	В.А. Лопота директор, главный конструктор ЦНИИ РТК, член-корреспондент РАН, Санкт-Петербург
	Е.И. Юревич ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург

Общая закономерность научно-технического развития во всех сферах человеческой деятельности - прогрессирующее усложнение, интеграция и интенсификация техники. Это неизбежно приводит, с одной стороны, к росту роли "человеческого фактора" в технических системах, а, с другой, - ко все более ограничивающему влиянию этого фактора на дальнейшее развитие и надежность этих систем и, прежде всего, наиболее наукоемких. Трагическим подтверждением этого противоречия является возрастающее количество аварий по вине персонала, причем на самых, казалось бы, совершенных технических объектах и системах. Это противоречие требует кардинального пересмотра самих принципов взаимодействия человека и техники с тем, чтобы свести к минимуму непосредственное участие человека в ее функционировании в реальном времени вплоть до полного его устранения.

Рис. 1. Функциональный состав технических систем и комплексов.

Рис. 2. Мехатронные модули, робототехнические и автоматические системы

Сложившиеся в последние годы общие тенденции развития техники и технологии, которые обещают революционную перестройку буквально всех сфер человеческой деятельности, включая решение указанной проблемы, - это миниатюризация и интеллектуализация. Эти тенденции тесно взаимосвязаны и постепенно как форма и содержание сливаются в микросистемную мехатронную технику.

В фундаменте этого процесса - реализация обеих тенденций в основных компонентах этой техники - сенсорных, информационно-управляющих и исполнительных (силовых) и их сближение на базе развития общих трехмерных (3D) микросистемных технологий. Это позволит приступить к созданию принципиально новых типов малоразмерных технических объектов и систем, например, летательных аппаратов, роботов, протезов и т.п. Однако, не в меньшей степени эти тенденции порождены и потребностями остальных отраслей машиностроения, вплоть до тяжелого - ракетно-космического, станкостроительного, транспортного и др., открывая возможности создания наукоемких машин новых поколений, невозможных на существующих элементной базе и технологиях.

Исследования этой проблематики и соответствующие разработки ведутся во всем мире со все возрастающей интенсивностью. Однако эти работы, в том числе и в нашей стране, ведутся в рамках отдельных отраслей для покрытия своих частных потребностей с неизбежным параллелизмом и общим перерасходом ресурсов. В то же время в основе всех таких систем лежат одни и те же указанные выше функциональные компоненты.

Учитывая межотраслевой характер и государственную важность проблемы, целесообразно поставить вопрос об унификации и стандартизации этих компонентов с разработкой принципов и методик проектирования технических систем на их основе. Расчеты показывают, что такой подход позволит более чем на порядок сократить расходы и сроки решения этой комплексной проблемы в государственном масштабе при одновременном кардинальном повышении качества ее решений.

Актуальный пример - космические робототехнические нано- и пикоспутники ближайшего будущего с массой менее килограмма, оперативно комплектуемые в соответствии с конкретными задачами различными модулями (наблюдения, химического и бактериологического анализа различных объектов, связи, управления, навигации и т.д.). Аналогичные перспективы у микролетательных и наземных мобильных робототехнических аппаратов.

По существу, предлагаемый системный подход к созданию интеллектуальной микросистемной техники будущего стратегически не имеет альтернативы. Поэтому, по крайней мере, к разработке его концептуальной основы и технико-экономического обоснования следует приступить, по возможности, не теряя времени. Совершенно очевидно, что страна, которая первой на межотраслевом уровне сможет реализовать такой подход, получит существенный приоритет для стратегического рывка в этом важнейшем научно-техническом направлении. Этому системному прорыву не смогут помещать частные отставания в технологиях, элементной базе и т.п.

Конечным результатом должно стать создание системы функционально и конструктивно унифицированных интеллектуальных мехатронных модулей как основы наукоемкой техники нового поколения, а также и модернизации действующей техники.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие первоочередные задачи:

анализ перспективных потребностей в рассматриваемых робототехнических, автоматических и биотехнических системах;
разработка унифицированных мехатронных модулей;
разработка принципов и методов модульного проектирования технических и биотехнических систем;
создание базовых модульных мини- и микротехнических и биотехнических систем промышленного и специального назначения наземного, водного, воздушного и космического базирования;
разработка и согласование с заинтересованными министерствами и ведомствами программы организации производства созданной системы модулей;
модернизация на основе этих модулей действующего поколения важнейшей техники;
организация подготовки и переподготовки кадров в области микротехники и микротехнологий по заявкам заинтересованных министерств и ведомств.

Основными научно-техническими аспектами перечисленных перспективных направлений и задач являются:

трехмерные микротехнологии мехатронных модулей;
интеллектуальные микроэлектронные нейронные модульные структуры обработки информации;
микроэлектромеханические системы приводов типа искусственных мышц;
аппаратно-программное обеспечение для согласования компонентов компьютеризированных промышленных и специальных комплексов с обеспечением защиты информации;
интеллектуальные микросистемные интерфейсы для человека-оператора с обеспечением "эффекта присутствия".

Рис. 3. Развитие технических систем (роботы и автоматы)

Рис. 3. Применительно к робототехнике и автоматике показано развитие общей тенденции миниатюризации техники. Процесс состоит из этапов эволюционного развития, сменяющихся переходом на качественно новые виды техники. Сверху S-образных эволюционных кривых приведены названия этих этапов, а снизу - примеры соответствующих типов роботов.

Рис. 4. Развитие компонентов технических систем

Рис. 4. Показано развитие процесса миниатюризации основных компонентов технических систем. Внизу слева приведены типовые примеры компонентов и элементной базы для отдельных этапов их развития. Первый качественный прорыв был сделан в информационно-управляющих компонентах на базе 2D-микроэлектронных технологий и до последнего времени эти компоненты продолжают лидировать в этом процессе и практически уже не лимитируют общий прогресс миниатюризации технических систем в целом. Для последнего наиболее важным стала микроминиатюризация сенсорных компонентов на базе 3D-микросистемных технологий. Однако основными компонентами, сдерживающими дальнейшую миниатюризацию технических систем, являются исполнительные (силовые) компоненты. Они до настоящего времени базируются в основном на технических идеях двигателей XIX в. Их будущий прогресс связан с созданием микроминиатюрных машин и механизмов типа искусственных мышц на базе 3D-микросистемных технологий.

Рисунок демонстрирует общую тенденцию сближения и в перспективе конструктивного слияния всех компонентов на общей технологической базе микросистемной техники. Вывод: приоритетной основой машин и систем будущего должна стать единая система их компонентов в виде функционально, конструктивно и информационно унифицированных модулей (овал внизу слева).

Рис. 5. Схема создания мехатронных машин и систем

Рис. 5. Показана принципиальная последовательность создания мехатронной базы машин и систем новых поколений, которая может быть реализована на основе соответствующей межотраслевой научно-технической программы.