Формирование шестого технологического уклада. Эволюция биотехносферы

УДК 378.14

В. В. Лучинин, д-р. техн. наук,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Формирование шестого технологического уклада. Эволюция биотехносферы

Ключевые слова: биотехносфера, интеллектуальный базис, прогноз, риски, технологический уклад. Key words: the technological mode, biotehnosfera, the Intellectual base, the forecast, the risks.

Представлен прогноз формирования шестого технологического уклада в области биотехносферы с анализом интеллектуального базиса инноваций в отношении информационных и бионических технологий. Сделано предположение о возможных угрозах ирисках при переходе России к шестому технологическому укладу.

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе основополагающим понятием при характеризации различных направлений развития нашей страны является «модернизация» (от гр. moderne — новейший) [1], в ходе которой общественно-экономическая система отношений должна становиться более прогрессивной, инновационной. Анализ общественно-экономической системы с позиции создания и использования продукции с высоким уровнем интеллектуально добавленной стоимости предполагает обращение к такому модному сейчас термину, как «технологический уклад» [2].

Понятие «технологический уклад» берет свое начало из теоретических представлений о циклической динамике процессов в экономике, развитых русским ученым-экономистом Н. Д. Кондратьевым. В основе теории лежит представление о существовании больших по продолжительности (около 50 лет) экономических циклов, в процессе которых осуществляется переход производительных сил на следующий более высокий уровень развития. Считается [3], что термин «технологический уклад» (волна) введен российскими учеными экономистами Д. С. Львовым и С. Ю. Глазьевым. Формально уклад — это обустройство, установившийся порядок жизни. Фактически под технологическим укладом понимают некоторый уровень развития производства, характеризующийся совокупностью базовых технологий, опирающихся на достигнутый ресурсный, научно-технический и кадровый потенциалы.

В соответствии с представлениями Н. Д. Кондратьева временная динамика научно-технических

революций опосредованно определяет переход к новому технологическому укладу. В литературе [4] указывают на пять так называемых волн, соответствующих во времени определенному технологическому укладу и на зарождение нового шестого технологического уклада в наиболее динамично развивающихся странах: США, Японии, КНР. В табл. 1 представлены результаты нашего анализа данных волн, которые выявляют базовые технологии, определяющие становление технологического уклада и его особенности, т. е. признаки, характеризующие его несомненную новизну. Представлен также наш прогноз развития базовых технологий шестого технологического уклада, который по мнению, изложенному в работе [5], начнет оформляться в 20102020 гг., а в фазу зрелости вступит в 2040-е гг.

К сожалению, сегодня не представляется возможным точно определить временные границы VI технологического уклада. Формально считается, что различные технологические уклады могут сосуществовать, а весь жизненный цикл существования технологического уклада определяется периодом порядка ста лет. Для данного жизненного цикла характерны фазы доминирования со структурной перестройкой производства и экономики на основе внедряемых и закрепившихся системных новаций, а также фаза отмирания как базис сохранения стабильности производства и интеллектуальной среды для научного, кадрового и экономического обеспечения будущих востребованных технологий.

Внутри временного интервала активного действия технологического уклада можно выделить два временных цикла. Один, длительностью порядка 10 лет, характеризует динамику смены используемого технологического базиса, т. е. смену поколений техники, относящейся к активной части основных фондов. Второй определяется временной динамикой, связанной с востребованностью на рынке и конкурентоспособностью выпускаемой продукции, стимулирующими инновации для обновления моделей или модификации продукции.

Высказывается предположение, что продолжительность временных циклов технологических

Таблица 1 | Характеристики технологическихукладов

Технологический уклад Период, годы Базовая технология (производства) Особенности

I 1785-1835 гг. Текстильное производство Становление промышленного производства. Использование энергии воды

II 1830-1890 гг. Механическое производство Развитие железнодорожного и водного транспорта. Использование пара

III 1880-1940 гг. Металлургия. Машиностроение. Электротехника Тяжелое и энергетическое машиностроение. Автомобилестроение. Радиосвязь. Использование электрической энергии

IV 1930-1990 гг. Химические технологии. Точное машиностроение. Радиоэлектронные технологии. Авиационно-космические технологии Радиоэлектроника. Компьютерные технологии. Массовое производство различных транспортных средств. Конвейерные технологии. Использование нефти, газа, атомной энергии

