Методика обучения

Задача обучения — научить пользователя чувствовать себя в науке и технике так же уверенно, как рыба в воде. В книжках этому не научиться: открывать науку и изобретать технику придется самому. Эксперимент, размышление, гипотеза, изобретение - и снова эксперимент. Так делали основатели наук и отраслей промышленности. Так следует делать и каждому ученику, опираясь на мощь компьютеров и технологических платформ. Интерактивный курс позволит не только познакомиться с самыми разными областями науки и техники, но, что важнее, прочувствовать на собственном опыте их взаимосвязь.

Идеальным обучением с точки зрения развития навыков ученого и изобретателя являлось бы собственноручное открытие и изобретение всех достижений цивилизации, без посторонней помощи. Но у человека нет столько человеко-часов, сколько ушло на это в истории. Поэтому курс помогает обучаемому постановкой открытых задач, проводя его короткими и интересными путями по ключевым научным и техническим достижениям с нуля и до переднего края. Наблюдая многократную, разнообразную и плодотворную постановку задач, человек не спасует перед самостоятельной постановкой задач в той области, которую выберет для своих разработок.

Свобода постановки задачи, присущая реальному исследованию, в учебном исследовании реализуется свободой выбора задачи. Ведь массив даже очень важных знаний человечества, как его ни сворачивай, нельзя полностью изучить и за всю жизнь. Даже если жизнь будет бесконечно долгой, этот массив за счет общих усилий (осбоенно в науко-ориентированном государстве) будет прирастать быстрее, чем осваиваться. Это придает выбору драматизм: ученик понимает, что выбирая определенную ветку познания, он прощается с другими ветками навсегда.

Это не только приучает к ответственному выбору и соизмерению его с целью и смыслом своей жизни, но и разжигает любопытство (ведь пренебреженные ветки тоже интересны, полезны и разработаны лучшими знатоками своей области). Это становится основой сознательного менеджмента личного времени и научных интересов, а также создает мотивацию для участия в разработках, направленных на форсирование обучения, повышение продолжительности жизни и быстродействия человеческого интеллекта.

Решение научных и изобретательских задач, от зажигания лампочки до получения масс-спектров требует постоянного конструирования, изготовления, программирования и испытания экспериментальных установок. С этой точки зрения важен такой порядок изучения тем, чтобы одни установки могли служить для изготовления или настройки следующих, и от минимального комплекта ученик плавно прошел к хорошо оснащенной мастерской-лаборатории.

При наличии даже начальной технологической платформы эта задача решается просто. В период, предшествущий ее появлению в качестве стартовой базы можно использовать подручные средства, кубики LEGO, стандартные радиодетали и некоторые специальные детали. На их базе, следуя логике курса ученик собирает, например, маленький координатный фрезерный ЧПУ станок, термопластавтомат, электрохимическую и электроэрозионную установки. На этой базе он строит индукционную печь, гидроабразивную резку, CO2-лазер, плазменную резку и сварку, химические приборы, параллельно «открывая» ключевые научные знания в ходе решения задач. И так далее, пока не соберет полный набор оборудования мастерской.

При небольшом объеме и стоимости такая «саморазвивающаяся лаборатория» призвана обеспечить каждого желающего богатыми технологическими и научными возможностями, от классических (резание, сварка, литье) до самых передовых (вакуумное напыление, литография, зондовая микроскопия и т.п.).

(продолжение 👇)

(продолжение. начало 👆)

Так человек строит или приобретает ядро платформы, а на нем делает периферию, и тем самым получает пусть не очень производительную но весьма универсальную производственную базу, что и требуется для верификации изобретательских решений, и создания единичных образцов новой техники. Этот процесс может быть даже как-то согласован с обзаведением собственным жильем и хозяйством.

Большой объем знаний, большой объем тяжелой, «силовой» мозговой работы, связанный с обучением в таком режиме требует глубокого увлечения ученика. При прочих равных, степень увлечения связана с реальностью и актуальностью осваиваемых знаний. Поэтому всё изучается экспериментально, для чего могут быть разработаны специальные быстрособираемые универсальные конструкторы и лабораторные контроллеры. Все подвергается сомнению и обсуждается, никаких догм. Все практично и актуально — ни одного бесполезного знания или бессмысленной задачи.

Все целенаправленно — всегда понятно, какую мы решаем задачу, для чего нужно то или иное, как оно связано с общественными целями. Все опирается одно на другое, все идет из самых основ, не допускается никаких упований на предшествующий опыт и знания ученика за пределами начальной школы. Все во взаимосвязи с историей, сегодняшним моментом и перспективами будущего. Каждый пройденный учеником кластер курса «прокачивает» не только его знания и опыт, но и оснащенность домашней лаборатории.

Лаборатория включает в себя и вычислительные мощности, а также программное обеспечение для решения научных и технических задач, который растет вместе с человеком — снаала оно просто но постепенно каждый метод и прием становится доступным по мере ознакомления с ним применительно к решению той или иной задачи.

Принципы построения онлайн-курса

При обычном подходе к обучению заранее объясняется суть опыта и даются теоретические знания, большей частью не связанные с опытом и не выводимые из него. В нашем курсе каждый теоретический момент дается только в результате опыта или соответствующего рассуждения, подкрепленного интерактивным диалогом. Опыты разрабатываются специально в интересах последовательного вывода теоретических положений из них самим обучаемым.

Известно, что последовательность изучения разделов какой-либо науки может быть жёстко линейной (задана учебником) или хаотической (по интересам ученика). У обоих подходов есть преимущества, так и недостатки. В курсе нет линейного детерминизма заданий – ученик сам выбирает, что делать и когда. Однако, последовательность есть, поскольку программа-навигатор непрерывно корректирует индивидуальный маршрут обучения, учитывая, для каких заданий у ученика достаточно знаний и опыта, а для каких - ещё нет. Для этого была разработана оригинальная система классификации и машинного представления научно-технических знаний и взаимосвязей между ними.

Изучение большого массива книг простых опытов показало, что они повторяют друг друга процентов на 90 с XIX века. Медленно меняются подручные средства, пластик вытесняет дерево, fun вытесняет поиск взаимосвязей и первооснов. Где простой интерферометр на лазерной указке? Где туннельный эффект "на коленке"? Где доказательство того, что ток - это движение именно отрицательных частиц? То что можно было сделать при помощи книг, было на высоком уровне выполнено в прошлом веке, практически по каждой предметной области. Есть множество интернет-страничек и видеороликов с описанием замечательных эксперимеңтов . Но в разрозненном виде это не приносит той пользы, которую могло бы принести, будучи творчески объединено в систему.

