Анимация концепции технологической платформы "Милли"

Защита от накопления ошибок при репликации автоматических фабрик

Логика работы полностью автоматической робофабрики, вне зависимости от лежащей в ее основе конкретной технологической платформы, такова, что ее удобно организовать по принципу сходному с живой природой.

Если отдельные ячейки уподобить белкам живой клетки, то станки и приборы, состоящие из групп взаимосвязанных ячеек соответствуют органоидам, а живой клетке соответствует робоклетка, содержащая полный набор органоидов, способный к самовоспроизводству.

Робоклетки, как и живые клетки, размножаются делением, после чего могут специализироваться на какой-либо функции. Из робоклеток формируются роботкани (электропроводящая, оборонительная, транспортная, химико-синтетическая…), а из них — робоорганы. Органы могут быть объединены в системы (энергетическая, охлаждающая, опорно-двигательная...) разнообразных робоорганизмов, составляющих популяции, входящие в робоэкосистему. Наконец, совокупность таких экосистем составляет робосферу.

Одним из вопросов, равно актуальных для природных и искусственных самовоспроизводящихся систем является потеря точности при воспроизводстве (накопление ошибок). Обычной практикой в машиностроении является создание высокоточного станка, а на нем — менее точных. В природе предусмотрены разные защитные механизмы от потери точности воспроизводства - вроде двойной спирали, избыточности кодирования амнокислот и так далее. Но ошибки все равно накапливаются.

Все клетки нашнего организма являются результатом деления стволовых клеток, которые к старости совершают порядка полумиллиона делений. При таком количестве делений ошибки начинают накапливаться серьезные, что ведет к снижению способности клеток выполнять полезные функции — и, в конце концов, одряхлению и гибели организма.

Однако, следующему поколению эти ошибки не передаются, потому что яйцеклетки формируются на самых ранних стадиях развития эмбриона, когда точность вопроизводства наивысшая — дочернюю яйцеклетку от материнской отделяют лишь десятки делений (сперматозоид является результатом многих делений и не защищен от такого рода ошибок, но точный хромосомный набор яйцеклетки страхует клетки будущего организма на случай, если в ДНК сперматозоида какие-то участки окажутся ошибочными).

Благодаря такому механизму, накопление биологическим видом ошибок деления от поколения к поколению до того уровня, какой характерен для клеток старика, займет порядка полумиллиона лет. Но множественность потомства и процессы естественного отбора, по-видимому, в природе до этого не доводят.

В макроскопических робофабриках нет большого беспокойства за точность передачи «генетической» информации — вероятность ошибки при копировании цифровых данных ничтожна и очень легко выявляется и устраняется. Впрочем, при приближении размеров фабрик к молекулярным, эта проблема может принять ту же остроту, что и в живой природе.

А вот проблема передачи механической точности выглядит более актуальной. Для ее решения стоит вспомнить, откуда вообще берется точность. А она имеет информационную природу (определенность положения, заряда, массы, времени…), и характеризуется попаданием некоторого параметра в «окно» допустимых значений. Точность, нужная для попадания в допуск +-1 мм в два раза (то есть, на один бит) выше точности, нужной для попадания в допуск (+-2 мм).

Из термодинамики мы знаем, что для придания физическому параметру определенности, нам нужно где-то повысить неопределенность (увеличить энтропию) на большее число бит (биты пропорциональны термодинамическим единицам энтропии Дж/К c постоянным коэффициентом).

Но повысить энтропию можно лишь там, где ее мало, а имненно, где есть энергия, неравновесно распределенная по степеням свободы системы (свободная энергия Гиббса). В макроскопической робофабрике, а также в молекулярных робофабриках, не вынужденных слишком сильно экономить энергию, ее вполне достаточно для достижения любой желаемой точности.

Продолжение👇

(продолжение). Начало👆

Практически «инжекция точности» может осуществляться использованием эталонов. Измерение (сличение с эталоном) может осуществляться по итогу какого-либо этапа производства или непрерывно. Или эталон может использоваться для калибровки инструмента. Таикм образом, хотя и можно по аналогии с экономией числа делений яйцеклеток зарезервировать часть фабрикаторов (робо-аналогов рибосом) сугубо для целей воспроизводства и не загружать их служебными задачами, куда перспективнее выглядит интеграция эталонов в каждый фабрикатор.