V 1985-2035 гг. Материаловедение. Микро- и наноэлектроника. Информационные технологии. Биотехнологии Интернет-технологии. Высокоскоростные транспортные сети. Биомедицинские технологии. Развитие энергосберегающих технологий

VI Атомно-молекулярная инженерия. Бионическая инженерия и робототехника. Биоинформационные и сетевые технологии. Микро- и наноэнергетика. Космические технологии Глобальные информационные коммуникационные сети. Системы искусственного интеллекта и искусственные органы. Комплексная роботизация. Нетрадиционная энергетика. Освоение труднодоступного земного и внеземного пространства

укладов будет сокращаться, а основным стимулирующим фактором в ускорении перехода является экономическая эффективность производства, во многом определяющая гармонизацию сосуществующих технологического и общественно-экономического укладов. Однако следует признать и тот факт, что движущими факторами, определяющими динамику становления и развития нового технологического уклада, являются не только экономические стимулы, но и ряд базовых характеристик, которые тесно связаны с такими понятиями, как национальная и технологическая безопасность, превосходство и паритет. Их обеспечение в рамках государственных интересов наряду с коммерциализацией продукции вносит значительный вклад во временную шкалу эволюции системообразующих технических платформ (рис. 1), определяющих облик технологического уклада.

Естественно-научный базис нового технологического уклада

Не обладая достаточной совокупностью знаний, которые необходимы для анализа всего комплекса технологий, определяющих формирование шестого технологического уклада, обратимся лишь к направлениям микро- и наноинженерии, включая конвергентные системы. Данные направления основы-

ваются в первую очередь на быстро прогрессирующем естественно-научном базисе — основе продукции с высоким уровнем интеллектуальности добавленной стоимости.

Возьмем на себя ответственность и представим базовые тенденции развития естественно-научного базиса шестого технологического уклада для биотехносферы в рамках материаловедческого, технологического и информационного направлений (табл. 2).

Следует особо отметить, что основным системным стратегическим направлением, по-видимому, будет являться активное использование ранее неизвестных свойств материалов и композиций, возникающих при переходе к объектам:

• свойства которых зависят от размерного и кон-формационного факторов;

• представляющих собой интеграцию искусственно и естественно упорядоченных систем;

• интегрирующих материаловедческий базис неорганической и органической природы;

• в основе структурной организации которых лежат неравновесные процессы;

• в основе функционирования которых лежит комплекс кооперативно-синергетических процессов и явлений.

В рамках решения задач по синтезу и практическому использованию объектов с вышеуказанными свойствами необходимо определить и возможные приоритетные направления фундаментально-поисковых

Электронная компонентная база — 1—3 года

Программные средства:

— платформы — 3-5 лет,

— программы — ежегодно

Базовые аппаратные средства — 10—15 лет

Инфраструктурные средства — 15—25 лет

Системная платформа — 20—50 лет

Рис. 1\ Временная шкала эволюции системообразующих технических платформ

исследований для обеспечения интеллектуального базиса инноваций шестого технологического уклада:

• зависимость свойств материалов и систем от характеристических размеров;

• нетрадиционные виды симметрии и конформа-ции с динамически перестраиваемой структурой;

• передача энергии, заряда и информации на основе кооперативных синергетических процессов;

• молекулярное распознавание как базис селективности и избирательности процессов;

• самоформирование, самоупорядочение и самоорганизация;

• конвергентные системы — интеграция создаваемых человеком искусственных неорганических систем и объектов биоорганической природы.

В качестве основных направлений прикладных исследований, определяющих продуктовую модель микро- и наносистемной техники шестого технологического уклада, можно выделить:

• распределенные самоорганизующиеся рефлексивные информационные сети;

• полифункциональный адаптивный человеко-машинный интерфейс;

• искусственные органы;

• робототехнические системы;

• бионические принципы конструирования;

• бионические, в том числе когнитивные, алгоритмы и принципы функционирования;

• искусственное модифицирование на генетическом, клеточном и органном уровнях;

Таблица 2 I Естественно-научный базис шестого технологического уклада

Базис

Примеры

Материаловедческий

Конвергентные системы

Технологический

\\

Самоорганизация, самоформирование

Информационный: новые принципы передачи информации

исток затвор сток

/ / / /

электрон • /

/ V / /

\ ) 1 * V

перемещение заряда

Изменение спин-поляризации

¡4

-

элек

электрон

75 мэВ Беззарядовая логика

новые методы обработки информации

и

1

Оиг

С 1

Бионическая логика

/ -»-

• искусственное модифицирование на психофизиологическом уровне.