Наступило время интеграции разрозненных наук и технологий. Задача сегодняшнего дня - выстроить из опытов сеть, где материальные и познавательные результаты одних опытов дают возможность приступить к следующим. Сейчас популярно наоборот, "клиповое мышление" - но от него проку в науке и технике - крайне мало. Классики популярной наукки проделывали большой труд, выстраивая именно цепочки поделок и знаний. То же самое нужно сделать на "более широком фронте", захватив туда физику, химию, информатику, механику, математику. Малыши, конечно, системность не оценят, они вполне оценят понятность и доступность следующей поделки после предыдущей. Системность когда есть, про нее не вспоминается.

Каждой поделке, опыту или даже лекции могут быть поставлены в соответствие некие ресурсы, необходимые для ее успешного освоения и некие ресурсы, которые при этом приобретаются (знания, умения, материалы может быть какие-то, инструменты и пр.). Имея таблицу такого рода связей компьютеру ничего не стоит проложить плавный (и кратчайший) маршрут от одного набора ресурсов к другому. Допустим, умеет человек пилить, а хочет сделать квадрокоптер - у него будет своя цепочка. А другой умеет паять, а хочет научиться делать линзы. У него будет цепочка своя. Именно в такой сети есть место для многих вариантов достижения одного и того же разными способами - они не захламляют базу, а предоставляют больше возможностей для оптимизации разных траекторий. Можно добавить рейтинги материалов и потом искать путь уже с учетом "рельефа многомерного образовательного пространства".

Основная сложность в разработке такого онлайн-курса состоит в декомпозиции единого пространства научно-технических знаний на минимально связные между собой области. Это необходимо для выбора оптимального порядка подачи учебных материалов, при котором они были бы наиболее понятны. Для этого задания группируются в кластеры, а знания - в темы. Можно разделить все кластеры на тематические (где изучается научное знание) и методические (обеспечивают другие кластеры методологией).

Такая интерактивная система была реализована в 2010-х в экспериментальном онлайн-курсе на примере кластера заданий «Закон Ома»

Структура курса

Кластеры соответствуют более-менее обособленным областям знания, поэтому по каждому из них удалось собрать десятки-сотни книг и статей. В существующих учебниках по темам кластеров знания уже выстроены более-менее линейно их авторами, и часто они могут быть взяты за основу структуры кластера. У каждого кластера есть точки входа и выхода. В точку выхода человек попадает, пройдя ключевые знания кластера, которые можно считать достаточными для понимания других кластеров, со входными точками которых соединена эта выходная точка. Будут ли эти точки задачами или знаниями — вроде бы не существенно, лишь бы однообразно и удобно.

Этот прием позволяет вычленить в кластере ядро — маршрут (обычно разветвленный), соединяющий входную и выходную точки, а также ореол - совокупность ответвлений скелета, не обязательных для прохождения кластера (попадания в выходную точку), но, например, интересных и полезных.

Важно чтобы кластеры были автономны, то есть для перехода от входной к выходной точке не требовалось знаний извне кластера. Поэтому он должен быть построен так, чтобы для его прохождения было достаточно знаний из кластеров, сходящихся во входную точку. Возможно и уместно сосуществование альтернативных кластеров и групп кластеров. Например, кластеры по радиоволнам: опирающийся на акустическую аналогию и не опирающийся. Или кластеры по цифровой технике с альтернативными подходами: от транзистора к процессору и наоборот. Чем больше будет таких альтернатив, тем большему числу людей с разным восприятием будет комфортнее учиться.

Межкластерные связи допускаются, но они не должны быть императивны. То есть, предположим, кластер «Акустика» содержит знание о резонансе. И в другом кластере, «Механика» есть задача, обучающая этому знанию. Нам надо включить в кластер «Акустика» хотя бы один путь к этому знанию не зависящий от сторонних кластеров. Тогда те кто приступил к «акустике» раньше «механики» смогут двигаться вперед, а те кто прошел уже «механику» смогут, вероятно, «срезать путь» за счет предварительного обладания этим знанием.

Ядром курса является автоматизированный эксперимент (с помощью компьютера, микроконтроллера и умных интерфейсов с физическим миром). Он позволяет воспроизвести и изучать огромное множество явлений природы. Предшествующие автоматизированному эксперименту тематические кластеры образует четыре тематических ветви: электричество, магнетизм, геометрия+механика, физическая химия.

Каждая ветвь состоит из четырех последовательно идущих кластеров, рассматривающих предметную область ветви на более высоких методических уровнях: качественном, количественном, компьютерного моделирования и автоматизированного эксперимента. Задания, направленные на освоение этих методических уровней сгруппированы в методические кластеры: Методология науки и техники, Математика, Моделирование, Автоматизированный эксперимент, Энергия и мощность, Теория колебаний и волн.

Постепенно от тематических кластеров отпочковываются новые: Химико-электрическая интеграция, Электромагнетизм, Квантовая оптика, Высокое напряжение, Акустика, Химия, Электрохимия, Нейро и ИИ и другие. После автоматизированного эксперимента становятся постепенно доступны последние кластеры курса: ЭМ волны, Квантовая механика, Полупроводники, Микро, Нано, Биология, Химия серьезная, Ядерная физика. Их методически обеспечивает кластер "Сложность и нелинейность".

Общий граф взаимосвязи знаний и заданий разбивается на тематические кластеры. Долгое изучение литературы привело к формированию нескольких сот тематических кластеров такой степени общности, как, например, “Ультразвук”, “Белки”, «Ускорители». В кластер входят знания не только о самих явлениях, но и о способах их получения и применения, исторических аспектах и т. п.

Общая последовательность освоения знаний

Попадание во входные точки некоторых кластеров требует предварительного прохождения многих других, а некоторые кластеры окажутся доступны с самого начала. Таковы классические разделы естественных наук: «Электричество», «Магнетизм», «Оптика», «Биология», «Жидкости и газы», «Тепловые явления», «Вещество», «Конструирование», «Технология», «Методология НИОКР и ТРИЗ», «Математика», «Программирование», «Науки о Земле», «Астрономия», «Геометрия и механика», «Время и частота».

