Текст книги "100 великих достижений в мире техники"

Виртуальные путешествия

Если помните, Алисе, чтобы попасть в Страну чудес, пришлось нырнуть, словно в колодец, в кроличью нору. А чтобы оказаться в Зазеркалье, она каким-то невероятным образом прошла сквозь зеркало.

Мне тоже представили на выбор два способа, как попасть в виртуальное пространство. Можно было либо просто подсесть к персональному компьютеру и взяться за оптическую мышку. Либо усесться на велосипед, нахлобучив на голову шлем с виртуальными очками.

Подумав, я решил поначалу особо не рисковать. Подсел поближе к жидкокристаллическому монитору компьютера, взялся за мышку…

Поначалу я словно бы спускался с большой высоты на парашюте. Ландшафт подо мной все укрупнялся, пока, наконец, не состоялось условное «приземление» в одном из районов Санкт-Петербурга. А именно на улице Большой Морской, у дома номер 67, где размещается Государственный университет аэрокосмического приборостроения (СПбГУАП).

Прошел вдоль здания и, заметив приоткрытую дверь, указал мышкой на него. Дверь отворилась, ваш покорный слуга оказался в вестибюле и… замер в изумлении. У меня явно начиналось раздвоение личности. Часть ее сидела перед мониторам, а другая находилась в трехмерном виртуальном пространстве.

Единственное, что меня несколько успокоило: подобным то ли пороком, то ли достоинством страдал не только я один. Помните, как удивился старик Хоттабыч, увидев в кинозале, как люди-киноактеры спокойно смотрели на экран, на котором их герои скакали на лошадях, дрались на саблях и вообще вытворяли бог знает что?. И в данном конкретном случае мои новые знакомые, студенты СПбГУАПа Оксана Мухина и Александр Никитин, спокойно сидели рядом со мной, и в то же время все вместе мы прогуливались по зданию университета.

Виртуальные двойники любезно пригласили меня подняться по лестнице на второй этаж, пройтись по аудиториям университета. Мы даже заглянули в кабинет ректора – благо что он оказался пуст – вышли на балкон, еще разок осмотрели окрестности с высоты второго этажа. Потом вернулись внутрь и пошли дальше.

Послушали немного лекцию в одной аудитории и отправились в библиотеку. Прошли по коридору, стены которого были увешаны портретами знаменитостей, причем о каждой тут же давалась короткая справка, и оказались в книгохранилище.

«Вы можете подойти к стеллажу и взять на выбор любую книгу», – пояснила Оксана. Я попробовал: указал стрелкой мышки на один том. Тот послушно покинул свое законное место, раскрылся, и я стал листать виртуальную книгу, разглядывая каждую страницу, примерно так же, как это я обычно делаю в библиотеке с книжкой бумажной…

А Александр предложил мне посетить военную кафедру. И мы тут же оказались на полигоне, где разворачивался грозный зенитно-ракетный комплекс С-300. Сначала влезли в кабину ракетовоза, потом произвели некие манипуляции с пультом управления. И дело, в конце концов, кончилось тем, что я нажал красную кнопку и посланная мной ракета улетела неизвестно куда.

После этого, пообвыкнув, я уж как-то не очень удивился предложению одного из руководителей проекта «Виртуальный мир», доцента кафедры вычислительных систем и сетей СПбГУАПа А. В. Никитина побывать на… Луне.

Причем в отличие от астронавтов, я прокатился по ней не на луноходе, а на велосипеде. Взгромоздился в седло, нахлобучил на себя шлем с виртуальными очками и мягко покатил по лунной пыли.

Новейшие компьютерные технологии позволяют совершить виртуальное путешествие на Луну

Ландшафты, я вам скажу, вокруг были обалденные. Я даже как будто почувствовал себя намного легче – ведь на Луне притяжение куда меньше земного.

«Эх, жаль, что мы вам пока еще не можем продемонстрировать соответствующие запахи, – посетовали мои гиды. – Тогда эффект присутствия был бы полным»…

Оказывается, ныне уже существует экспериментальная установка, позволяющая по ходу виртуального путешествия синтезировать и распространять в воздухе соответствующие запахи. Плывете вы, скажем, по виртуальному океану, а в воздухе пахнет морской солью, заглянули в райский сад, и ноздри вам щекочет аромат волшебных цветов…

Вернувшись с небес на землю, мы занялись делом вполне прагматическим – ремонтом автомобиля. И компьютер послушно продемонстрировал нам, как именно надо снять переднее колесо, чтобы добраться до забарахливших тормозных колодок.

