НБИК-технологии для создания «универсального солдата»

 

Кричевский Г.Е.,  

заслуженный деятель науки РФ, профессор, д.т.н.

 

Волокна, текстиль существенно расширяют области применения за счет традиционных технологий (механические: прядение, ткачество, плетение, вязание, химические) в сочетании с NBIC-технологиями. [1, 2] Развитые страны, перемещая производство в Китай, Индию, Пакистан, Турцию и другие, развивают у себя произ­водство технического и «умного» текстиля с высокой добавленной стоимостью (технического, медицинского, спортивного, косметического текстиля (и волокон)). В настоящее время производство технического текстиля в мире достигло ~35 %, с годовым ростом ~10-12 %, а медицинского текстиля, который условно относят к техническому, составляет до 25 %, с годовым ростом до 15 %.

Технологии двойного назначения – движитель научно-технического прогресса во все времена. И не использовать возможность двойного назначения всех прорывных технологий – это лишать себя возможности их коммерциализации и компенсации затрат общества на их военную составляющую. Продукция на основе новых технологий всегда дает высокую добавочную стоимость, в нее вкладывать инвестиции и развивать выгодно! На примере создания бое­вого комплекта одежды солдата XXI в. покажем возможности NBIC-технологий в оборонных и мирных целях.

В последние несколько десятилетий сменилась парадигма, стратегия ведения военных и антитеррористических действий: достижение цели не любой ценой, а при минимальных людских потерях своих солдат и мирного населения с обеих сторон. В свете сказанного выше в бое­вом комплекте одежды современного солдата огнестрельное оружие и армейская одежда становятся паритетными по своей значимости. Ниже приведены основные положения смены концепции ведения бое­вых и антитеррористических действий в XXI в.:

- Защита и обеспечение жизне­дея­тельности бойца не менее важны, чем его вооружение.

- Максимальное сохранение человеческого капитала, а по возможнос­ти – переход на боевую робототехнику, управляемую дистантно (например, самолет-беспилотник).

- Максимально облегченный (~20 кг) боевой комплект армейской многофункциональной одежды, выполняющей одновременно защитные, коммуникативные, сенсорные, лечебные свойства, усиливающие мышечную и интеллектуальную силу бойца.

- Человек (боец) – обмундирование – оружие = единый гибкий адаптивный комплекс.

Эти вещи могут быть достигнуты только за счет сочетания традиционных и NBIC-технологий.

Требования, предъявляемые к бое­вому комплекту одежды современного солдата армий США, НАТО, России [3], сводятся к следующим:

1. Комфортность:

- легкость, мягкость, простота использования;

- «климат-контроль» пододежного пространства.

2. Многофункциональность:

а) защита от:

- переохлаждения;

- перегрева;

- бактериологической атаки;

- химической атаки;

- радиации (рентген, α-, γ-излучение);

- антибаллистика (пули, осколки, взрывные волны);

- маскировка (дневное, ночное время);

- супергидрофобность (водоотталкивание);

- огнезащита;

б) коммуникативность – связь со штабом, соседом, полевым госпиталем. Вместо рации на несколько килограмм – «рация-пуговица» (несколько грамм) на воротнике;

в) сенсорность: мониторинг, преду­преждение и реакция на внешние опасности;

г) лечебные свойства, первая помощь: введение лекарств трансдермально, быстрое наложение гипса, лангетки. Датчики: температура, давление, пульс, воздействие ударной волны;

д) автономная энергетика – генерация, сохранение и использование энергии;

е) ориентация на местности: GPS, ГЛОНАС, ночное освещение, диоды, квантовые точки;

з) долговечность и легкость обеззараживания;

и) экономика: цена, легкость ремонта и ухода, возможность хранения ~10 лет.

Как можно видеть, этот набор мультифункциональности даже по каждой отдельной составляющей достичь не просто. Придание одновременно всех перечисленных свойств являет­ся еще более сложной, но тео­ретически возможной задачей, что доказывает опыт в создании подобной армейской одежды таких стран, как США, Англия, Франция, Южная Корея. К счастью, в зависимости от рода войск и характера выполняемых боевых действий набор требований может варьироваться в сторону снижения их количества. Но основные из них будут оставаться обязательными.