«Электричество», «математика» и «программирование» позволяют ученику измерять и задавать постоянные токи и напряжения, задавать между ними программные связи, преобразовывать электрические сигналы, строить базовые системы на базе ПК, микроконтроллеров, модульных макетных плат и лабораторных контроллеров, а также количественные математические модели. Здесь выводятся законы Ома и Кирхгофа и их обобщения. Это является основой для экспериментального и теоретического изучения всех кластеров.

«Геометрия и механика» изучаются на базе решения различных технических задач, конструирования автоматических устройств и роботов. Это достигается при помощи компактных электромоторов с I2C интерфейсом и обратной связью по положению и крутящему моменту. При этом всесторонне изучается ньютоновская физика, техническая механика, CAD (FreeCAD) понятия массы и гравитации, вращения, инерции и центробежной силы, тригонометрия, разнообразные технические приемы и конструкции. Экспериментальные установки выполняются с элементами как конструкторов, так и специальных деталей, изготовляемых простейшими ручными инструментами: бормашиной, 3D-ручкой, паяльником, горелкой.

В развитие этих тем ученик строит и программирует координатные машины, пишет CAM программы и устанавливает бормашину и 3D ручку на собственноручно построенные ЧПУ фрезерный станок и 3D принтер, попутно знакомясь с характерными для этих машин задачами и их решениями. Здесь же изготавливаются настольные токарный, сверлильный и т подобные станки и приспособления, открывая доступ к соответствующим кластерам: «токарное дело», «фрезерование», «сверление», «2D-печать» и «3D-печать» где уже подробно изучаются секреты соответствующих технологий и строятся серьезные станки, инструмент и оснастка к ним.

Отсюда стартуют и кластеры «Метрология», «Упругость и тензометрия», «Материаловедение», «Давление в механике», «Теоретическая механика», «Шлифование и полирование и абразивы», «Механика гибких систем», «Клеи, композиты и эпоксиды», «Деревообработка», «Ручной инструмент», «Надежность», «Дизайн в технике». На определенном этапе ученик строит «Большой координатный станок» с рабочей зоной порядка метра и автоматической сменой инструментов для разнообразных видов обработки. Тогда его возможности по изготовлению деталей заданной формы из разных материалов приближаются к заводским.

«Жидкости и газы» от наблюдений проводят ученик к количественным моделям, поверяемым системами датчиков. Здесь затрагивается широкий круг явлений гидравлики и пневматики, сила Архимеда, фазовые переходы, вихри, и т. п. Постепенно открывается доступ к кластерам «Газовые законы», «Вакуум», «Вязкость», «Поверхностное натяжение и капиллярность», «Абсорбция».

Изучение тепловых явлений постепенно становится количественным благодаря датчикам температуры, механизмам и электронагревателям (закон Джоуля-Ленца, механический эквивалент теплоты, электрогидравлический эффект). В попытках построения разного рода вечных двигателей выводятся законы сохранения энергии и начала термодинамики. Становятся доступными кластеры «Трение», «Энергетика», «Паровая техника», «Контактная сварка», «Литье пластмасс», «Электрическая дуга и сварка», «Электроискровая обработка», «Холод», а после него - «Криогеника», «Сверхнизкие температуры», «Сверхпроводимость», «Сверхтекучесть».

Электрохимическая и электроэрозионная обработка позволяют изготавливать прочные детали из толстых кусков металла, позволяя проводить (в малых масштабах) опыты из кластера «Высокое давление» и освоить такую полезную вещь как «Гидроабразивная резка».

(продолжение 👇)

(продолжение. начало 👆)

После постоянного тока становится доступным «Конденсатор». Конструирование конденсаторов является хорошим поводом для выхода за пределы парадигмы Ома (близкодействующих зарядов в проводниках) в мир дальнодействующих сил Кулона — кластер «электростатических явлений, высокого напряжения, диэлектрических свойств» и тому подобного. Для этого служит лабораторный программируемый источник высокого напряжения.

После «Геометрии и механики» можно поставить много интересных опытов, например программируемый переменный конденсатор для высокого напряжения (емкость изменяется мотором) или просканировать зондом на ЧПУ станке электрическое поле вокруг заряженной проводящей фигурки — и построить его трехмерную модель — и сличить ее с моделью, полученной теоретически на основе идей ученика. Или снять ВАХ сегнетоэлектриков и различных самодельных полевых транзисторов.

«Высокое напряжение» и «Вакуум» открывают путь к опытам с электронными и ионными лучами, кластерам «Электроны», «Ионы», «Рентген», «Разряды», «Плазма», «Высокие температуры», «CVD», «PVD». Эти опыты особенно обогащаются после прохождения кластеров «Магнетизм» и «ВЧ схемотехника». Становятся доступными самодельные «Полупроводники», «Термо- и контактное электричество», «Лазеры», «Наноматериалы».

«Магнетизм» начинается с простых опытов Гильберта и идет насколько это возможно независимо от электричества. Так же как и в электростатике здесь уместны опыты с цифровым механическим перемещением и вращением магнитом и построением отсюда теории магнетизма через компьютерную обработку данных. В какой-то момент кластеры электричества и магнетизма дают возможность перейти в кластер «электромагнетизм» - в мир электромагнитов, реле, электромоторов, генераторов и датчиков, индукции и взаимодействия токов, электродинамики Вебера и Ампера. Отсюда уходит тропинка в кластеры «магнитные свойства вещества» и «природа магнетизма», а также, конечно — в «электродинамику Максвелла».

Кластер «Время и частота» посвящен конструированию разных часов, таймеров и изучению время-зависимых процессов. Вместе с «Геометрией и механикой» он открывает путь к кластерам «Вибрация», «Колебания», «Волны», важным для понимания электромагнитных и акустических явлений («Акустика», «Пьезоэлектроника», «Ультразвук»).

«Строение вещества» также плавно переводит ученика от качественного к количественному изучению природы окружающей материи. В этом помогает электрохимия (электролиз, законы Фарадея, теория Дальтона, электрохимическая размерная обработка, гальванопластика, гальванические покрытия, химические аккумуляторы и источники тока, уравнение Нернста) и классические наблюдения и опыты, формировавшие теорию атомизма и Периодическую систему. Становятся доступны «Физика твердого тела», «Кристаллы», «Производство материалов», «Минералы, руды, их идентификация и переработка», «Физическая химия», «Растворы», «Коллоидная химия», «Стеклодувное дело», «Электрофорез», «Адгезия», «Хроматография», «Химическое осаждение», «Покрытия», «Природа метеоритов».

