем только с благоговением качать головой перед мощью биологии. Всего один простой механический компонент — например, вращающийся мотор, приводящий в движение жгутик бактерии — далеко за пределами наших возможностей. Технология на основе литографии, которая хотя бы отдаленно соответствовала возможностям жизни, появится в лучшем случае через несколько десятилетий.
Но что, если мы не хотим ждать десятилетия? Что, если мы захотим наши наноподводные лодки сейчас?
Есть короткий путь, хак, который люди использовали раньше. Прежде чем люди научились строить тракторы, они запрягали быков в плуги. У нас уже есть одна полностью функционирующая нанотехнология: жизнь. Так почему бы не взломать его? Не говоря уже о десятилетиях разработки все более сложных машин с помощью литографических процессов и обучения их совместной работе в более сложных системах; просто возьмите под контроль бактерию, как мы это сделали с домашним скотом. Это мечта синтетической биологии: взять одноклеточную жизнь, обуздать ее, перепрограммировать и контролировать ее конструкцию вплоть до последней аминокислоты.
Синтетическая биология является последним звеном в длинной цепи, протянувшейся от одомашнивания животных до изобретения земледелия, селекции животных и растений и генной инженерии. Но синтетическая биология стремится перейти на следующий уровень, хотя и в масштабе бактерии.
Цель состоит в том, чтобы узурпировать клеточные биологические машины, превратить жизнь в инженерную дисциплину. Вместо того, чтобы просто возиться, можно было бы создавать клетки таким же образом, как собирается интегральная схема, смешивая и сопоставляя моторы и метаболические пути, запрограммированные на языке ДНК. Сядьте за компьютер, наберите генетический код, нажмите кнопку и увидите, как сбывается ваша мечта о жизни.
Исследователи из Института Дж. Крейга Вентера в Мэриленде в 2010 году сделали большой шаг вперед, создав то, что они назвали первым искусственным организмом. 2 Проект был проявлением силы; это заняло более десяти лет и стоило десятки миллионов долларов. Во-первых, группа кропотливо построила геном известной бактерии с нуля, синтезируя и сшивая нити ДНК, пока они не воспроизвели все инструкции по эксплуатации клетки. Чтобы доказать право собственности, они добавили несколько генетических водяных знаков, в том числе свои имена и цитаты Джеймса Джойса («Жить, чтобы ошибаться, падать, побеждать, воссоздавать жизнь из жизни») и Ричарда Фейнмана («То, что я не могу построить, я не могу понять»), все они представлены в алфавите жизни ACGT (аденин, цитозин, гуанин и тимин).
Затем они поместили этот геном в оболочку другой бактерии, Mycoplasma mycoides, , чей собственный геном был удален. После некоторого колебания они запустили новый организм, создав то, что они назвали первой искусственной формой жизни. Хотя многие критиковали эту работу как чрезмерно разрекламированную, тем не менее, она является вехой в синтетической биологии, демонстрацией того, что возможно. Журнал Science признал его одним из занявших второе место в номинации «Прорыв года 2010», уступив квантовой машине от команды Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Для чего нужны такие искусственные формы жизни? Если верить цитате Крейга Вентера в начале этого раздела, оказывается, что мало для чего не годится для . Специалисты по синтетической биологии работают над перепрограммированием организмов, чтобы они производили все, от дешевых лекарств от малярии до биотоплива. Обещание великое, но задача намного сложнее, чем кажется. Головокружительные первые дни в этой области уступают место оценке сложности и привередливой природы биологических организмов.
У синтетических биологов есть схемы, чтобы это исправить, например, передача жизни в версию, достаточно простую для того, чтобы генетический программист мог получить полный контроль. Они разбирают простые бактерии до минимального состояния, необходимого для выживания, когда все оставшиеся части и их взаимосвязи полностью понятны.