Посмотрим, какие научно-технологические задачи решаются и должны быть решены для достижения перечисленных выше требований и придания боевому комплекту одежды многофункцио­нальности. Как можно видеть из дальнейшего изложения, задачи эти очень разные, требующие для их решения знаний как в фундаментальных естественно-науч­ных облас­тях (физика, химия, механическая технология, математика, биология), так и в области прикладных наук (микро- и наноэлектроника, бионика, материаловедение, медицина, текс­тильная химия, механической технологии производства текстиля (прядение, ткачество, вязание, плетение); физика и химия полимеров, технология производства волокон и пленок и другие). Совершенно очевидно, что для реа­лизации таких проектов, как междисциплинарных и межотраслевых, понадобится слаженная работа единой команды из специалистов всех выше перечисленных областей знаний и практик.

Ниже кратко обозначены научно-технологические проблемы, необходимые для создания боевого комп­лекта одежды солдата XXI в.

Легкость: Нановолокна и нанопленки из нового поколения волокно- и пленкообразующих полимеров.

Климат-контроль пододежного пространства: 3D-конструкция ткани, дышащая (нано-, микропоры) и водоотталкивающая одежда.

Многофункциональность: Защита от переохлаждения, перегрева – покрытия из полимеров с «памятью формы» и обратимыми фазовыми переходами.

Защита от бактериологической атаки: Новое поколение наноразмерных бактерицидов.

Антибаллистика: 3D объемный текстиль из специальных синтетических волокон (арамидные) и генномодифицированного паучьего шелка (бронежилет, каска, маска, экзоскелет).

Супергидрофобность: Создание на поверхности волокон наношероховатой поверхности на основе гидрофобных полимеров – эффект «Лотоса».

Химическая атака: Введение в покрытие текстиля молекулярных «ловушек» (циклодекстрины, денд­римеры) отравляющих веществ.

Радиация: Самая сложная задача, которую трудно обеспечить без существенного утяжеления комплекта одежды. Частичная защита от радиационной пыли и слабого рентгеновского α и γ-излучения.

Огнезащита: Использование огнестойких волокон (ароматические полиамиды) и антипирены в наноформе.

Маскировка: Дневное время. Идеальное решение – «дельфийский плащ» на основе метаматериалов с «отрицательной» оптикой. Физики всего мира работают над этим. Фото- и элект­рохромные красители, обратимо изменяющие окраску под действием освещения или слабого электрического тока. Добиваются очень высокой степени маскировки.

Ночное время: Относительно приборам ночного видения. ИК-приборы: подбор рисунока и цвета окраски. УФ-радары: работают над проблемой от радарного обнаружения!

Коммуникативность: Инкорпорирование в текстиль (одежду) нано- и микроэлектроники, квантовые точки, гибкий дисплей, процессор, антенны, GPS, ГЛОНАС и другие микро- и наногаджеты (рис.1). 

Сенсорность одежды: Чувствительные полимерные материалы к химии, радиации, бактериям; передают сигнал актуаторам для реагирования и защиты.

Датчики основных параметров организма, пульс, давление, температура и другое.

Лечебные свойства: Одежда как первая медицинская помощь. Создание из текстиля депопрепаратов. Своеобразная трансдермальная капельница. Текстиль как «емкость» для лекарства.

Полимеры с обратимыми фазовыми переходами, мгновенно образующие гипсовую повязку на месте повреждения, как импульс на механическую деформацию (пули, осколки).

Автономная энергетика: Солнечные панели на фотоактивных вещест­вах (кремний, фотохромные красители), пъезоэлектричество (ходьба, другие движения).

Ориентация на местности: GPS, ГЛОНАС, спутниковая связь. Нано­электроника (антенны, приемники, гибкие дисплеи, интеркорпорированные в ткань, одежду).

Усиление мышечной силы (скорость движений, суперпрыжки, подъем больших грузов), экзоскелет, минидвигатели. Биомиметика – 

ботинки для гор наподобие ящерицы геккона (ботинки для гор).

Следует подчеркнуть, что как было уже сказано ранее, NBIC-технологии должны сочетаться с традицион­ными технологиями производства текстиля и одежды: производство природных и химических волокон (традиционные и нановолокна), прядение, ткачество, вязание, химическая технология отделки. В таблице 1 показаны примеры использования NBIC-технологий для создания многофункциональной современной одежды боевого комплекта солдата. 

Как можно видеть из примеров, представленных в таблице 1, одни и те же свойства одежды достигают­ся чаще всего не одной, а сочетанием NBIC-технологий. В этом проявляет­ся синергизм, свойственный этим технологиям, и междисциплинарность каждой из них.