Важно чтобы ученик самостоятельно получил и применил большое число как чистых химических и элементов, так и важнейших соединений. Этому служат кластеры «Молекулы и реакции», «Неорганический синтез», «Органический синтез», «Аналитическая химия», «Координационная и супрамолекулярная химия», «Полимеры». Далее можно двигаться к кластерам «Кинетика», «Катализ», «Хемотроника», «Жидкие кристаллы», «Горение и взрыв», «Химия твердого тела и поверхности». Это создает базу кластеров «Биохимия», «Белки». Отдельный кластер посвящен задаче постройки машины для разделения веществ на простые элементы.

«Астрономия» и «науки о Земле» начинаются с вопросов, решаемых без спецоборудования (найти радиус Земли, измерить продолжительность солнечных и звездных суток и т. п.), затем начинается построение оптических приборов: телескопов, спектроскопов, на этой волне (а также в конструировании микроскопов) и на основе «геометрии и механики» изучается «Оптика». Можно и наоборот: изучать геометрию через оптику.

(продолжение 👇)

(продолжение. начало 👆)

Изучается «Аэрогидродинамика» (после знакомства со свойствами газов и жидкостей), строятся модели летательных аппаратов, в т.ч. атмосферные зонды с различными датчиками для выяснения состава атмосферы, температур и давлений на различных высотах, получения снимков Земли с высот до 40 км. Становится доступной «Компьютерная метеорология». Пользу здесь приносит и прохождение кластера «Вакуум». Строится компьютерная модель Солнечной системы для проверки соответствия Ньютоновской механики космическим масштабам.

С освоением «Радио» появляется доступ к «Радиоастрономии». Подробно изучаются Луна и планеты, ближайшие звезды и другие интересные объекты. По мере технологического оснащения мастерской становится доступным кластер «Космонавтика», направленный на конструирование и запуск самодельных миниатюрных аппаратов. Отсюда возникают вопросы, рассматриваемые в кластерах «Пространство и время», «Природа гравитации», «Теория относительности».

Постепенно вводятся кластеры «электронного» направления: «Диоды и светодиоды», «Транзисторы», «Усилители», «Обратная связь и операционные усилители» , «Мемристоры», «Импульсная техника», «Генераторы сигналов», за которыми следует углубленное изучение специального случая сигнала: переменного тока в кластере «Переменный ток». Этот кластер важен для последующего изучения акустики и оптики, т. к. переменный ток удобно подвергать различным опытам — источникам будущих аналогий.

«Переменный ток» открывает путь к экспериментальной «Акустике», «RLC цепям и колебательному контуру», «Фильтрам и преобразователям», «Трансформатору», «Электромагнитным волнам», «Радио», а затем - к кластерам «ВЧ схемотехника, нагрев и индукционная печь», «Мазер, микроволны и СВЧ». Постройка печи открывает путь к литью и термообработке металлов и сплавов а также (в небольших масштабах) ковке металлов, открывает кластеры «Металлургия и металлопрокат», «Керамика и твердые сплавы». Новые возможности для производства металлов и керамики дают кластеры «Вакуум» и «Пресс», которые можно комбинировать меду собой и с печью и другими приборами в МТУ (многофункциональной технологической установке).

«Программирование», «математика», «электричество», «геометрия и механика» и упомянутые контроллеры и моторы в сочетании с растущими производственными и конструкторскими возможностям ученика - вот и вся необходимая почва для кластеров «Логика», «Кибернетика», «Роботы», «Машинное зрение», «Программирование (углубленное)», «Клеточные автоматы», «Фракталы», «Динамические системы», «Нейросети» (там даются матрицы и тензоры), «ИИ», «Моделирование», «Цифровая техника», «Аналоговая техника», «Теория игр», «Графы», «Статистика и теор. вер.», «Численные методы», «Телекоммуникации, навигация и локация», «Криптография», где-то там по мере необходимости раскрывается комбинаторика и теория чисел.

По мере необходимости, для решения прикладных задач вводятся фундаментальные методы математики «Ряды и пределы», «Основы матанализа», «Вариационное исчисление», «Операционное исчисление», «Функциональный анализ», «Топология», «Теория групп и симметрия». По мере накопления трудностей классических концепций, ученик проходит вслед за учеными прошлого к квантовой картине мира — через излучение нагретых тел, электрические явления, фотоэффект.

Оптика и химия открывают интереснейшие кластеры «Спектроскопия», «Фотохимия», «Фотолитография», «Нелинейная оптика», «Нанолитография». Окончательное подтверждение атомной гипотезе ученик получает в кластерах, посвященных созданию электронного, атомно-силового и туннельного микроскопов. На переднем крае науки располагаются кластеры «Микроэлектромеханические системы», «Нанофотоника», «Молекулярная электроника», «Позиционный механосинтез». Дальнейшие кластеры той ветки идут в сторону создания наноробототехнических систем, роев и сетей. Создание искусственных микромашин идет параллельно с изучением естественных в кластере «Микробиология и биотехнология», «Морфогенез», «Синергетика». Где-то здесь идут кластеры «Физиология и медицина», «Био и нейроэлектроника».

(окончание 👇)

(окончание. начало 👆)

Из химических и физических опытов раскрываются свойства протона. Кластеры «Радиоактивность» и «Радиохимия» показывают и нейтрон. Кластеры «Космические лучи» и «Ускорители», «Ядерная физика» открывают мир элементарных частиц. Наконец, мысль и опыт устремляются к великим задачам получения антивещества, нейтронной материи и термоядерного синтеза.

Конечно, каждому необязательно заходить во все ветки курса — наоборот, одна из задач его составления — предоставить кратчайший доступ к каждому знанию. Если человек пришел ради «Акустики» - пусть он придет к ней кратчайшим путем, но таким, чтобы он был поистине готов к ее восприятию. Путь того, что пришел за «Ускорителями» может быть совсем иным.

На этом закончена содержательная часть книги. Далее идут в виде приложения главы - краткие описания четырех платформ.