Для более сложных случаев, кроме оптической мышки, потенциальному ремонтнику приходится пользоваться еще и интерфейс-перчатками, позволяющими даже ощутить те усилия, которые нужно приложить, чтобы отвернуть или завернуть ту или иную гайку или болт, снять какой-то узел.

Таким образом, человек, занимающийся ремонтом или наладкой сложнейшей аэрокосмической техники, получает подробный инструктаж, обретает необходимые навыки еще до того, как приступит к реальному делу.

Кроме того, «Виртуальный мир» уже сейчас позволяет ознакомиться с ландшафтами того или иного города, выучить пересечения его улиц еще до того, как в нем побываете. Мы, например, не сходя с места отправились в финский город Тампере, словно на велосипеде проехались по его улицам. Заглянули в виртуальный магазин и приценились к понравившимся нам вещам.

Точно так же потенциальный путешественник может ознакомиться с меню местных ресторанов, узнать, в каком театре идет тот или иной спектакль или представление, ознакомиться с отрывками из них.

«Со временем в нашей базе данных через Интернет будут появляться виртуальные описания все новых городов, включая не только Москву и Санкт-Петербург, – закончил пояснения доцент А. В. Никитин. – Будущим абитуриентам будет представлена возможность виртуального знакомства не только с нашим университетом, но и с другими ведущими вузами Санкт-Петербурга»…

А я подумал: подобной технике путешествий позавидовали бы, наверное, и Алиса с Льюисом Кэрроллом. Даром что сказочник по совместительству был еще и профессором математики. В его времена мысленные путешествия можно было совершать лишь в пространстве собственного разума. И рассказать о них только в сказке…

Компьютер из… пробирки?!

Не знаю, как вы, а я со своим компьютером иногда разговариваю. Ругаюсь или, напротив, пытаюсь лаской заставить его сделать то, что он делать как будто не намерен. И происходит маленькое чудо: бездушная вроде железяка перестает давать сбои и выполняет требуемое.

Но честно сказать, я был весьма удивлен, когда выяснил, что вскоре, похоже, такая манера обращения с вашим персональным помощником может стать вполне узаконенной, поскольку есть вероятность, что компьютеры вскоре… оживут!

Все началось с молекулы. В современные интегральных схемах процессы переработки информации идут уже и на атомно-молекулярном уровне. По сути дела, модель молекулы уже своего рода процессор. Вот и организовали в свое время в подмосковном Зеленограде Институт молекулярной электроники, который занимался интегральными и полупроводниковыми схемами. Ближе к 80-м ученые стали интересоваться электрофизическими свойствами органических кристаллов. Была открыта их высокая проводимость.

Однако все это было еще только присказкой. А настоящая молекулярно-электронная сказка началась в 80-х в США, где благодаря работам Эли Авирама из Thompson IBM Research Centre и Фореста Картера из Navy Research Laboratory начались попытки сделать устройство по переработке информации на молекулярном уровне.

Авирам и Картер выдвинули интересную идею: имеет смысл заменить диоды и проводники молекулами. Принципиальную возможность такой машины Авирам продемонстрировал в эксперименте.

Эти работы и положили, по существу, начало молекулярной электронике, под которой надо понимать использование органических материалов там, где роль играет не ансамбль молекул, а сами по себе отдельные молекулы, которые используются для решения задач электроники. Появилась возможность создавать то, что ныне называется молекулярными компьютерами.

Сразу возникло несколько направлений. Они были в общем-то на поверхности. Первое – это использование органических материалов в традиционной полупроводниковой вычислительной технике. Второе – попытки создать вычислительные машины, где бы использовались физические процессы, происходящие в молекулах. А третье, наименее разработанное направление попыталось отойти от господствующей схемотехники и попытать счастья в нетрадиционных архитектурах и подходах.

Ученые предлагают заменить диоды и проводники молекулами

Чем же привлекал ученых молекулярный компьютинг? Во-первых, он отличается полной идентичностью чипов. Молекула – она молекула и есть. И природа сама побеспокоилась, чтобы такая схема оказалась дешевле нынешних БИСов. Во-вторых, молекула очень мала. Благодаря ее размерам молекулярная супер-ЭВМ может быть не больше спичечного коробка. В-третьих, на молекулярном уровне мала энергия переключения. В-четвертых, молекулярные устройства не подвержены дробовому, паразитному шуму.

Но кроме достоинств тут есть немало осложняющих моментов. К примеру, чтобы система реагировала однозначно на определенный сигнал, молекула должна быть достаточно большой. А чем больше молекула, тем меньше выигрыш.