В практику создания систем должен войти новый терминологический базис: конвергентные и бионические системы, биоинформационные и когнитивные технологии.

Следует обратить внимание на тот факт, что человек, оценивая конструктивно-функциональные, энергетические и информационные достоинства объектов органической природы, пытался наделить искусственно создаваемые технические системы отдельными свойствами биосистем. Бурное освоение «наномира» позволило выявить ряд его особенностей, которые ранее и в первую очередь у объектов неорганической приро-

ды не наблюдались и тем более не использовались. Наиболее характерными проявлениями «наномира», как отмечалось нами ранее [6], следует признать:

• проявление нетрадиционных видов симметрии и особых видов сопряжения границ раздела, кон-формаций (кластеров, частиц, комплексов) с динамически перестраиваемой структурой;

• доминирование над искусственным упорядочением явлений самоупорядочения и самоорганизации, отражающих эффекты матричного копирования и особенности синтеза в условиях, далеких от равновесных;

• высокая «полевая» (электрическая, магнитная) активность и «каталитическая» (химическая) изби-

Информационные технологии

Бионические технологии

Персональные мобильные информационно-коммуникационные системы

Умные сенсоры и

актюаторы

Гибкая, интегрируемая в одежду и тело электроника

Биотехнические и биомедицинские микро- и наносистемы, замещающие органы и расширяющие функциональные возможности человека, методы контроля его состояния

Рис. 2 | Основные направления развития интеллектуальных систем в интересах человека и общества

рательность поверхностей ансамблей на основе на-ночастиц, включая интегрированные композиции неорганической и органической природы;

• особый характер передачи энергии, заряда и кон-формационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и носящих признаки кооперативного синергетического процесса.

Более глубокое познание и, безусловно, использование возможностей материального мира на микро-и особенно наноразмерных уровнях (когда фактически становится безразличной исходная принадлежность атома или молекулы к объекту органической либо неорганической природы) создает предпосылку к синтезу искусственных, ранее не известных в природе, систем не просто по составу и (или) структуре, но и, в первую очередь, по свойствам, а следовательно, функциональным возможностям.

Определяя основные принципы столь бурного развития интегрированных систем на основе наноразмерных элементов, конвергентных систем на основе интеграции наноразмерных систем различной природы (органической, биоорганической, неорганической), выделим ориентацию на среды и системы, обладающие максимальной физиологической совместимостью с человеческим организмом и информационной адаптивностью к алгоритмам его функционирования.

Особую роль приобретает именно «интерфейс» между живой и неживой природой. Современное состояние вопроса в области разработки и создания устройств на основе биосред и их аналогов характеризуется следующими направлениями:

• использование биосред в традиционных приборах, например применение в качестве материалов затвора полевого транзистора или оптического волновода;

• использование биосред в реализации прецези-онных технологических операций, например биолитографии с наномолекулярным разрешением;

• создание биосенсоров и актюаторов инвазив-ного и неинвазивного типов для диагностики и биокоррекции состояния организма;

• создание функциональных биопротезов, обеспечивающих замещение утраченных органов или функций (слух, зрение и даже обоняние);

• попытка создания сверхмощных систем искусственного интеллекта на основе бионейрочипов и сред с нейроподобной структурой.

При рассмотрении биосред как одного из элементов базиса для создания конвергентных искусственных интеллектуальных и сенсорных наносистем будущего в первую очередь следует обращать внимание на функционально-технологические особенности, определяемые структурными конформационными свойствами биомолекул и композиций на их основе, в том числе с использованием неорганических матриц. При этом следует учитывать, что конформация является результатом энергетической адаптации на молекулярном уровне. Абстрагируясь от принципов обработки и анализируя только функционально-вещественный базис трех наиболее перспективных направлений использования биосред (биосенсоры, биопротезы и биокомпьютеры), невозможно не обратить

внимания на следующие известные особенности биосред, привлекательные для создания на их основе интегрированных систем как в функциональном, так и в технологическом аспектах:

• «биофизическое» преобразование информации, характеризующееся кооперативными нелинейными процессами, глубоким распараллеливанием информационных каналов и генерацией информации;

• «биохимическое» усиление, характеризующееся встроенными источниками энергии и электрического потенциала в сочетании с переносом заряда и энергии без потерь;

• селективность по отношению к внешним информационным и технологическим возмущениям, обеспечивающая локализацию и избирательность воздействия;

• синтез сред и систем с использованием матричного копирования, самосборки, самоорганизации, отбора и даже размножения.