Платформа «Милли»

Платформа, механизм воспроизводства которой ооснован на технологии многокомпонентной 3D печати, позволяющей в едином автоматическом процессе печати получать изделия, содержащие проводники, диэлектрики, гибкие и мягкие элементы, прозрачные и непрозрачные, растворимые в различных средах. Оптоэлектронные устройства (диоды, транзисторы, фотосенсоры, светодиоды) печатаются на основе проводящих полимеров (производные анилина, тиофена, пиррола и т.д.) p и n типа. Металлические детали изделий получаются электрохимическим наращиванием по 3D-печатным проводящим формам, которые могут быть удаляемыми (гибкие, растворимые) и неудаляемыми.

Эти технологии реализуются в универсальном фабрикаторе (3D принтере), способном произвести собственную копию, а также несколько модулей обеспечивающих его работу: компьютер, блок подготовки сырья, энергетический блок, сборщик ресурсов и мобильный манипулятор. Такой комплект, в свою очередь, достаточен для обеспечения работы принтера «в чистом поле», и, таким образом, представляет собой автоматическую самовоспроизводящуюся систему (репликатор), способную неограниченно приумножатьсяа без участия человека. Это свойство призвано в короткий срок обеспечить все регионы растущими автономными копиями платформы.

Для реализуемых на этой платформе продуктов характерные цельнопечатные структурные механические и мехатронные компоненты, а также электроника. Быстродействие, объем памяти и прочие характеристики таких устройств часто могут представлять собой шаг назад по сранению с мировым уровнем традиционной промышленности, ради обеспечения повсеместной автономной доступности.

В то же время, возможность индивидуальной печати каждого устройства, и, особенно, интеграция производства электроники и прочих компонентов изделия в едином цикле открывает богатые возможности для повышения характеристик. Например, устройства машинного зрения могут содержать многослойные вычислительные элементы для каждого пиксела, подобно биологическим системам за счет гигантского параллелизма компенсирующим низкое быстродействие. На смену современным конструкциям «экономящим моторы» могут прийти во многих случаях гораздо более адаптивные биоподобные массивы сенсоров-актюаторов.

Сборщих ресурсов автоматически роет тоннели и шахты для добычи общераспространённого минерального сырья. Он же прокладывает в них линии энергоснабжения и коммуникации, которыми соединяются между собой различные объекты платформы. Подземные тоннели скрытны, хорошо защищены от всех видов оружия и могут быть использованы для массового беспрепятственного доступа к любым объектам на территорию противника.

Блок подготовки сырья основан полностью автоматической переработке ископаемых, которые можно рассматривать как случайную непредсказуемую смесь веществ. Однако так можно характеризовать и мусор (импортированный из традиционной экономики), а также бракованные изделия и вышедшие из строя блоки самой платформы. А значит, обрабатывать эти вещества по единым принципам, на одном и том же оборудовании. Для восстановленяи окисленных элементов используется Ca/Mg цикл с последующим разделением смеси металлов и отгона углерода в форме ацетилена - сырья для всех видов пластиков, используемых в 3D печати. Этим обеспечивается полная переработка мусора, брака и отходов, а также автоматическая утилизация вышедшего из строя оборудования. Идет прямая распределенная конвертация природной энергии и материалов, а также накопленного на предыдущих этапах мусора в полезные продукты.

(продолжение 👇)

(продолжение. начало 👆)

Такой подход делает возможным освоение территорий практически без учёта климатических условий за счёт распределенной энергетики и добычи сырья. Энергетика платформы на первых порах обеспечивается окислением углеродсодержащего сырья в топливных элементах, а на последующих этапах — ядерными реакциями. Это обусловлено почти повсеместным залеганием на территории России тех или иных видов угля на глубинах порядка сотен метров, а также присутствием урана в небольшой концентрации практически везде, что делает неизбежным накопление значительных его запасов в ходе разделения породы на элементы. Вспомогательную роль могут играть солнечные батареи, ветряки, ГЭС на наземных и подземных реках и т.д.

С учетом военной ситуации, главной задаче развертывания данной плафтормы может стать отражение агрессии и выигрыш времени для дальнейшего развития. Важно, что платформа открывает путь для децентрализованной индустриализации «снизу», независимо от текущей политической воли властей.

В военном отношении она предоставляет возможность качественого скачка: массовое распределенное производство и координированное применение оружия точно вовремя в нужном месте, количестве и ассортименте, соответствующем задаче. Обеспечивается мгновенное переключение промышленности между мирным и военным режимами. Исчезает грань между производством и применением оружия, между разработкой плана операции и оружия и спецсредств для неё. Отсутствуют определенные места сосредоточения и напряженные коммуникационные линии, ударом по которым противник мог бы нанести значимый ущерб.

Платформа «Микро»

Платформа, основанная на мультиматериальной двухфотонной полимеризации при помощи фемтосекундных лазеров. Обеспечивает полностью безлюдное производство очень сложных изделий.

Основной производственный процесс основан на химических реакциях в объеме жидкости (полимеризация), активируемых излучением. Большинство фотополимеризуемых материалов чувствительны к ультрафиолетовой части спектра, что используется в современных 3D принтерах. Однако световое излучение в жидкости, строго говоря, невозможно сфокусировать в точку — пятно полимеризации имеет размер десятки микрон и сильно растянуто по оси Z. Поэтому печать сегодня в таких системах осуществляется с послойной подачей фотополимера. Это практически исключает возможность печати многими материалами в одном изделии, без чего невозможно универсальное производство.

Для преодоления этого ограничения с 2010-х используется явление двухфотонной полимеризации, когда два очень близко идущих рядом во времени и пространстве инфракрасных фотона стимулируют те же реакции, что и один ультрафиолетовый. Однако вероятность попадания пары фотонов в молекулу падает с расстоянием от центр фокуса уже не линейно, а квадратично. Это позволяет сократить пятно полимеризации до сотен нанометров по всем осям и прецизионно печатать в толще неподвижной жидкости. Соответственно, сменяя жидкие фотополимеры можно осуществлять повторные проходы луча и печатать сложные мультиматериальные изделия с высокой точностью. Это предполагает синтез ряда мономеров с различными свойствами (диэллектрики, проводники, полупроводники и т.д.)