Примерно то же самое стало выясняться и по другим характеристикам. Оказалось, что преимущества у молекулярной вычислительной техники есть, но они не очень явные. Поэтому, если не обнаружатся дополнительные их свойства, которых не имеют обычные компьютеры, решили исследователи, молекулярная «овчинка» вряд ли стоит выделки.

Пойди туда, не знаю куда… Однако вскоре выяснилось, что некий гибрид между нейрокомпьютером и молекулярной машиной может, в принципе, делать то, на что способностей у «нормальных» компьютеров не хватает. Вы знаете, наверное, что задачи делятся на вычислимые и невычислимые. Ведь нынешняя вычислительная техника может далеко не все. Но и среди вычислимых, по строгому определению, есть задачи, которые на практике решить невозможно. Существует, например, классическая задача о коммивояжере: есть определенное количество городов, которые ему надо объехать, не побывав ни в одном по два раза, и при этом выбрать наикратчайший маршрут. Вроде бы простенькая задачка? Но это если точек-городов не очень много. Есть некое предельное количество точек, превышая которые вы переводите задачу из вычислимых в нерешаемые.

С каждым годом, с дальнейшим развитием техники и науки, «плохих» задач становится все больше – в химии, сложной газодинамике, биологии, социологии…

Нейрокомпьютерный вычислительный механизм возник во многом как реакция на резкий рост числа нерешаемых задач. Ведь в нейрокомпьютерах благодаря свойствам нейронов возникает некий коллективный процессор. Сравнительно простые элементы собираются в систему, которая за счет связей между ними демонстрирует весьма сложное поведение. Формальные нейроны связаны друг с другом в то, что называется нейросетью, и получается, что свойства системы могут позволить работать с «плохими» задачами.

Если же мы проанализируем молекулярные процессы, то обнаружим, что механизм переработки информации в этом случае отличен от классической фон-неймановской модели. Вот, например, система лейкоцитов – это громадное количество однотипных устройств, в функцию которых входит, передвигаясь, постоянно производить анализ встреченных объектов, отвечая на вопрос, свой или чужой, и принимая решение, уничтожать их или не уничтожать. А ведь это – гигантский параллелизм! Если в Connection Machine – самой «параллельной» на сегодняшний день ЭВМ – около 64 тыс. процессоров, то здесь – 10 в бог знает какой степени! Лейкоциты сами не знают в какой!

Кроме параллелизма, молекулярные процессы демонстрируют сложные механизмы переработки информации – это нелинейные динамические процессы.

Все это, как вы понимаете, с немалой уверенностью позволяет говорить о том, что «молекулярные ЭВМ» смогут значительно понизить планку, отделяющую решаемые задачи от нерешаемых, «хорошие» от «плохих»!

Пока варится «супчик». Группа доктора химических наук, профессор, заведующий отделом информатики Международного научно-исследовательского института проблем управления Н. Г. Рамбиди работает над пока очень простыми моделями. «Мы берем квазиплоский слой, где небольшие области среды можно рассматривать как элементарные процессоры, и организуем связь между процессами, – рассказывал Николай Георгиевич. – Работаем пока в реляционно-диффузионных системах – интересуемся их информационными характеристиками. Процессы, идущие в тонком слое, освещаем, снимаем на видеокамеру, обрабатываем и подаем на персоналку: система может работать с изображениями – для этого есть проектор, система зеркал…»

И даже на этих элементарных моделях, как оказалось, можно заметить очень интересные вещи. Даже вполне самодельная система показывает, что возможно, например, реализовать на молекулярном нейрокомпьютере так называемый алгоритм Блума, который очень громоздко реализовывается в обычных ЭВМ, а также наша система может выделять контуры фигур, убирать шумы…

Впрочем, пока нейрокомпьютера, работающего на молекулярных принципах, не существует. Ни у Рамбиди, ни за рубежами Института проблем управления, Москвы, России. Но у Рамбиди есть нечто: странный «супчик», который варится в странном сосуде, который в свою очередь снимается на видео… Может, выпускник филфака никогда в жизни и не догадается, что «супчик» имеет отношение к информатике, однако всемирно известный журнал Computing (несколько сотен тысяч тиража для научного журнала на Западе – это вам не баран чихнул!) – его сотрудники готовили тематический выпуск по молекулярным ЭВМ – опубликовал единственную работу из России, и это была статья о его, Рамбиди, экспериментах. На нее в квартиру профессора на Соколе в Москве уже успел прийти отклик. Из Австралии. Там тоже, оказывается, занимаются сходными вещами, но, к радости Георгиевича, австралийцы пока еще не вышли из теоретической фазы работы, а у Рамбиди в отличие от них – уже «супчик»…

