Ku regeneracji v. 2.0 – materiały samoleczące i regeneracja jako funkcja rekonfigurowalnej elektroniki.

Wbrew tytułowi,tak naprawdę,jeśli chodzi o regenerację nie osiągnięto jeszcze tak wiele by dogonić naturę,tym bardziej zaś – wyprzedzić ją. Mimo to sprawa jest ciekawa.

W najnowszej wersji gry Starcraft 2 (Wings of Liberty), oprócz zdolnej do regeneracji rasy zergów również w rasie ludzi potencjalnie dostępna jest „technologia regenerującego się pancerza”. Nie wiem,czy w tej grze ma to jakieś szczególne znaczenie – w rzeczywistości jednak, miałoby na pewno. Popatrzmy bowiem ogólnie:

Siłą ludzi i zwierząt w porównaniu z robotami przy wykonywaniu prac fizycznych, jest zdolność do przystosowania – ale też, do częściowej regeneracji obrażeń. Skóra ulega regeneracji,a po drobniejszych zranieniach i otarciach po jakimś czasie nie pozostaje nawet ślad. Funkcje uszkodzonych tkanek przejmują inne. Naprawdę, trochę trzeba,by uszkodzenie żywego organizmu – człowieka czy zwierzęcia było naprawdę trwałe.Tymczasem uszkodzone maszyny i materiały zwykle pozostaną uszkodzone nawet w drobny sposób,a uszkodzenia te będą się kumulować. Co to oznacza ? Oczywiście: koszty,czas poświęcony na naprawy,konieczność ingerencji technika. mechanika, czy innego specjalisty i zakupu części zamiennej, lub wręcz konieczność zakupu nowego produktu…

Co z tym można zrobić ?

Generalnie rozwiązania są trzy:

  • „Płakać i płacić” – ponosić koszty występującego problemu i napraw usterek.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu przejęła funkcję uszkodzonej,lub chociaż zachowywała się stosownie do uszkodzenia.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu naprawiła się sama.

Rozwiązanie pierwsze,szczególnie gdy niezawodność przegrywa z ceną,czy też może być z natury ograniczona było stosowane do tej pory najczęściej. Pozostałe rozwiązania wyglądają na skomplikowane w praktyce. Nie oznacza to jednak,że przynajmniej częściowo nie mogą zostać zrealizowane.Jest to wyjątkowo ważne,ponieważ własność samoleczenia/samonaprawy może znacząco zwiększyć niezawodność materiałów i wydłużyć czas funkcjonowania niektórych urządzeń.To naprawdę jest możliwe !

Istnieje wiele (często współdziałających) rozwiązań składających się na te rozwiązania – a tym samym na mniej,lub bardziej zaawansowane systemy samoleczące.Są to:

  • Nadmiarowość
  • Modułowość
  • Samoorganizacja
  • Hierarchiczna struktura
  • Możliwość transportu w strukturze różnych jej elementów
  • Specyficzne elementy naprawcze

Przykładem częściowej realizacji stosunkowo prymitywnego sposobu, na pewnego rodzaju przejęcie funkcji uszkodzonego systemu, czy nawet regenerację w samolotach F15, była nadmiarowość elementów elektronicznych, połączona z modelowaniem lotu, w celu wykrycia rozbieżności z modelem sprawnego samolotu. Z czasem założono,że więcej osiągnąć można poprzez zastosowanie sieci neuronowych .Więcej o tych badaniach można poczytać w dokumencie „The story of Self-Repairing Flight Control Systems” dostępnym na stronie NASA

Współcześnie przy coraz krótszym czasie rekonfiguracji możliwe byłoby również (być może) w niektórych wypadkach skorzystanie z rekonfigurowalnych układów FPGA [Wikipedia: PL, ANG ]

Rekonfigurowalna elektronika, nie jest może w pełni porównywalna z najnowszymi dedykowanymi układami ASIC czołowych producentów,ale ma duży potencjał jeśli chodzi o elektroniczne systemy w których funkcję uszkodzonego układu przejmują po przeprogramowaniu inne. W niektórych (szczególnie tych bardzo zaawansowanych przypadkach) bardzo istotną kwestią jest jednak czas rekonfiguracji, zwłaszcza wczytania konfiguracji z pamięci flash. O układach FPGA już wielokrotnie wspominałem, jeszcze napiszę o nich wkrótce,ponieważ jest to bardzo interesująca i w niektórych zastosowaniach – bardzo obiecująca technologia.

W informatyce zresztą stosuje się również niekiedy zastępowalność i nadmiarowość – przykładem jest (w niektórych przypadkach) np. w niektórych macierzach dysków RAID. (należy uważać na macierze softwarowe – obciążają one procesor bardziej)

Jednym z bardziej wydajnych rozwiązań, zmierzających do regeneracji przez systemy elektroniczne pomimo uszkodzeń jest wykorzystanie automatów komórkowych w elektronice rekonfigurowalnej,poprzez wykorzystanie specyficznego algorytmu TTA (Tom Thumb Algorithm). Jest to algorytm powstały na podstawie uproszczenia mechanizmu samoreplikacji w automatach komórkowych znanych jako maszyna samoreplikująca (universal constructor) von Neumanna (który zresztą odpowiada, za wprowadzenie idei samoreplikacji w odniesieniu do maszyn i jest twórcą idei automatu komórkowego – choć opierał się początkowo również na pracach Polsko-Amerykańskiego matematyka Stanisława Ulama). Algorytm ten pozwala na wykorzystanie nadmiarowości urzadzenia rekonfigurowalnego tak,by w miarę możliwości ominąć uszkodzone obszary. Algorytm ten został on wprowadzony przez Umberto Pesavento,badacza włoskiego pochodzenia.