Такие плотности света достигаются при помощи фемтосекундных лазеров. При этом, именно на размерном уровне сотен нанометров строятся современные устройства фотоники: оптические волноводы, дифракционные решетки, метаматериалы. Это дает хорошую перспективу изготовления и самого фемтосекундного лазера с необходимой оптической обвязкой по той же технологии. Условия для репликации платформы - поступление энергии хотя бы в одной из форм (электричество, свет, вода, разность температур, ветер..) и наличие некоторого скромного набора минералов и веществ.

За счет трехмерной универсальной печати могут быть изготовлены продукты, сочетающие триллионы электронных, оптических, механических и прочих компонентов на кубический сантиметр. Это является очень серьезным шагом к достижению сложности и совершенства машин, сопоставимых с имеющимися в живой природе. Станут привычными параллельные массивы сенсоров и микромоторов, самоочищающиеся и саморегенерирующиеся поверхности, искусственные мышцы, активные биоморфные радиаторы, «искусственные сосуды», продукты испещеренные в своем объеме коммуникационными, транспортными и ремонтными магистралями, тончайшие гибкие солнечные батареи и компактные ядерные реакторы.

Само ядро платформы «Микро» может быть очень маленьким, и многие продукты будут представлять собой заводы или даже массивы заводов «на чипе». Впервые компьютер, робот, аккумулятор могут оказаться в совокупности меньше миллиметра, образуя трансформируемую, умную материю по типу «жидкого терминатора». Такой искусственной среде присущ ряд неоценимых инженерных свойств. Она вызывает грандиозное свертывание механических, электромеханических и прочих (по мере развития технологии) систем — комочек микро-материи заменяет целый цех инструментов — от гаечного ключа и отвертки до шуруповертов и пресс-форм. Происходит очевидное решение на грани буквального идеала многих десятков тысяч задач, которые сейчас решаются некрасиво или вовсе не решаются. Подача пружин из кучи, намотка сложнейших катушек, трансформеры на любой вкус, саморемонтирующиеся конструкции.

(продолжение 👇)

(продолжение. начало 👆)

Полный контроль в реальном времени над плотностью, пустотностью, жесткостью, шероховатостью и т.п, позволяет создание любых пространственно-временных градиентов и распределений этих свойств. Например, деталь может быть жидкой по оси X и твердой по оси Y. Две (или двести) детали из этого материала согласно запрограммированной таблице могут работать как пересекаясь, так и проходить при столкновении через друг друга не взаимодействуя. Например, можно сделать «сказочный» материал, в котором тяжелое будет всплывать, а легкое — тонуть, материал меняющий на порядки размеры по заданной оси в реальном времени (при растяжении он становится более пустотным, частицы переползают со стенок внутренних ребер на поверхность, при уменьшении — наоборот) и т.д.

Происходит стирание грани между алгоритмом, нейросетью и материалом, создание адаптивной, обучающейся материи, скажем, кронштейна, подстраивающего свою форму для минимизации шатания закреплённой детали именно при тех вибрациях и ускорениях, которые сейчас имеют место в системе. Реализуется динамическое (и притом силовое) изменение формы изделий по заданной программе, в том числе с обратной связью от сенсоров самого материала. Это готовый субстрат для машинной эволюции (например, черпак из этого материала должен черпать строго по одной детали из бункера. материал принимает разные конфигурации с «мутациями», сравнивает их производительность, проводит естественный и искусственный отбор, отрабатывает разные алгоритмы наследования признаков. На выходе имеем великолепный узел без усилий со стороны человека).

Платформа «Микро» предполагает колоссальный набор периферийных продуктов с беспрецедентной ценностью в промышленности, медицине, военном деле.

Происходит полный переход от медицины органов к медицине клеток. Каждый человек может пройти поклеточное сканирование — полученная трехмерная цифровая карта используется для диагностики и лечения. Внедряется персональная автоматизированная автономная медицина. Импланты, сенсоры, нейропротезы, медицина и хирургия на клеточном уровне на порядки повышают возможности быстрого надёжного лечения большинства известных заболеваний. Например, умный скальпель не разрушает, а перемещает клетки, устанавливая их потом на те же самые места, где они и находились (согласно цифровой карте) до этого.

Значительный потенциал такие медицинские технологии имеют для выхода из демографической ямы, так как способны сделать беременность и роды намного более комфортными и безопасными. Умные импланты с первого дня могут осуществлять мониторинг состояния плода, предотвращать инфекции и пороки развития, проводить при необходимости поклеточные операции. Компактные экзоскелеты обеспечат легкость перемещения матери и защитят от чрезмерных физических усилий и травм. Родители смогут общаться и играть с младенцем при помощи различных интерфейсов (в т.ч. нейро) задолго до его рождения. Роботизированное сопровождение родов (вплоть до уровня отдельных нервных и мышечных волокон матери и ребёнка) позволит гарантировать отсутствие травм и рисков. Вкупе с колоссальным экономическим могуществом платформы «Микро» это может привести к тому, что мало кто из граждан станет ограничивать количество детей в семье.

Точное индивидуальное знание тела позволяет осуществлять точное и безопасное подключение сложных нейроинтерфейсов, быстрое производство протезов для людей с любыми повреждениями, создание практически неотличимых человекоподобных роботов, умные костюмы, расширяющие ареал комфортного долгосрочного пребывания человека до космических условий. Вкупе с динамичным мобильным жильем, меняющим размеры и конфигурацию в зависимости от задач, становится тривиальным освоение полярных, подземных, водных, космических территорий.

(окончание 👇)

(окончание. начало 👆)

Компактность и дешевизна ядра платформы «Микро» позволяет иметь его копию каждому гражданину. С детства он, таким образом, обладает персональной полнофункциональной лабораторией-мастерской. Трехмерный интерфейс проектирования состоит из нейроинтерфейса виртуальной реальности и умной материи, из которой можно лепить формы и уточнять их голосовыми командами и виртуальными инструментами (слепленными из той же материи, как нарисованные инструменты, которыми мы рисуем в графическом редакторе). Непосредственное принятие изделиями формы, заданной с компьютера без обработки, отходов и затрат времени. Не надо никаких заготовок, инструментов, траекторий. И обратно — мгновенная оцифровка динамического рельефа без сканеров. Моментальный производственный цикл, характерный для умной материи включается в учебно-экспериментальный. Так формируется массовая способность граждан к перспективным разработкам, массовая высококомпетентная занятость в сфере НИОКР и выполнении целей и задач государства.