Каким окажется действующий нейромолекулярный компьютер? Видимо, это будет система связанных друг с другом пленок, где будут протекать процессы неимоверной сложности. Ведь каждая крупинка – это процессор. Однако пока от «супчика» Рамбиди до такого вот «слоеного пирога» еще сто верст и все лесом…

Бактерии тоже умеют считать. Впрочем, не только в нашей стране есть специалисты по живым компьютерам. Американцы движутся своим путем, взяв за основу системы, созданные на основе бактерий, проживающих в солончаках! В итоге на горизонте, похоже, появляются так называемые ДНК-компьютеры.

Использование бактерий вместо традиционных микросхем кажется совершенно невероятным и недостижимым. Ну скажите, пожалуйста, как это с помощью каких-то микробов можно складывать и вычитать цифры, набирать тексты, создавать рекламные видеоролики, выяснять, есть ли свободные места на ближайший поезд, и т. д.? Думаю, что люди совершенно также не представляли, а многие не представляют и сейчас, как это делают обычные компьютеры, построенные на основе кремниевых микросхем. Многие не знают, что процессор на самом деле ничего не умеет, кроме элементарных арифметических и логических операций, но на этом построены все те компьютерные чудеса, которые мы наблюдаем сегодня. Все гениальное – просто!

Утверждение о недостижимости создания биокомпьютеров в ближайшем столетии опровергает американский химик Джеймс Хикман, занимающийся вживлением нейронов лабораторных крыс в электронные устройства, который считает, что биоэлектронные технологии станут реальностью через 3–5 лет.

Возможности биоэлектронной техники потрясают воображение. Например, профессор из Университета Южной Калифорнии Леонард Адлеман поразил научное общество описанием того, как, используя молекулы ДНК, можно производить сложные математические вычисления эффективнее, чем на мощных суперкомпьютерах.

Так называемые ДНК-компьютеры потребляют в миллиарды раз меньше энергии, чем обычные компьютеры, и, используя триллионы молекул, ДНК могут одновременно выполнять миллиарды операций. Было подсчитано, что примерно полкилограмма молекул ДНК может хранить информации больше, чем память всех до сих пор созданных компьютеров, вместе взятых.

При этом молекулы должны храниться как взвесь в емкости, вмещающей около тонны жидкости. Получается этакий разумный аквариум, который может помнить все и вся. Нужно только время от времени подкармливать его и следить за чистотой, чтобы он лучше считал. Кстати, считает «пробирочный» компьютер просто великолепно. Для решения задачи, на которую он тратит всего неделю, традиционным компьютерам понадобилось бы несколько лет машинного времени.

В дополнение к «живым» процессорам Центр молекулярной электроники Сиракузского университета разработал «живую» память. Университетские ученые с помощью лазерного луча научились записывать и читать информацию на протеине (белке), который получают из живущих в солончаковых болотах микроорганизмов. Таким вот образом кремниевая электроника постепенно превращается в «болотную».

Ну а что же дальше? Что будет дальше, можно ответить словами одного из разработчиков биокомпьютерных технологий Уильяма Гибсона: «Наши праправнуки даже не будут знать, что такое компьютер, потому что они сами будут компьютерами. По мере эволюции интерфейса связи между человеком и компьютером сам по себе компьютер станет невидимым».

Что же это? Очередное покушение на человека? Подмена его бесчувственной машиной? Думаю, что нет. Человек останется таким, какой он есть, – со своими достоинствами и недостатками, радостями и печалями, надеждами и мечтами. Значительно вырастут лишь его интеллектуальные способности, и то, что сегодня за него делают компьютеры, он будет делать сам – легко и непринужденно, словно вдох и выдох, словно ритмичное биение сердца.

Бактерии учат… стихи?!

Канадский поэт Кристиан Бок стал автором самой оригинальной публикации в мире. Он закодировал собственные стихи… в геном бактерии Escherichia coli (или Е. coli). Для этого литератор специально выучил молекулярную биологию и программирование, сообщает BBC News.

Создана «генетическая азбука»? Первое, что приходит на ум после такого сообщения: «Стоило ли заниматься такой чепухой? Не проще ли было выложить свои вирши в Интернет»…

Однако первый представитель «живой поэзии» далеко не так прост, как может показаться поначалу. Преподаватель кафедры английского языка в Университете Калгари, Канада, прежде не имевший научной подготовки в области молекулярной биологии и компьютерного программирования, потратил четыре года своей жизни на самостоятельное изучение этих дисциплин, а также на выполнение собственно самой работы по генетической записи информации. После чего попросил проверить полученные им результаты своих коллег по Университету Калгари с факультета молекулярной биологии.

