Робототехническая отрасль в рамках нанотехнологичного производства в современных условиях и её роль в экономике США

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНСТИТУТ МЕЖДУНАРОДНЫХ ОТНОШЕНИЙ  МГИМО (УНИВЕРСИТЕТ) МИД РФ

 

 

Кафедра управления внешнеэкономической деятельностью

 

 

Реферат на тему:

 

Робототехническая отрасль в рамках нанотехнологичного производства в  современных условиях и её роль в экономике США       

 

           

 

 

 

 

 

         

                                                                  выполнила                                                 

                                                                              Пугачёва Марина

 

 

 

 

                         

 

Москва 2009.

Содержание.

 

Введение………………………………………………………………………….3

 

1. Перспективы развития современной робототехники в сфере нанотехнологий.................................................................……………………….7

 

2. Индустриальные возможности создания  нанотехнологичной продукции

с использованием робототехнических устройств……………………………..12

 

3. Роль робототехнической отрасли в экономике США……………………...19

 

Заключение……………………………………………………………………....23

 

Список использованной литературы…………………………………………...26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Эволюция современного общества и производства обусловила возникновение и развитие нового класса машин - роботов - и соответствующего научного направления - робототехники. Робототехника, интенсивно развивающаяся научно-техническая дисциплина, изучающая не только теорию, методы расчета и конструирования роботов, их систем и элементов, но и проблемы комплексной автоматизации производства и научных исследований с применением роботов. Следует заметить, что термин «робототехника» используется и в другом контексте, означая совокупность техники (машин, оборудования, агрегатов и др.), оснащенной робототехническими устройствами либо функционирующей совместно с роботами в едином технологическом процессе.

Вне сомнений, робототехника  представляет собой естественное логическое продолжение техники как явления. Стремление автоматизировать любой труд постепенно вытесняет человека из многих сфер его деятельности, предоставляя взамен все новые возможности для приложения усилий. Уже сейчас усилия большинства наилучших современных роботов направлены на производство других машин: станков, автомобилей, компьютеров и т.д.

Слово «робототехника»  было впервые использовано в печати Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 г. «Робототехника» базируется на слове «робот», придуманном в 1920 г. научным фантастом и Нобелевским лауреатом Карлом Чапеком для своей пьесы Р.У.Р¹. Слово «робот» происходит от чешского слово «robota», означающего «крепостной труд» или, образно, «тяжелая работа».

Ежегодный оборот на рынке робототехники составляет 5 - 6 миллиардов долларов², и эта цифра постоянно растет. По последним данным, сегодня в мире работают 6,5 млн.³ самых различных роботов - промышленных, домашних, роботов-игрушек.

Понятие робот обозначает электромеханическое, пневматическое, гидравлическое устройство, программу, либо их комбинацию, работающее без участия человека и выполняющее действия, обычно осуществляемые человеком.

Традиционное  управляемое вручную оборудование обеспечивает достаточную гибкость производства, но требует применения квалифицированного труда рабочих и имеет низкую производительность.

Эти причины  социального, экономического и технического характера, ставшие основными сдерживающими  факторами в развитии производства и дальнейшем повышении производительности труда, а также современные достижения в создании орудий производства, вычислительной техники и электроники привели к бурному развитию  робототехники — отрасли, создающей и производящей новую разновидность автоматических машин — промышленные роботы.

Промышленные  роботы оказались тем недостающим звеном, появление которого позволило решать задачи комплексной автоматизации на более высоком уровне, объединяя средства производства предприятия в единый автоматизированный комплекс.

С возникновением и развитием нанотехнологий современная промышленная робототехника находится на пороге качественного скачка, которой произведёт революцию в технологической сфере. Применение нанотехнологичной робототехники открывает принципиально новые возможности для развития экономики и общества и невообразимо расширяет сферы использования роботов.

 

Цель реферата состоит в научном обосновании коммерциализации деятельности робототехнической отрасли в рамках создания нанотехнологичной продукции, а также, выявление особенностей и основных направлений развития данной отрасли, определение условий и исследование ресурсов и перспектив  инновационной диверсификации экономики США на основе применения нанотехнологичной робототехники, выявление проблемных вопросов и перспективных задач ускоренного развития современной  наноиндустрии.