Jednak jak wspomniałem, nadmiarowość i ewentualnie hierarchiczna struktura nie są jedynym rozwiązaniem. Jeśli chodzi o materiały samoleczące, istnieje dużo więcej prostych ideowo,a przy tym bardzo skutecznych rozwiązań.

Zasadniczo, oprócz materiałów samoleczących, ulegających samodzielnej regeneracji wyróżnia się takie,które podlegają jej w odpowiedzi na wprowadzony przez człowieka odczynnik – np. odczynnik chemiczny. Ponadto, pewne materiały posiadają z natury pewne zdolności do „samoleczenia”, na przykład:

  • Określone tendencje do ruchu cząsteczek (w wyniku zjawisk fizykochemicznych takich jak np. dyfuzja
  • Odpowiednie naprężenia ściskające w przypadku pęknięć
  • Odpowiednie nagrzewanie (w wypadku szkieł,szkieł metalicznych i niektórych stopów)
  • Pasywacja / Utlenianie (również ceramiki) i inne reakcje chemiczne powodujące powstanie stabilnej międzywarstwy
  • Przemiany fazowe pozwalające na wypełnienie pęknięć przez nową fazę.
  • W pewnych określonych przypadkach – pamięć kształtu.

Natomiast w literaturze naukowej, wspomina się następujące procesy i rozwiązania intensyfikujące samolecznie:

  • Enkapsulacja i mikroenkapsulacja cząsteczek (zamknięcie w kapsułkach) lub „drążone włókna” („hollow fibres”) z określoną substancją/substacjami wypełniającymi np. pęknięcia.
  • Transport Kanalikowy (przez pęknięcia i pustki)
  • Rozszerzające się fazy
  • Rozdzielanie się faz
  • Odwracalne sieciowanie (polimery)
  • Wzrost temperatury
  • Procesy elektrochemiczne
  • Procesy biologiczne
  • Samoorganizacja cząsteczek (zwłaszcza organicznych – ale nie tylko)

Należy pamiętać,że nie wszystkie te rozwiązania występują we wszystkich materiałach i układach naraz,lecz można zastosować w odpowiednich warunkach nawet kilka z powyższych rozwiązań.

Do bardziej konkretnych przykładów samoleczenia w materiałach należą:

  • Warstwy antykorozyjne i polimerowe, wykorzystujące „mikrokapsułki” lub drążone włókna. Ich działanie polega na tym,że powstałe w materiale pęknięcie jest zasklepiane, dzięki działaniu odpowiednich żywic lub innych odczynników chemicznych. Rozwiązanie z „drążonymi włóknami” pozwala ponadto,na uzyskanie złożonych chemicznie kilku odpowiednich substancji reagujących ze sobą tuż po powstaniu pęknięcia – np. żywicy i utwardzacza w przypadku polimerów.Z przykładem działania enkapsulacji odczynnika w celu powstrzymania wzrostu pęknięcia można zapoznać się na poniższym obrazku:
  • Jonomery EMAA,w których powstałe wskutek trafienia pociskiem pęknięcie, które prawdopodobnie pod wpływem aktywowanych cieplnie przemian ulegają zasklepieniu. Swoją pracę (master thesis) napisał na ten temat Stephen James Kalista Jr.
  • Warstwy pasywacyjne – szczególnie warstwy chromu w stopach żelaza z chromem i strukturach chromowanych. Są to bardzo stare rozwiązania,co nie zmienia faktu,że bardzo skuteczne jeśli chodzi np. o ochronę przed korozją.
  • Pęknięcia mogą być usunięte dzięki obecności odpowiednich naprężeń ściskających oddziałujących na strukturę (na przykład w trakcie eksploatacji)
  • Pęknięcia mogą być usunięte w aluminium w odpowiednich warunkach ,dzięki dyfuzji atomów miedzi w strukturze stopów aluminium.
  • W pękniętej strukturze betonu dzięki obecności bakterii przyspieszeniu ulec może naturalny proces odbudowy struktury krystalicznej węglanu wapnia – co oznacza likwidację części uszkodzeń strukturalnych.

W ten sposób, materiały samoleczące są skutecznym rozwiązaniem, chroniącym materiały przed utratą pełnionych funkcji wskutek pęknięć,korozji i innych uszkodzeń które w sposób skuteczny wyłączają materiał lub urządzenie z dalszej eksploatacji.

Praktycznie jednak procesy te nie umywają się do skuteczności i elegancji np. powstania skrzepu w miejscu zranienia,zrastania się kości, czy natychmiastowego rozkładu,a następnie ponownego złożenia, uszkodzonego wskutek działania światła białka. Tak czy inaczej, technologie te będą dynamicznie rozwijane i w najbliższych dziesięcioleciach należy spodziewać się znacznego postępu w prowadzonych nad nimi badaniach.Ponieważ wbrew tendencji niektórych producentów do planowego postarzania produktów,my konsumenci chcemy dobrych i sprawnych produktów.A w pewnych sektorach – szczególnie medycznym i wojskowości sprawność urządzenia jak najdłużej nadal ma pierwszorzędne znaczenie.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s