Взлом жизни пробуждает не только надежду, но и страх. Изречение Вентера о синтетической биологии как стандарте для создания всего может также включать новые и опасные патогены. Что может помешать синтетическому биологу случайно создать опасный организм или террористу создать его сознательно? С одной стороны, опасность может быть преувеличена. Мир кишит наномашинами, пытающимися нас убить: вирусы и бактериальные инфекции оттачивали свои навыки на протяжении тысячелетий. Не так уж и просто придумать что-то действительно новое, с чем наши тела не справились бы. С другой стороны, мы знаем, что паразиты и хозяева развиваются совместно, настраивая свои реакции друг на друга в тонком танце.
Внедрение известного организма в новые условия может вызвать драматические перестройки этих экологических отношений.
* * *
Машина не изолирует человека от великих проблем природы, а еще глубже погружает его в них.
– Антуан де Сент-Экзюпери
Появляется новый класс наномашин, который сочетает в себе лучшие подходы литографа и хакера. Эти машины сочетают в себе скорость и вычислительную мощность микроэлектроники и оптики с функциональностью биологических машин. Наиболее впечатляющие примеры можно найти в области секвенирования ДНК. Обещание легко понять: геном человека состоит из трех миллиардов оснований. Что, если бы мы могли читать генетический код со скоростью современного микропроцессора? Геном можно секвенировать за секунды.
Почти все методы секвенирования следующего поколения предполагают тщательную интеграцию биологических геномных механизмов с электронными/оптическими элементами для считывания и сбора данных. Один из таких методов называется SMRT, или секвенирование одной молекулы в реальном времени; он был изобретен в Корнельском университете в 2003 году и разработан на коммерческой основе компанией Pacific Biosciences.
3 Создан нанотехнологический колодец, который ограничивает свет очень небольшим объемом, содержащим одну ДНК-полимеразу, биологическую машину, которая строит двухцепочечную ДНК. Когда полимераза добавляет новые основания к цепи ДНК, испускается характерный сигнал флуоресценции, который указывает на идентичность генетической буквы. Этот метод можно использовать в массовом параллельном режиме с одновременным мониторингом миллионов скважин. Другие подходы, находящиеся в стадии коммерческой разработки, включают электронное обнаружение ионов водорода, высвобождаемых во время синтеза, или обнаружение изменения тока, измеряемого, когда ДНК пронизывает нанопору.
Эти технологии нового поколения помогли поставить секвенирование ДНК на сверхскоростную версию закона Мура. Секвенирование первого человеческого генома стоило несколько миллиардов долларов. Еще в начале 2008 года стоимость составляла примерно 10 миллионов долларов. Теперь, четыре года спустя, стоимость приблизилась к 10 000 долларов, что примерно в тысяч раз меньше, чем в раз за четыре года! Это заметное снижение стоимости секвенирования (и постоянное снижение стоимости синтеза ДНК) переопределяет возможное, опережая закон Мура для электроники на дрожжах.
Эти гибридные органические и неорганические наномашины произвели революцию в биологических науках, превратив секвенирование генома в то, что было описано как информационный микроскоп, способный решать вопросы в различных областях, от молекулярной биологии до эволюции и экологии. Далее идет геном за 100 долларов, который, вероятно, вызовет революцию в личной геномике. Это сделало бы секвенирование всего генома таким же распространенным явлением, как знание своей группы крови. Затем лекарства и процедуры могут быть адаптированы к конкретным геномным профилям.
В последнее десятилетие появились новые виды гибридных двумерных материалов, которые сближают электронику и биологию. Эти атомарно тонкие материалы сочетают в себе многие свойства биологических и микроэлектронных материалов на одной платформе. Наиболее широко рекламируется графен, гексагональное расположение атомов углерода, которое встречается в графите карандаша. Отдельные листы графена были выделены в 2004 году, и шесть лет спустя эта работа была удостоена Нобелевской премии.