 

Для достижения вышеуказанной  цели были поставлены и решались следующие задачи:

 

- оценить стартовые  позиции и ресурсы реформирования  современной робототехнической  отрасли

- показать, что сфера нанотехнологичной робототехники является одной из важнейших отраслей, которая может способствовать ускоренному инновационному развитию мировой экономики и современного общества. Разработка и применение нанотехнологий в сфере робототехники позволят создать принципиально новый технологический базис для инновационного развития мировой экономики в целом и в частности экономики США.

-изучить и проанализировать существующую на сегодняшний день технологическую основу наноиндустрии и робототехники, определить уже существующие и наметить возможные предпосылки дальнейшего развития этих инновационных отраслей

 

- определить цели, ресурсы  развития и перспективные направления  наноиндустрии, показать эффективность  внедрения нанотехнологичной робототехники в народное хозяйство

 

Предметом реферата является процесс повышения технического уровня в производственной и хозяйственной сферах, практические подходы к оценке экономического потенциала нанотехнологичной робототехники, эффективности её использования, а также управления этим потенциалом в современных условиях.

 

Объект реферата ¾ нанотехнологичная робототехника и её роль в процессах инновационного развития  экономики и современного общества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Перспективы развития современной робототехники в сфере нанотехнологий.

 

Понятие «нанотехнологии» в 1974 году придумал японец Норё Танигути для описания процесса построения новых  объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Нанотехнологии имеют дело с объектами  в одну миллиардную часть метра, то есть размером с атом. Первые технические средства в этой области были изобретены в швейцарских лабораториях IBM.

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологии и ростом инвестиций в неё. И это  вполне понятно, учитывая, что нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят качество жизни населения, технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии. Они имеют долговременный характер, а их финансирование осуществляется за счет средств, выделяемых как из государственных источников, так и из других фондов.

В США одобрена и действует  с 2000 года программа развития нанотехнологических исследований – «Национальная Нанотехнологическая Инициатива». В течение 2001-2005 г.г. расходы на эту программу только со стороны государства превысили 4 млрд. долларов, а число ученых превысило 100 000 человек, причём частные инвестиции в нанотехнологии примерно в 10 раз превысили правительственные⁴. В Японии с 1999 года действует японская «Национальная программа работ по нанотехнологиям». В Китае пятилетний план 2001 - 2005 включал выделение 300 млн. долларов, и, позволил выйти на мировой уровень разработок.⁵ В Европейском Союзе программа развития нанотехнологий включает множество проектов, направленных на установление лидирующих позиций на ряде критических направлений, начиная с разработки микроантенн и микроустройств, и заканчивая разработкой микророботов, способных восстанавливать больные человеческие органы. В 2007 год на тематическое направление «Нанонаука, наноматериалы и новые технологии» в ЕС было выделено 3,5 миллиарда евро. ⁶

Общемировые затраты на нанотехнологические проекты в настоящее время  превышают 9 млрд. долларов в год.⁷ По прогнозам к 2015 году объем продаж российской продукции наноиндустрии составит около 900 миллиардов рублей. Российская доля в этом сегменте мирового рынка достигнет 3% , очевидно, что доля недостаточно велика. А между тем нанотехнологии – это стратегическое направление, которое позволяет находиться в ряду государств-лидеров. ⁸

Многие  развитые страны сейчас применяют нанотехнологии в производстве как минимум 80 групп  потребительских товаров, свыше 600 видов сырья, комплектующих изделий и промышленного оборудования. По мнению Риты Колвелл, директора Национального научного фонда (США): «Нанотехнологии – это ворота, открывающиеся в иной мир».

Однако, общепризнанного мнения о том, в  каком именно направлении будут эволюционировать нанотехнологии, пока не существует. Равно как не существует и классификации нанотехнологий.

Одна  из важнейших мировых проблем  сегодня – глобальное старение населения  планеты. По данным ООН, уже в ближайшие  десятилетия люди старше 60 лет составят половину взрослого населения Земли; впрочем, уже сейчас этот показатель – около 10%. В связи с этим возникает проблема, нехватки трудоспособного населения и его вклада в развитие экономик своих стран. Так, в Японии одной из первостепенных государственных задач стало развитие робототехники, призванной заполнить некоторые производственные ниши, где не хватает кадров. В этом ключе одной из важнейших становится тема развития нанотехнологий в области наномедицины и наноробототехники.

Одним из самых многообещающих и вполне реальных применений нанотехнологий могут оказаться нанороботы (или наноботы) - устройства размером в десятки нанометров, которые самостоятельно манипулируют атомами.  Нанороботов разделяют на два вида:

• ассемблеры, способные конструировать и самовоспроизводиться,
• дизассемблеры, способные разбирать.