На практике разница с биологической клеткой может выглядеть так: биосистема работает по принципу ключ-замок, и иногда в замок попадает не тот ключ, с каковой вероятностью мы просто миримся. Робосистема может ввести в этот процесс этапы активного сканирования, распознавания, замены, отказа от некорректного соединения. Это будет иметь свою цену в свободной энергии Гиббса, но, в отличие от растений, мы здесь не ограничены солнечным светом, а можем использовать химическое, ядерное и термоядерное горючее, действуя в избытке энергии.

Эволюция направила биологические клетки по пути чрезвычайной экономии энергии (сличение с эталоном для них энергетически дорого), а робоклеткам, скорее всего, придется развивать противоположную способность выживать в огромных потоках энергии. В итоге, впрочем, мы можем прийти к некоему гибриду.

О первом прототипе робофабрики

Пора сделать следующий шаг от абстрактного описания технологических платформ, к реальным техническим системам. Первой инженерной задачей является разработка ядра платформы «Милли». Уже стало понятно, что ядро платформы является практически полным аналогом живой клетки. То есть, нам нужно разработать робоклетку, поначалу весьма крупную, может быть, в тысячу кубометров, способную делиться и вырабатывать разные полезности.

Поскольку дело это новое и неизведанное, сначала должен появиться ряд недо-функциональных прототипов. В первом прототипе можно пренебречь не самыми актуальными функциями. Например, ничего страшного если поначалу фабрика будет работать от розетки — электричество у нас дешевое и это вполне позволит ей вырабатывать коммерчески ценную продукцию. Также поначалу можно не заставлять ее вгрызаться в грунт, а кормить бытовым и промышленным мусором — в нем процент углерода и других ценных элементов куда выше, а добывать ее несравненно легче, чем грызть грунты (все это придет со временем, сейчас важно начать).

Какие же органоиды минимально необходимы для такой клетки?

В ней должен быть, как минимум, фабрикатор — универсальный 3D-принтер пластиком и металлом. Он не обязательно должен быть компактным, а может быть распределен хоть по всей робоклетке, состоять из разнородных отдельных частей и так далее. Например, одна часть может 3D-печатать (лучше многокомпонентно, чтобы обойтись без механосборочных операций), а другая — гальванически наращивать заданный металл, прокачивая соответствующий электролит через пустоты печатного изделия.

Должна быть и система утилизации сырья, брака, мусора путем разделения их на элементы (или, поначалу, группы элементов) и система синтеза из них материалов, с которыми работает фабрикатор (3D-печатные филаменты, электролиты)

Для перемещения объектов по робоклетке (например, полуфабрикатов, между компонентами фабрикатора, а также сырья и материалов разной степени обработанности) нужны подвижные органоиды — транспортно-складские коробки. Они позволят нам как в биологической клетке не сильно беспокоиться по поводу конкретного взаимного расположения органоидов.

Нужны также органоиды для автоматического захвата сырья извне (лапа, конвейер, трубы?), и вывода отходов, если они образуются (вытяжка, сток, конвейер?).

Также необходим опорно-двигательный цитоскелет, например в виде динамической системы рамок.

Система охлаждения должна отводить тепло вовне от тех компонентов, которым это потребуется (радиаторы, вентиляторы). Но так как принудительное охлаждение пока может быть актуально только для фабрикатора и систем утилизации и синтеза материалов, будем рассматривать локальные охлаждающие устройства как их часть.

Система управления в лице компьютера поначалу тоже может быть внешней (все назначение ее будет в том, чтобы задавать (однократно) программы поведения органоидам, отправлять на фабрикаторы файлы для производства тех или иных деталей, а также служить отладочным интерфейсом для разработчиков). По поводу возможности воспроизводства компьютера задают много вопросов. Не стоит откладывать создание первого прототипа до их решения, компьютер всегда можно туда добавить. Основным направлением здесь может стать 3D-печать компьютеров органическими полупроводниками. К этому ведет довольно уже понятная последовательность действий, которую, впрочем, стоит на каком-то этапе соотнести с тем реальными возможностями которые покажет прототип робоклетки - с целью наибольшего использования его функционала. Также в состав компонентов робофабрики входят контроллеры. Чтобы скорее увидеть работу первого функционального прототипа, позволим себе сделать их из покупных компонентов, а затем будет переводить на 3D-печатную или иную воспроизводимую самой робоклеткой электронику.