В каждом предприятии/семье находится автономный производственный комплекс, который производит все что нужно, а также свои копии в нужном количестве. Многие вещи «создаются/утилизируются» не путём производства, а путём обратимой трансформации «умной материи». Завершается полная автоматизация традиционного сельского хозяйства, выходят на первый план системы эффективного улавливания и конверсии в с/х продукцию солнечной энергии для суровых условий. Работают автоматические «корни» для извлечения минеральных ресурсов из земной коры и магмы, многоканальные биоморфные распределенные высокоскоростные сети коммуникаций, вероятно преимущественно оптических. В военной сфере на смену армии приходит аморфная динамическая разведывательно-боевая среда с распределенным управлением и функциональностью.

Переход к персональному владению производственными модулями почти полностью исключает торговлю. Предприятие, семья, человек производит то, что ему нужно самостоятельно за счёт общедоступной энергии и ресурсов. Экономика страны становится экономикой обучения и заказов на НИОКР. Растёт экспорт товаров на внешние рынки при отсутствии потребности в импорте. Этим создаются масштабные задолженности других государств в их валюте. которые используются для влияния на их политику, поддержки в них нужных сил и т. д. Другим внешнеполитическим рычагом становится экспорт высокотехнологичных медицинских услуг (политики недружественных государств — в основном люди не молодые и не очень здоровые - будут вынуждены мириться с существованием нашей страны такой, какая она есть, если от ее технологий будет зависеть их жизнь).

Концепция технологического развития РФ до 2030 года

Обострение международной военно-политической обстановки вынудило правительство РФ обратить внимание на планирование технологического развития страны. Начало появляться понимание того, что эта сфера не может быть пущена на самотек.

Распоряжением от 20 мая 2023 года №1315-р Председатель Правительства РФ М.Мишустин утвердил Концепцию технологического развития страны до 2030 года, предполагающую такие цели, как достижение технологического суверенитета, переход к инновационно ориентированному экономическому росту, технологическое обеспечение устойчивого развития производственных систем.

Согласно документу, к концу третьего десятилетия XXI века Россия должна обладать собственной научной, кадровой и технологической базой критических и сквозных технологий. Предполагается, что в стране будут созданы условия для высокоинтенсивной инновационной активности корпораций и предпринимателей, которые будут работать в комфортной регуляторной среде. Кроме того, к 2030 году национальная экономика должна обеспечивать производство высокотехнологичной продукции – чипов и другой микроэлектроники, высокоточных станков и робототехники, авиакосмической техники, беспилотников, лекарств и медицинского оборудования, телекоммуникационной техники и программного обеспечения. При этом доля таких отечественных товаров в общем объёме потребления должна составить не менее 75%.

По каждой цели также определены основные механизмы её достижения. Это формирование сквозных технологических приоритетов для науки, образования и для отраслей экономики, фокусировка на собственных линиях разработки технологий, ключевых узлов и комплектующих, опора на новые организационные формы взаимодействия науки, образования и бизнеса, развитие инфраструктуры трансфера технологий в экономику и кадровое обеспечение.

План первоочередных мероприятий по реализации концепции поручено разработать Минэкономразвития России совместно с Минобрнауки России.

Документ был разработан под руководством первого вице-премьера А.Белоусова по поручению Президента РФ, которое он дал в сентябре 2022 года по итогам заседания Совета по стратегическому развитию и национальным проектам.

Сам А.Белоусов так прокомментировал документ: «Сегодня мы находимся на пороге принципиально нового этапа технологического развития России. Как уже сказал Председатель Правительства России Михаил Мишустин, смысл и содержание данного этапа – в достижении технологического суверенитета. Очевидно, что в связи с санкциями прежняя модель воспроизводства технологических инноваций – с опорой на машиностроительный импорт и импорт технологий – перестала быть актуальной. По сути, впервые за 25 лет, начиная с 2000-х годов, у нас появляется самостоятельный предмет технологической политики. В утверждённой Правительством Концепции технологического развития сформулированы три взаимосвязанные цели достижения технологического суверенитета – обеспечение национального контроля над воспроизводством критических и сквозных технологий на основе собственных линий разработки, переход к инновационно активному росту экономики и обеспечение устойчивого развития производственных систем. Работа по этим технологическим направлениям уже ведётся. В ближайшее время необходимо обеспечить настройку системы управления для реализации задач технологического развития до 2030 года», – отметил первый вице-премьер.

Результат опыта по электровыращиванию стали из металлолома для платформы "Милли". Ленточка нарощенная стала монолитом с подложкой, гнётся вместе с ней и не ломается. Отшлифовано после осаждения, а так было серо, гладко и матово.

Энергетика индустриализации

Победа в войне "на измор" невозможна без превосходства в энергетике, в первую очередь, электрической, которой, в конечном счёте, ограничен выпуск всех видов военной и гражданской продукции.

На сегодня суммарная мощность электростанций РФ составляет 1/4 ТВт. Это чуть больше чем у Бразилии и меньше чем у Индии. А мощность США и ЕС составляет по 1 ТВт, вместе они равны Китаю.

Таким образом, достижение паритета в отношении Запада или Востока требует увеличения энергодобычи РФ в 8 раз, а одновременно против обоих - в 16 раз. Резко увеличить число ГЭС не позволяют географические ограничения, а ТЭС (основной источник энергии сегодня) потребовали бы увеличения в ~20 раз крайне уязвимой инфраструктуры добычи, транспортировки и расхода газа. Срок же строительства теоретически наиболее перспективных в этом отношении станций - атомных - составляет не менее 5 лет. Также высока их стоимость (~$5 млрд за ГВт), таким образом, экстренный выход этим путем на паритет с НАТО обошёлся бы не менее $10 трлн (1/2 бюджета США или 5 ВВП РФ).

Более того, достижение простого энергетического паритета, сделав силы соперников равными, лишь приведет к наиболее ожесточенному противостоянию. Поэтому период паритета ни в коем случае нельзя затягивать, а для заключения прочного мира на наших условиях необходимо кратное, а лучше на порядок превосходство в энергетике над враждебной коалицией.

При этом все наши существующие электростанции крайне уязвимы для современных видов оружия. Только отсутствие политической воли мешает противнику прямо сейчас вывести из строя всю нашу электрогенерирующую сеть не прибегая к ЯО. В ситуации достижения нами паритета, и тем более, угрозы военного поражения, такая воля у противника неизбежно появится.