Таким образом, биоорганические и конвергентные бионеорганические надмолекулярные композиции за счет структурно-морфрологического и химического многообразия, а также особенностей переноса в них энергии, заряда и проявления свойств, присущих биосредам, могут рассматриваться как основа «функциональных» сред будущего, характеризующихся сверхбольшой информационной емкостью, высокой удельной энергонасыщенностью, селективностью к внешним воздействиям, ассоциативностью и распределенностью процессов обработки информации. В них также могут сочетаться процессы функционирования и самообновляющегося синтеза. Неорганический элемент надмолекулярной композиции может выполнять не только функции субстрата, но и активной диагностирующей или исполнительной среды [7].

Характеризуя современное состояние в области создания интеллектуальных систем в интересах человека и общества (рис. 2), следует определить два наиболее прогрессивных динамично развивающихся технологических направления:

• информационные технологии;

• бионические технологии.

Положительным фактором, характеризующим их развитие является направленность на обеспечение индивидуальной комфортной безопасной жизнедеятельности человека. Для систем на базе вышеуказанных технологий характерны миниатюрность, мобильность, интегрируемость, информационная емкость. Фактически это реальное проявление истинного адаптивного «дружественного» интерфейса между техническими системами и человеком для обеспечения его жизнедеятельности.

Для создания необходимых условий и динамики вхождения России в шестой технологический уклад необходим не только инфраструктурный базис, научный и кадровый потенциалы, но и реализация ряда базовых организационно-экономических положений, имеющих приоритет:

• доминирование при оценке эффективности наукоемкой продукции критериев потребительских качеств, базирующихся на ее интеллектуальном инновационном потенциале, социальной и оборонной значимости (от стоимостных параметров продукции к ее интеллектуальному потенциалу);

• сбалансированность финансирования при создании новых производственных мощностей и научно-образовательных кластеров для генерации идей и кадров (паритет вложений в материальную и интеллектуальную продукцию);

• интеграция в мировое разделение труда при внутренней и внешней защите интеллектуальной собственности, реализованной в научно-технической продукции, создаваемой в рамках государственного финансирования (защита интеллектуального потенциала государства);

• резкое возрастание значимости интеллектуальной составляющей человеческого капитала, доминирование в достижении эффективности труда индивидуального профессионального фактора, социальных и мотивационных аспектов деятельности (инновации должны иметь мотивации).

Заключение

Угрозы и риски на этапе перехода РФ к шестому технологическому укладу:

• стагнация инновационных технологий (низкая эффективность экономических вложений);

• снижение качества человеческого капитала (общее снижение образовательного уровня и мотиваций);

• заимствование базовых аппаратно-программных средств информационной инфраструктуры (угрозы информационной зависимости и терроризма);

• искусственное ускорение технической эволюции без оценки «опасности» создаваемых материалов и технологических процессов (экономическое стимулирование технологий, не прошедших «эволюционный отбор»).

1. Борисов А. Б. Большой экономический словарь. М.: Книжный мир, 2002. 895 с.

2. http:/www.smartcut.ru/Referat/etyekramrv.shtml.

3. Технологический уклад — Лопатников — Яндекс. Словари (http: //slovari.yandex.ru/dict/lopatnikov/article/ lop/lop-1545.htm).

4. Технологические уклады (http://www.inventech.ru/lib/ macro/macro-0026/).

5. Руденко Б. Шестой технологический уклад. Интервью с академиком Е. Кабловым // Наука и жизнь. 2010, №4. С. 2-7.

6. Лучинин В. В. Введение в индустрию наносистем// Нано-и микросистемная техника. 2007. № 8 (85). С. 2-7.

7. Карасев А. В., Лучинин В. В. Введение в конструирование бионических наносистем. М.: Физматлит, 2009. — 464 с.