Те прошли по следам Бока и не обнаружили в его работе особых огрехов. Он действовал по всем правилам молекулярной биологии.

Суть же работы такова. Как известно, геномы живых существ состоят из ДНК – особой полимеразы или, если хотите, природного полимера, который, в свою очередь, составлен из четырех типов мономеров. Их часто называют буквами – аденин (А), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (Т), – хотя химически они являются нуклеотидами. Определенные сочетания таких «букв» кодируют те или иные аминокислоты – элементарные «кирпичики», составляющие белки.

Бактерия Escherichia coli

Так вот поэт-микробиолог придумал собственный «генетический код», где определенные сочетания нуклеотидов кодируют буквы алфавита.

Так, например, в нуклеотидной последовательности ATA означает закодированную букву Y обычного английского алфавита, а GTG соответственно обозначает букву N. В итоге последовательностям, кодирующим строки стихов, соответствуют определенные белки, которых обычно в клетке нет.

На создание такой «генетической азбуки» у поэта и ушло четыре года упорной работы. Он добился, что последовательность аминокислот в белке можно менять в соответствии с буквами слов в строках его стихов, осуществив таким образом весьма оригинальную запись информации. Ему даже удалось разработать специально для проекта новый ген, который называется X-P13. Он-то и помог закодировать в геноме бактерии не свойственную ей ранее информацию.

Гарант литературного бессмертия? Впрочем, подобные «подвиги» биохимики, оказывается, совершали и ранее. Так американский ученый доктор Пак Вонг несколько лет тому назад закодировал выражение Small World After All в цепи ДНК бактерии Deinococcus radiodurans.

Вслед за тем доктор Крейг Вентер, который в 1999 году расшифровал геном человека, а затем, в 2010 году, создал и первый в мире искусственный организм – бактерию под названием «Микоплазма лабораторная», встроил ее геном не только свое имя и имена своих коллег, но еще и цитаты из книг известного писателя Джеймса Джойса и работ лауреата Нобелевской премии, знаменитого физика Ричарда Фейнмана.

Однако доктор Бок, как утверждают, сделал следующий шаг в науке. Он заставил клетки бактерий использовать искусственную ДНК в качестве шаблона для построения белков, которые являются строками из молекул, называемых аминокислотами.

«Химическая криптография Бока предназначена для работы на двух уровнях, – говорят его коллеги. – Он не только разработал шифр для связи букв алфавита с конкретными нуклеотидами, но и создал второй уровень шифрования, чтобы синтетический ген мог использовать созданные белки для передачи зашифрованных сведений по наследству»…

Так профессор Сюй Хуан – микробиолог из того же Университета Калгари, где работает Бок, подтвердил, что в лаборатории в настоящее время удалось наблюдать имплантацию стихотворение гена как свободно плавающий кусок ДНК в ядре Е. coli.

В дальнейшем доктор Бок, реализуя вторую стадию своего Xenotext-проекта, намерен увековечить свои стихи еще и в геноме D. radiodurans бактерии. Он выбрал эти бактерии, которые иногда еще именуют «Конан-бактериями» за их прочность. Эти экстремофилы являются самым прочным организмом в мире, способным противостоять излучению, холоду, обезвоживанию и кислотам. Поэтому он надеется, что его биохимический текст, вложенный в геном D. radiodurans, сможет продолжать размножение в течение миллиардов лет.

К тому времени человеческая цивилизация уже завершит свое существование, полагает Бок. И что останется после нее? «Единственное наследие, которое мы оставим, – это фоновое излучение от ядерных отходов, а также экологические и геологические последствия изменений климата, – говорит поэт-исследователь. – А тут, по крайней мере, останутся еще и стихи»…

Однако доктор Джулиан Паркхилл из Wellcome Trust Sanger Institute скептически отнесся к возможности литературного бессмертия закодированного произведения Бока. «Его стихотворение будет быстро удалено из генома путем естественного отбора, поскольку нет никакой пользы от принимающей бактерии, – сказал он. – Естественный отбор сработает почище, чем литературная критика».

Профессор Хуан тоже признал, что такая возможность вполне реальна. Тем не менее он полагает, что в работе Бока есть и своя польза. «Он наглядно показал информационные возможности биологии», – сказал он.