Поэтому для победы жизненно необходимо быстрое развёртывание распределенной сети малоуязвимых, не привязанных к конкретным особенностям местности электростанций суммарной мощностью порядка 10 ТВт (а с учётом того, что противник, в ответ тоже не будет сидеть сложа руки, так и все 100 ТВт)
Какой бы сложной и тяжелой ни звучала эта задача, без её оперативного решения трудно представить себе победу РФ в мировой войне.

Рост до 10 ТВт ~ в 40 раз ~ аналогичен бурному росту советской энергетики за 30 лет с 1928 года. Рост до 100 ТВт ~ в 400 раз ~ это вдвое больше, чем за весь советский период.

Особенности разработки и выполнения научно-технической стратегии «снизу» в военное и кризисное время

Особенность реализации стратегии «снизу» состоит с одной стороны — в необеспеченности денежными, техническими и административными ресурсами, а с другой — в отсутствии необходимости специальных усилий по подбору и мотивации участников проекта.

Данный сценарий реализуется на практике в настоящее время в России. Известные трудности со снабжением войск и населения в регионах боевых действий по официальным каналам породили широкое волонтерское народное движение, оперативно закрывающее «прорехи». От чисто гуманитарных поставок вроде продуктов, одежды, бытовых предметов, волонтерское снабжение расширилось сначала на специальные средства: окопные свечи, маскировочные сети, перископы, а затем направилось и на более активные объекты боевых действий: средства связи, тепловизоры, беспилотные летательные аппараты, корпуса элементов динамической защиты, бронепластины.

Обладая гибкостью и экономичностью, не присущими государственным структурам, волонтерское движение, стремясь оперативно реагировать на запросы фронта перешло к целевым НИОКР по заявкам воюющих подразелений. Так стало появляться специальное программное обеспечение для управления артиллерийским огнем, различные виды ударных беспилотников и снаряжения для них, новые средства РЭБ и антидроновые устройства.

Активизировалась инженерная мысль, пошли активные обсуждения различных перспективных средств, которые можно было бы производить для поля боя. Одновременно выяснились и ключевые факторы, ограничивающие эффективность и массовость волонтерских разработок и поставок:

• Редкость комплексно оснащенных универсальных цехов, подходящих для опытного и малосерийного производства высокотехнологичных изделий. Трудности в организации сетей кооперации для таких производств.
• Наряду с готовностью людей и предприятий работать на оборонные цели бесплатно, отсутствуют значительные ресурсы материалов и энергии, необходимые для массового тиражирования изделий
• Правовой режим недропользования, затрудняющий повсеместное испольтзование природного сырья
• Слабая координация волонтерских усилий с пользователями оборудования в войсках, отсутствие обратной связи, технической поддержки, слабый учет потребностей и замечаний конечного пользователя
• Стремление официальных органов ограничивать и контролировать волонтерские поставки, бюрократия и волокита в связи с постановкой на учет
• Некомпетентность и саботаж части военных на местах, злоупотребления получаемым оборудованием

Преодоление первых двух ограничений возможно путем «волонтерской индустриализации», остальных — при помощи организационной и юридической работы.

Действительно, индустриализацию «снизу» начинают не от хорошей жизни, а из-за длительного пренебрежения ею «сверху» в предшествующий период. При этом, даже если впоследствии к власти придут патриотические силы, значительная часть подготовки к полномасштабной индустриализации может быть проведена «снизу» на волонтерских началах, вырастая из организации производства всех видов ресурсов для помощи фронту и жителям России нуждающимся в гуманитарной помощи. Это путь и к формированию силы, технически способной, например, противостоять попыткам вооруженных мятежей (в рамках законодательства РФ), там где с этим не справляются официальные силовые структуры.

Планирование, координацию и воплощение такой «прединдустриализации» может осуществлять научно-техническая служба, создаваемая в волонтерской или политической организации.

Первичный состав службы может быть сформирован путем приглашения в онлайн-чат производственников и ученых, и составления регулярно обновляемой таблицы, на основе заполняемых участниками анкет, содержащих, например, местоположнение, характер услуг (проектирование/производство), сферу деятельности, возможности (CAD, станки, материалы), приемлемый объем оказания волонтерской помощи, ее оплата (скидка/себестоимость/бесплатно) и т.д.

(продолжение 👇)

(продолжение. начало 👆)

Постепенно на этой основе налаживается систематический сбор информации о потребностях и возможностях адресатов и волонтеров в части производства и НИОКР, координация, содействие кооперации и, беспрепятственному обмену информацией и ресурсами между участниками процесса

После чего служба может вводить и дополнительные функции: оперативная помощь и консультирование по решению технических и научных задач, учет и категоризация разработок, концепций, идей авторы которых готовы предоставить их в безвозмезное использование и тиражирование, анализ широко доступных материальных и энергетических ресурсов и поиск эффективных путей их вовлечения в волонтерскую индустри, содействие в повышении производительности и автоматизации труда на волонтерских производствах, содействие предпринимателям в организации стартапов, поставляющих технологии и решения оборонного и двойного назначения.

Одновременно могут формироваться и зачатки информационной и образовательной составляющих индустриализации. Это осуществляется через формирование и распространение локальной компактной библиотеки научно-технической информации, позволяющей вести НИОКР в случае прекращения работы сети Интернет, а также привлечение и обучение потенциальных кадров из числа сторонников, не умеющих, но готовых обучиться производству и разработке, подготовка соответствующих материалов.

Сформированная таким образом служба во взаимодействии с другими участниками «индустриализации снизу» может выступать группой планирования, которая разрабатывает пакет документов, относящихся к научно-технической стратегии государства.

Сегодня большинству людей, воспитанному в искусственном потребительское ажиотаже трудно представить реальное общество материального изобилия. Пожалуй, так же трудно, как сто лет назад было трудно вообразить нынешнее общество изобилия энергетического - когда мы включаем батарею при открытом окне или разогреваем бутерброд в киловаттной микроволновке. Или так же трудно, как было бы полвека назад представителям корпораций, стоявшим в очередях за дорогущим машинным временем первых компьютеров трудно представить что сегодня машинное время процессоров смартфонов по большей части просто не используется за недостатком задач, а идеи как бы его повычурнее применить считаются ценной находкой.