Исследователи ведущих лабораторий мира сообщают, что значительно продвинулись в  создании нанороботов. Не исключено, что  первой областью, где найдут применения таланты нанороботов, станет медицина. Наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе. На этом пути наноробот сможет исправить характеристики тканей и клеток, очистить организм от микробов и молодых раковых клеток, от отложений, к примеру, холестерина. Вооружившись нанотехнологиями, ученые уже подступаются к гемофилии, болезни Альцгеймера, врожденным патологиям.

Среди самых  распространенных наноустройств на сегодняшний день - нанотрубки. Они  играют различные роли: от молекулярных фильтров, действующих как обычные сита, и до трехмерных шестеренок, без которых трудно представить себе какой-либо механизм. В нанобиотехнологическом центре университета Корнела (США), например, создали гитару длиной в 10 микрон, то есть размером с красную кровяную частицу. На ней даже можно играть, возбуждая колебания в струнах лазерным лучом.

Ученые из Дании  смогли построить на основе нанотрубок нанотранзистор, переключающийся всего  лишь одним электроном. А это серьезный  шаг к созданию первого молекулярного компьютера.

Сотрудники Нью-Йоркского университета впервые в мире создали прямоходящего двуногого наноробота. В качестве исходного материала учёные использовали мелкие фрагменты двухцепочечных и одноцепочечных молекул ДНК.

Кремниевый  микроробот величиной в половину диаметра человеческого волоса, снабженный ножками из живой сердечной мышцы, был создан в лаборатории Лос-Анджелеса. Это первый случай, когда удалось использовать мускульные усилия для движения микромеханического устройства. Теперь предполагается спроектировать работающий на мускульной энергии микромеханизм, который сможет искать и латать пробоины от микрометеоритов на космических кораблях.

Также  был  создан первый наноробот, умеющий играть в шахматы. Робот отличает белые фигуры от черных за счет их магнитных свойств. При приложении внешнего поля робот случайно выбирает одну из фигур своего цвета (белого) и передвигает ее на несколько клеток. Пока робот не умеет различать разные виды фигур и выбирать траекторию движения в зависимости от этого, однако это сейчас уже является предметом исследования ученых. За черные пока приходится играть человеку. Он же решает и исход поединка. На данный момент этот робот имеет реальные шансы стать прототипом первого думающего наноустройства.

Учёные и медики связывают большие надежды с исцелением больных при помощи гипотетических наноботов, способных доставлять лекарства к строго заданной цели или выполнять некие осмысленные действия в потоке крови. И здесь один из ключевых вопросов - контроль над столь крошечными молекулярными машинами.

Нанотехнологии, манипулирование деталями и сборка крошечных приборов, размер которых  часто не превышает размера группы молекул, - прекрасная сфера для применения промышленных роботов. Вследствие того факта, что приходится работать с объектами такой маленькой величины – их длина не превышает миллиардной части метра, - которые люди не могут ни увидеть, ни собрать из них, что бы то ни было, основным способом работы с подобными объектами становятся роботы.

Большинство деталей, производимых людьми с целью последующей сборки, не могут быть меньше размера, который позволит специалистам с хорошим зрением и уверенными руками взять их подходящим пинцетом. Любые объекты меньше этого размера требуют наличия мощного, гибкого инструмента, каковым и является робототехника.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Индустриальные возможности создания  нанотехнологичной продукции с использованием робототехнических устройств.

Роботы для нанотехнологий позволяют производить продукцию  для нескольких типов деталей  и датчиков. Робототехника используются в широком круге процессов для позиционирования объектов наноразмеров, в том числе при сборке волоконно-оптических компонентов. Роботы также используются при сборке, тестировании и осмотре полупроводников - производства нанотехнологической продукции. Кроме того, нанотехнологичные роботы применяются для обработки фармацевтических анализов высокой плотности.

В сфере нанотехнологий существует несколько направлений применения робототехники. Роботизированные нано-манипуляторы интегрируют в растровые электронные микроскопы высокой мощности. На рынке интегральных микросхем их используют для проведения исследований. Большинство основных производителей полупроводников в настоящее время имеют в своем распоряжении такие инструменты для измерения конкретных транзисторов в разных местах микросхемы. Нанотехнологичные роботы используются для управления контактами длиной всего 100 нанометров, ведь размер этих контактов становятся все меньше и меньше. Исполнительные механизмы робота могут установить тонко вытравленные вольфрамовые пробы на металлические контакты с целью получить хороший электрический контакт.