Эти листы сочетают в себе электронные и оптические свойства, которые соперничают с лучшими полупроводниками и металлами, но физически они такие же гибкие, как биологическая мембрана. Ученые, в том числе и моя группа, уже использовали их для создания наноразмерных резонаторов, аналогичных квантовым машинам, описанным выше; другие группы создали в этих мембранах нанопоры, которые можно использовать для обнаружения транслокации ДНК (рис. 2). В настоящее время досягаемость литографии останавливается примерно на 20 нм, в то время как длина нити ДНК составляет примерно 2 нм. Эти новые материалы помогают преодолеть этот разрыв: первые материалы атомного масштаба, воплощающие всю мощь революции в области микроэлектроники, но способные взаимодействовать с биологическими молекулами на их собственных условиях.
Рисунок 2
Художественное представление секвенатора ДНК с графеновыми нанопорами
ДНК, проходящая через отверстие в графеновом листе толщиной в один атом, изменяет поток ионов вокруг себя таким образом, что это можно использовать для определения ДНК.
генетическая последовательность. Изображение предоставлено лабораторией Cees Dekker в TU Delft/Tremani.
* * *
Механик должен сесть среди рычагов, винтов, клиньев, колес и т. д., как поэт среди букв алфавита, считая их выражением своих мыслей; в котором новая аранжировка передает миру новую идею.
– Роберт Фултон, 1796
Биология использует очень необычный подход к созданию частей наномашин: она складывает их из ниток. Когда рибосома образует новую часть, она сначала создает линейный одномерный биополимер аминокислоты. Этот биополимер, руководствуясь аминокислотной последовательностью, закодированной в его структуре (а иногда и с помощью других машин), сворачивается в полезные формы. Концептуально похожий подход используют практикующие древнее искусство оригами, в котором сложные трехмерные объекты возникают из складывания двумерного листа бумаги.
Нанотехнологам этот подход может многое порекомендовать. Это позволяет планарной технологии изготовления, такой как литография, или линейной технологии изготовления, такой как синтез ДНК, стать основой для построения более сложных трехмерных систем.
В области МЭМС инженеры уже некоторое время применяют методы, подобные оригами, для создания, например, массивов управляемых зеркал, которые выглядят как что-то из миниатюрной всплывающей книги. Исследовательская группа Gracias из Университета Джона Хопкинса доводит эту технику до наноразмеров, литографируя плоские детали размером 100 нм, соединенные оловянным припоем в местах соединений, которые при нагревании складывают структуру (рис. 3). 4 Моя собственная исследовательская группа пытается проделать подобные трюки с оригами, используя атомарно тонкие графеновые мембраны.
Рисунок 3
Литографическое оригами
На панели наносится рисунок с использованием многоступенчатой литографии, которая впоследствии складывается в кубы микронного размера с новыми физическими, химическими или электромагнитными свойствами. Источник: Jeong-Hyun Cho et al., «3D Nanofabrication: Nanoscale Origami for 3D Optics», Small 7 (14) (2011): 1943; используется здесь с разрешения авторов.
Хакеры также с большим успехом проникли в игру оригами. Первым в этой области выступил Нед Симан из Нью-Йоркского университета, который разработал короткие последовательности ДНК, которые складывались в интересные формы. В 2006 году Пол Ротемунд из Калифорнийского технологического института вывел ДНК-оригами на новый уровень. Он разработал алгоритмы для формирования произвольных двумерных паттернов в ДНК, от счастливых лиц до карт мира. 5 Его подход начинается с одной длинной нити ДНК «растрового сканирования», которая образует базовый образец, к которому прикрепляется ряд коротких основных нитей, чтобы скрепить структуру вместе. Сборка включает в себя смешивание всех нитей, затем нагревание и охлаждение смеси, после чего она собирается сама. Чтобы продемонстрировать технику, Ротемунд нарисовал миллиарды смайликов, создав то, что было названо «самым концентрированным счастьем, когда-либо испытанным на Земле» (см. рис. 4). Это вызвало волну исследований проектов ДНК-оригами, в том числе один проект с роботами-пауками ДНК, которые путешествуют по ландшафту ДНК-оригами.