Проследим это взаим­ное влияние NBIC-технологий на примере одного свойства – легкости боевого комплекта одежды (определено Пентагоном в границах 18-20 кг к 2020 г.):

- только с помощью нанотехнологий можно получить легкие, прочные, с заданными свойствами нановолокна. Например, с помощью технологии электропрядения. Это типичная технология по схеме «сверху – вниз» (в элект­рическом поле происходит расщеп­ление струи волокнообразующего полимера, выходящего из сопла на наноструйки будущих нановолокон);

- если взять в качестве волокно­образующего полимера генномодифицированный и произведенный по образу и подобию «паучьего шелка» белок, то получим не только тонкое и легкое, но сверхпрочное волокно. Эта технология имитации паучьего шелка – бионика, или биотехнология;

- если из этих волокон произвес­ти текстиль, обладающий лечебными свойствами, то необходимо использовать знания биологии, механизма заживления ран, последние достижения в области эффективных антимикробных нанопрепаратов;

- обмундирование, произведенное из легких, прочных волокон, обладающих лечебными свойствами (первая медицинская помощь), должно быть удобным, комфортным, эргономичным, что достигается использованием знаний когнитивных наук о законах зрительных, осязательных, эмоциональных ощуще­ниях человека;

- коммуникативность такой одежды достигается в основном за счет наноразмерных сенсоров, миниа­тюрных антенн, передатчиков, прием­ников и других видов гаджетов, органически встроенных в структуру волокон, нитей, ткани, одежды. А это уже микро-, наноэлектроника и IT-технологии.

Как было сказано ранее, все достижения в военной и оборонительной технике успешно, с некоторыми доработками, всегда переходят в цивильные области. Это касается и бое­вого комплекта одежды. Если посмот­реть на те свойства, которые надо придать армейскому обмундированию, то они без исключения необ­ходимы и для изделий из текстиля, используемых в других областях.

В таблице 2 приведены примеры результатов использования NBIC-технологий в армейском обмундировании в мирных областях (медицина, спорт, обустройство современного дома, техника). 

С каждым годом расширяется использование NBIC-технологий для создания одежды сотрудников силовых структур, профессий, связанных с нештатными ситуациями, и для цивильных областей. 

В таблице 3 дана экспертная оценка состояния в мире и РФ применения классических и NBIC-технологий для достижения свойств, необходимых для армейской и цивильной одежды. 

 

Возможные варианты выполнения проекта «Боевой комплект одежды современного солдата РФ» 

Мы в решении такой задачи не одиноки, над ней работают серьезные научно-технологические и инженерные школы во многих развитых (США, Франция, Германия, Япония, Южная Корея) и развивающихся (Китай, Индия) странах.

Поскольку самые большие успехи в этом направлении имеет США, то рассмотрим, как на государственном уровне решаются там эти проблемы, так как в области NBIC-технологий США является безусловным, признанным лидером (более половины всех патентов, компаний – разработчиков и производителей, наивысшие инвес­тиции, самый большой объем произведенной продукции, наибольшее наполнение боевого комп­лекта одежды NBIC-технологиями и апробация его в различных горячих точках мира).

Ниже будут приведены две организационные схемы научно-технологических проектов создания одежды солдата XXI в. США, в основе которых лежат требования к комп­лекту и научно-технологические (инженерные) достижения этих требований.

Обе схемы предусматривают обязательное руководство, финансирование и контроль за проектом Пентагона, при активном инвестиционном участии бизнеса всех уровней и современной и развитой промышленности США (один из мировых лидеров в производстве волокон, текстиля, одежды, технического текстиля). Как можно видеть, различие в этих двух схемах (рис. 2, 3) (специально для конкуренции) со­стоит в том, что в первой схеме концент­рация всех научно-технологических разработок происходит в специализированном научно-технологическом центре (в наших терминах – специализированный НИИ по комплексной, междисциплинарной и межотраслевой проблеме (рис. 2)).

Этот институт ISN (Institute solder nanotechnology – институт солдатских нанотехнологий) организован вливанием в структуру одного из самых продвинутых в мире университетов в области науки и техники МТИ (Массачусетский технологический институт, MIT). В ISN работает команда специа­листов (физиков, химиков, медиков, биологов, математиков, биохимиков, материаловедов, текс­тильщиков всех направлений) количеством 40 человек. Институт ISN может привлекать к работе любого сотрудника МТИ, со всех факультетов, кафедр и других научных институтов МТИ (обучается 40 тысяч студентов и аспирантов).