Еще одним возможным  применением робототехники в  нано-манипулировании или сборке является схватывание и размещение датчиков для построения оптических систем, таких как спектрометры.

Как правило, масс-спектрометры представляют собой крупные и  очень дорогие лабораторные измерительные  приборы. Благодаря подходу наносборки, высокоточные роботы строят уменьшенные  масс-спектрометры. Небольшие масс-спектрометры установлены в аэропортах в целях обеспечения безопасности. Благодаря этому  процедура сканирования багажа становиться более быстрой и эффективной. Служба безопасности авиакомпаний обрабатывает багаж специальной полотняной щеткой. Щетка анализируется масс-спектрометром, который осуществляет поиск взрывчатых веществ или биологического оружия. Обычные масс-спектрометры слишком велики для установки в аэропортах. Робототехника с нанотехнологическими возможностями дает возможность производить уменьшенные модели.

Производство  полупроводников и другой небольшой  по размерам электроники было бы невозможным  без применения робототехники, которая  способна работать в наномасштабах. При работе с небольшими объектами роботы могут оперировать в трех различных масштабах: мини, микро и нано.

Другие микроскопические электромеханические устройства, которые  производятся с помощью робототехники, используются для медицинских приложений, таких как ангиопластика (пластические операции на сосудах). Происходит сокращение объема хирургических инструментов, необходимых, например, для чистки тромбоцитов в венах и артериях. На конец катетера помещаются наноразмерные двигатели, которые проходят через вены, чтобы вычистить тромбоциты. Среди прочих медицинских применений микроскопических механических устройств можно назвать камеру, которая помещается внутрь таблетки и проглатывается человеком, обеспечивая внутренний обзор пищеварительного тракта. Эта крошечная камера способствует проведению исследования кишечника, благодаря чему врачи не вынуждены прибегать к хирургии или инвазивным техникам, таким как эндоскопы, прикрепленные к кабелю.

Также можно отметить зонды  для манипулирования объектами наноразмеров. Это уменьшенная модель того, что часто выполняют классические роботы. Роботы собирают и передвигают объекты с помощью зондов. Существует лазерный пинцет, где два лазера направлены на жидкость, и они оказывают воздействие на поверхностное напряжение жидкости, которая охватывает или управляет клетками - это и есть уменьшенное в масштабе роботизированное манипулирование на нано-уровне.

Так как единицы, которыми манипулируют нанороботы, так бесконечно малы, типичные параметры производственных ячеек отличаются. Успешная реализация роботизированного решения в  нанотехнологических приложениях ставит перед системными интеграторами набор задач, о которых должны помнить интеграторы и конечные пользователи нанотехнологичной робототехники при реализации таких систем:

• получение нужной точности, которая технически достижима
• получение нужного форм-фактора, для достижения конкретных движений в наносреде.

Эти задачи решаются с помощью тех же технологий, которые применяются в системах с микроэлектромеханическими  системами - МЭМС.

В течение последних 5-10 лет в индустриально развитых странах мира произошел резкий скачок в области научно-технического прогресса. Причиной тому послужила очередная научно-техническая революция, приведшая к появлению МЭМС – микроэлектромеханических систем.⁹ Направление развития микроэлектромеханики, называемое МЭМС, в современной русскоязычной научной литературе часто именуется целым набором слов-синонимов: мехатроника, микротехника, микромеханика, микроэлектромеханика, микроприборостроение, микротроника.

Новые технологии разработки и промышленного  производства микроэлектромеханических систем являются развитием планарных технологических процессов, уже давно используемых при изготовлении образцов микросхемотехники. В основе развития и практического применения технологий МЭМС лежат чисто экономические факторы. Известно, что массовое производство микросхем чрезвычайно дешево.

В то же время классические промышленные технологии (механообработка, литье, технология пластмасс и др.), используемые при изготовлении традиционных электромеханических устройств, характеризуются резким увеличением себестоимости производства по мере снижения линейных размеров (и роста точности изготовления) деталей механических систем. Этим и обусловлены попытки изготовления, как отдельных деталей механической части, так и всего изделия в целом в едином технологическом производственном процессе, что при массовом производстве низводит себестоимость всего электромеханического блока практически к нулю. Кроме того, результирующее изделие получается функционально полным с микрометровыми размерами и с минимальным энергопотреблением.