Продолжение 👇

Продолжение. (начало👆)

Системой очистки пока можно пренебречь, так как еще непонятно, что именно и где там будет пачкаться. Вероятнее всего, какой-то мусор будет сыпаться сквозь сеть роборамок вниз, где, при необходимости может дежурить слой открытых коробок. Также пока можно не делать лизосому - деструктор, разрушающий застрявшие и не откликающиеся элементы робофабрики. Покровная система, «в поле» образующая внешние слои робоклетки для изоляции ее от окружающей среды, для прототипа не нужна — наоборот, интересно же видеть и снимать на камеру, как он работает.

Итак, имеем следующий набор органоидов прототипа робоклетки:

1. Рабочая часть
1. Элементный сепаратор
2. Система синтеза технологических материалов
3. Фабрикатор
2. Служебная часть
1. Опорно-двигательная система
2. Транспортно-складская система
3. Система питания
4. Система выделения


При этом, некоторые из них, особенно в рабочей части, могут оказаться сложными и распределенными и все должны быть совместимы между собой. Но единый стандарт и интерфейс для всех задать можно будет только после их появления. Поэтому начать можно с разработки хотя бы каких прототипов всех этих органоидов. Видя их работу в качестве прототипов, можно будет понять соображения для выбора оптимального типового размера для всех элементов, единых программных, материальных, тепловых и электрических интерфейсов и т.д..

Пока же при создании разрозненных и разношерстных составляющих робофабрику устройств стоит ориентироваться (не догматически) на объемы порядка 250х350х400 мм. То, что не может быть в них втиснуто, пусть лучше собирается из нескольких компонентов или разделится на несколько компонентов с разным функционалом. Все эти системы можно уже сейчас начать разрабатывать параллельно.

В результате, прототип робофабрики должен самостоятельно подъедать мусор из кучи или бака, и, питаясь электричеством от электросети и обмениваясь данными с персональным компьютером, производить копии всех тех компонентов, из которых состоит, автоматически располагать их в нужных местах и приводить в действие. Извне это должно выглядеть как сетчатый шкаф, кишащий транспортно-складскими коробочками и с ускорением растущий в заданном направлении. Затем его можно будет переключить на выпуск какой-нибудь продукции попроще чем он сам — и он должен будет ее выдавать в растущих объемах потребляя лишь электроэнергию и мусор, самостоятельно ремонтируясь путем утилизации и повторного производства всех своих компонентов.

Далее предстоит составить более точное описание рабочей части — как разделяются элементы (основной вариант - термохимия), куда что идет, какие материалы формируются (в минимальном варианте - PETG, PANI, PVA пластики и какие-нибудь соли железа и меди) и все это утрясти между собой.

Эскиз (био)химического цикла прототипа робоклетки. Красное - еще не дорисованные до ацетилена оборванные цепочки. Синее - производственные модули. Оранжевое - входы-выходы.

Лекции по технологической платформе "Нано" на YouTube:

1. Подходы и планы работ по созданию наномашин
2. Наноассемблер: электроника и софт
3. Наноассемблер: рабочий агрегат
4. Наноассемблер: дорожная карта

Готовлю материалы для лекции 5. "Устройство и работа простейшего нанофабрикатора".

Эскиз полного метаболического цикла прототипа робоклетки

Казалось бы, причем здесь робофабрика, естественным образом создающая на большой глубине километровые пустоты, нуждающаяся в тераваттах энергии и способная к непрерывной регенерации участков, находящихся в экстремальных условиях?

Развитие концепции робоклетки

Размещение привода в каждом блоке рамы требует весьма компактных печатаемых моторов и контроллеров. Чтобы на первых порах не зависеть от этого, сделаем многочисленные рамы максимально пассивными и простыми, перенеся привод и электронику в подвижные блоки. Таким образом, робоклетка может состоять из робоблоков шести типов:

Т-блоки – транспортные, выполняют роль тягачей. Способны перемещать любые другие блоки по сетчатой раме, включая блоки рамы. Могут смонтировать и демонтировать на место блок рамы или на него блок другого типа. Опционально, могут поворачивать блоки. Могут

Р-блоки – рамные. В развернутом состянии образуют пустотелую трехмерную сетку – раму – по которой тягачи могут двигаться в трех осях и перемещать прочие блоки. В свернутом сотоянии достаточно малы чтобы быть произведены и перемещаемы внутри рамы. Опционально, могут проводить и коммутировать электроэнергию, электрические и световые сигналы, жидкости и разы. Рама должна обеспечивать некоторую гибкость (подвижность, адаптивность) на случай ударных и сейсмических волн.