Финансирование идет из Пентагона (50 млн долларов на 5 лет. Примерно в таких же объемах проект финансируется бизнесом. В результате Пентагон получает технологию и заказанную продукцию (поку­пает по конт­ракту у промышленности), а бизнес, промышленность полу­чают новые технологии для производства инновационной продукции в различных цивильных областях со значительной добавленной стоимостью (коммерциализация). От реализации такой схемы выигрывают все: 

- государство решает проблему национальной безопасности;

- бизнес и промышленность получают прибыль и дальнейшее развитие;

- научное и инженерное сообщест­во получает финансовую поддержку для выполнения сложных прикладных задач, требующих сочетание фундаментальных исследований и инженерно-технологических решений;

- высшее образование полу­чает мощный импульс в подготовке специалистов новых направлений, подготовка которых требует новых и, прежде всего, междисциплинарных подходов;

- гражданин США, как налогоплательщик, получает уверенность в эффективных затратах (прозрачность отчетов на конгрессе) на этот проект и возможность приобретать на оте­чественном рынке отечественную инновационную продукцию;

- гражданин США, как потенциаль­ный военнослужащий или сотрудник профессий, связанных с высокой степенью риска, получает новый уровень защиты во внештатной си­туации;

- экономика США в целом получает конкурентоспособное преимущество в реализации новой инновационной армейской и цивильной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

На схеме рисунка 2 показана вышеописанная схема функционирования института ISN. 

Вторая схема (рис. 3) организации проекта с той же целевой функцией, что и в первой схеме, отличает­ся тем, что в решении проблемы государст­венной важности вовлечены 8 очень сильных по научно-технологическому уровню университетов, а проектом руководит научно-технический совет, в который входят представители всех 8-ми университетов. 

По отчету Пентагона, в результате внедренных технологий в производст­во боевого комплекта одежды солдат США в 2009-2010 гг. при прочих равных условиях потери бое­вого состава армии США снизились на 15 %.

В РФ по заказу Минобороны и силами ВПК проводятся систематические научные и опытно-конструкторские работы по совершенствованию боевого комплекта одежды солдата армии РФ.

Однако системное отставание отечественной науки в NBIC-технологиях, исчезновение многих отраслевых НИИ, слабое финансирование фундаментальных и прикладных работ на государственном уровне, а главное – резкая деиндуст­риализация перерабатывающей промышленности (машиностроение, приборостроение, химическая, фармацевтическая, текстильная, легкая и другие отрасли) сущест­венно затрудняют конкуренцию в данном проек­те, как и во многих других государственно важных проектах. В то же время работа над этим междисциплинарным, межотраслевым проек­том, его роль локомотива, фермента, катализатора, импульса, двигателя для развития многих отечественных перерабатывающих отраслей, для развития фундаментальных и прикладных наук, а коммерциализация этих технологий дала бы существенную добавку в бюджет РФ.

На рисунке 4 предложен проект схемы организации комплекса (инс­титута, центра) для решения данного проекта в РФ.

Представленная схема учитывает как мировой опыт, так и особенности отечественной отраслевой, вузовской и академической наук, состояние отечественной экономики и промышленности перерабатывающих отраслей.

Проект этот межотраслевой и междисциплинарный, и поэтому ни в одном вузе нет специалистов для формирования полной команды, поэтому следует за основу схемы принять два главных звена, без которых не удастся эффективно реализовать проект:

- головной институт по данной проблеме в структуре ВПК (ЦНИИ ТОЧМАШ – Ростехнология), имеющий большой опыт в решении задач по разработке боевого комплекта одежды российского солдата;

- создание на базе одного из ведущих национальных исследовательских университетов (например, МИФИ) научно-технологического инженерного центра «Армейское обмундирование солдата РФ XXI века».

Такой центр можно было бы организовать в структуре МИФИ, имею­щего хороший задел по многим направлениям NBIC. Центр может привлекать лучших специалистов из других вузов, академических и отраслевых НИИ по принципу формирования временных творческих коллективов.

Заказчиком и инвестором по данному проекту должно быть Мин­обороны, а формулировать технические задания для выполнения различных частей проекта и в комп­лексе должен головной отраслевой институт ЦНИИ ТОЧМАШ, который будет производить интеграцию, сборку всех частей проекта в единое целое – боевой комплект солдата РФ XXI в.

 

Литература:

1. Кричевский Г.Е. Химические, био- и нанотехнологии в производстве нового поколения волокон, многофункционального текстиля и одежды 21 века (монография). 2011. В печати. 

2. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. 3 т., М., МГУ, 2001 г., 298 стр. 

3. Military textiles. Edited by E Wilusz, US Army Natick Soldier Center, USA. Woodhead Publishing Series in Textiles No. 73, May 2008, 384 pages. 

4.

 

Журнал "Нанотехнологии Экология Производство", №5 (12), сентябрь 2011 г.