В рамках технологий МЭМС может использоваться множество  различных конструкционных материалов. Детали микромашин могут быть выполнены из керамики, полимеров, даже из ферромагнетиков.

Именно технологии МЭМС являются в настоящее время тем  технологическим базисом, на котором строится вся зарубежная микро- и мини-робототехника.

Многие эксперты склонны  отсчитывать историю микротехнологий  от знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году перед Американским физическим обществом. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты и правительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработана технология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографии и инструментарий полупроводниковой промышленности.

 Фактически, понадобилось  больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческое  приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал.

В конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Сандиа под названием SUMMiT V¹⁰. Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния - четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.

 Опыт, накопленный  разработчиками Сандиа в миниатюризации  электромеханических систем, помог  создать и весьма эффектных микроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модель автономного робота MARV¹¹ имела объем около 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имела полимерный каркас, шесть колес, два электромотора, процессор с памятью 8 Кбайт, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов.

Исследования и разработки в области микроробототехнических систем ведутся сейчас практически во всех развитых странах мира. Наиболее интенсивный характер этих работ применительно к направлению военной робототехники наблюдается в США по линии Проектного агентства перспективных оборонных исследований ДАРПА¹². ДАРПА является головной исследовательской и разрабатывающей организацией Министерства обороны США. Это агентство определяет направления и контролирует ход выполнения фундаментальных и прикладных исследований в интересах Министерства обороны США, занимается исследованиями и технологиями, где высоки риск и непредсказуемость результата, но при этом успех может обеспечить качественный скачок в областях решения традиционных военных задач и приложений двойного назначения.

Среди крупномасштабных разработчиков MEMS – фирма Intel, известная своими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии они объясняют стремлением разработать интегрированные «всё-в-одном» микросхемы. Уже сегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера. Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическими микропереключателями MEMS позволяет  на порядок уменьшить геометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение, внутренние флуктуационные эффекты и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Роль робототехнической отрасли в экономике США.

В США, обрабатывающий сектор обеспечивает около 14% ВВП и обеспечивает примерно 11% занятости трудоспособного населения. Порядка 75% чистого экспорта США составляет промышленная продукция.¹³ В обрабатывающей промышленности, автоматизация технологических процессов, связанная с технологиями робототехники, исторически произошла в автомобильном секторе экономики, где конкурентоспособность определяется ценой автомобиля и необходимостью для автоматизации конкретных технологических операций в условиях массового производства продукции. Однако новая экономика гораздо меньше сосредоточена на массовом производстве, но в большей степени концентрируется на производстве заказной продукции.

В условиях мирового кризиса, бизнес-модели таких крупных компаний, как General Motors, Chrysler и Ford практически себя изжили. И особенно актуальна стала проблема выживания и развития малых и средних компаний, которые имеют более высокую степень адаптации к быстро изменяющимся условиям рынка. Таким компаниям становится все труднее конкурировать с компаниями третьих стран, где производится аналогичная продукция с использованием примерно тех же технологий, но с меньшими затратами на заработную плату. Разработка и широкое внедрение нового поколения технологий робототехники и привлечение более квалифицированных специалистов поможет США оставаться лидером в производстве промышленной продукции, обеспечить глобальную конкурентоспособность их промышленной базы и обеспечить их национальную безопасность.

Эффективность процессов  логистики важна для большинства  аспектов повседневной жизни: от доставки почты до наличия продовольствия в продуктовых магазинах. В настоящее  время в США, ежедневный импорт превышает 100000 контейнеров в день. Содержимое этого огромного количества контейнеров должно быть оперативно обработано и доставлено клиентам. Робототехнические технологии уже были использованы для автоматизации обработки контейнеров в портах Австралии и  других стран и имеют потенциал для улучшения процесса хранения и транспортировки грузов. После того, как товары покидают завод или фабрику, их движение, как правило, предполагает множество этапов. Например, для распределения продовольствия от фермеров в продуктовые магазины требуется выполнить несколько операций погрузки-разгрузки и перевозки. Хотя значительная часть цены на продукты питания непосредственно связана с транспортными расходами и расходами на хранение, процесс хранения и распределения продукции автоматизирован менее чем на 15%. Следующее поколение робототехники будет способно оптимизировать процессы логистики, что позволит снизить цены на продукты питания и другие товары на несколько процентов. В мировом масштабе это очень существенная экономия финансовых ресурсов. Однако необходимо разработать новые робототехнические способы обнаружения, захвата и манипулирования разнообразными объектами.