6 Более поздняя работа исследовательской группы Черча из Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета направлена на то, чтобы использовать эту технологию в клинических целях. Черч и его коллеги создали ДНК-оригами-робота, который может пассивно нести полезную нагрузку, а затем высвобождать ее, когда на поверхности клетки встречаются определенные молекулярные сигнатуры, своего рода «умную мину», которую можно использовать для атаки раковых клеток. Возможно, это не наноразмерная подводная лодка из фантазий нанотехнологов, но это, безусловно, еще один шаг вперед.
Рисунок 4
ДНК-оригами
Последовательности ДНК можно сконструировать таким образом, чтобы они складывались в произвольные двумерные формы; здесь показано, как они создают смайлики размером 200 нм. Источник: Пол В.К. Rothemund, «Folding DNA to Create Nanoscale Shapes and Patterns», Nature 440 (2006): 297; используется с разрешения автора.
* * *
Всегда пробовал.
Когда-либо терпел неудачу. Независимо от того. Попробуйте еще раз. Снова провал. Проваливай лучше.
— Сэмюэл Беккет
Спустя пятьдесят лет после выступления Ричарда Фейнмана перед Американским физическим обществом наномашины, наконец, переходят от мечты к реальности. Молодые ученые стекаются в эту область, привлеченные обещаниями новой технологии, которая развивается семимильными шагами. В области синтетической биологии Международное соревнование по генно-инженерным машинам (iGEM), студенческое соревнование по синтетической биологии, проводится уже восьмой год, и более сотни команд соревнуются, чтобы построить самый крутой организм. Победительница конкурса 2011 года, команда Вашингтонского университета, создала штамм из E. coli , которые могут образовывать алкановые компоненты дизельного топлива. Что касается наноботов, то Национальный институт науки и технологий спонсирует соревнование Mobile Microrobotics Challenge, в котором роботы размером с пылинку соревнуются, загоняя крошечные футбольные мячи в ворота.
А как насчет конечного: скоро ли мы будем строить наномашины, которые можно было бы назвать второй формой жизни – машины, которые могут создавать копии самих себя из сырья, машины, которые могут изменяться и развиваться? Как мы будем это делать? Очевидный ответ — искать вдохновения в жизни. Но здесь мы сталкиваемся с замечательным фактом: мы не знаем, как это сделала жизнь. Жизнь — это сложная и переплетенная технология, и никто еще не понимает, как она возникла. Жизнь состоит из двух важных частей: обмена веществ и репликации. Была ли одна часть первой или они возникли вместе? Возникла ли жизнь из самовоспроизводящихся молекул РНК, или же она развила метаболизм и позже добавила молекулу, содержащую информацию? Это один из величайших нерешенных вопросов науки; его ответ может как формироваться, так и формироваться благодаря достижениям в разработке наномашин. Вспомните цитату Фейнмана: То, что я не могу построить, я не могу понять. Уроки, извлеченные в процессе создания все более сложных наномашин, почти наверняка повлияют на наше понимание происхождения жизни, и наоборот.
Еще в 1960-х годах полупроводниковая промышленность объединила разрозненные отрасли, соединив электронику с информацией/вычислениями. Сегодня они настолько тесно связаны в нашем сознании, что их трудно распутать. В настоящее время мы пересекаем аналогичный порог. Через пятьдесят лет наномашины, вероятно, будут широко распространены, а границу между литографическими и хакерскими формами будет все труднее различить. Они будут внутри нас и вне нас. Мы будем изучать их эволюцию и экологию. Я предполагаю, что мы решим загадку происхождения жизни и в процессе создадим еще несколько примеров жизни. Нам будет трудно вспомнить, что области молекулярной биологии и наномашин когда-то были отдельными дисциплинами.
КОНЕЧНЫЕ ПРИМЕЧАНИЯ
1 Аарон Д. О’Коннелл и др., «Основное квантовое состояние и однофононное управление механическим резонатором», Nature 464 (2010): 697.
2 Дэниел Г. Гибсон и др., «Создание бактериальной клетки, контролируемой химически синтезированным геномом», Science 329 (2010): 52.