С-блоки – складские. Емкости или контейнеры для хранения и транспортировки различных предметов и химических веществ. Траспортируются при помощи Т-блока.

О-блоки – обрабатывающие. Обрабатывают другие блоки в широком смысле – производят, модифицируют, чистят, утилизируют. Например, один Ф-блок выполняет многокомпонентную 3D-печать, другой – гальванические операции, третий – сборочные и т.д. Между операциями обрабатываемый блок перемещается при помощи Т-блока. Обрабатываться может как блок, так и содержимое С-блока.

К-блоки – коннекторы (соединители). Используются для осуществления технологических процесов, при которых несколько блоков должны взаимодействовать одновременно. К-блок помещается между О-блоками (при помощи Т-блока) и выдвигает (сам или под воздействием Т-блока) соединительные разъемы, упирающиеся в разъемы О-блоков и соединяющие их. Таким образом, между О-блоками может передаваться вещество, тепло, электричество и т.д., что позволяет собирать сложные технологические установки. Ведь чтобы О-блоки можно было перемещать по раме, их размер должен быть несколько меньше шага рамы и между ними возникают пустоты. А механизм, автоматически осуществляющий соединение О-блоков через эти пустоты занял бы много дефицитного объема внутри О-блоков, поэтому он вынесен в отдельный К-блок. К-блоки так же как и Р-блоки должны выдерживать смещения и небольшие рывки соединяемых блоков. Опционально, К-блоки могут направлять передаваемые по ним предметы и субстанции, например, под углом, накапливать и коммутировать их.

Ф-блоки – функциональные. Выполняют те или иные специальные функции – опорно-двигательные, защитные, ввода-вывода, управляющие, коммуникационные и т.д. Размещаются внутри Р-блоков и перемещаются Т-блоками. Могут быть подвижными, например, блок-сборщик мусора.

Р-, Т- и С-блоки составляют транспортно-складскую инфраструктуру (цитоплазму) робоклетки. Ф-блоки (стенки и устройства ввода-вывода) формируют клеточную оболочку.
О- и К-блоки составляют химико-энергетический комбинат и производственные мощности клетки. Наконец, из Ф-блоков состоит компьютер (ядро), где хранится информация о структурах, производимых О-блоками.

Биоподобное программмирование и управление в робоклетке

Регулировка количества блоков разного типа в робоклетке, направления перемещения каждого блока в данный момент времений, их состояний осуществляется наподобие эндокринной системы, через “диффузию” цифровых сигналов по раме. Впервые данный механизм описан в работе А. Тьюринга (того самого) “Химические основы морфогенеза” в 1952 году.

На практике его можно реализовать на современном языке высокого уровня, например python, задавая перечень сигналов, характер их распространения между блоками рамы, условия их генерации и порядок отклика на них блоков. После чего данная “прошивка” записывается во все блоки робоклетки.

Например, блок, производящий волокно для работы 3D-принтера “генерирует” сигнал А (чем полнее буфер для готового волокна, тем интенсивнее). Например, при 100% заполнении, А=1. Соседний с ним блок рамы, принимает этот сигнал, делит пополам и в нем уже А = 0.5. Следующий за ним блок рамы таким образом, приобретает значение А = 0.25 и т.д. Т-блок с пустой емкостью для волокна может легко добраться до его источника, двигаясь в направлении градиента сигнала А.

Как только Т-блок оказался носителем не пустой, а полной волокна емкости, он начинает игнорировать сигнал А и наводиться по градиенту сигнала Б, точно так же продуцируемого “голодным” принтером, волокно в котором на исходе.

Так произвольное число Т-блоков будет курсировать между произвольным числом принтеров и источников волокна, рационально и без сложного детального программмирования.

Ингибирование сигналов может, напротив, заставить Т-блоки обходить стороной определенные участки клетки, например, препятствовать захламлению зон незавершенного строительства. Если Р-блок, не имеющий соседа, например, сверху будет издавать специальный сигнал, то по его уровню в каждой точке можно будет знать расстояние до верхней точки, а соотнеся с уровнем сигнала "снизу" - общий размер клетки.

Углы и ребра клетки могут издавать свои специфические сигналы. Можно ввести и разнообразные производные сигналы – интегральные, дифференциальные, булевы и т.д.