книги из ГПНТБ / Стрижевский, И. В. Хемотроника

И.В.СТРИЖЕВСНИЙ* В.И. ДМИТРИЕВ Э.Б.ФИНКЕЛЬШТЕЙН

ХЕМОТРОНИКА

ИЗДАТЕЛЬСТВО-НАУНА*

J J 3 3 S

Хемотронпка— нопое научное направление, воз­ никшее на стыке электрохимии и электроники — раз­ рабатывает общие принципы построения электрохи­ мических преобразователей информации, которые позволяют создавать принципиально новые вычисли­ тельные и управляющие устройства.

В книге рассказано о возможностях и направле­ ниях хемотронного приборостроения. Она рассчитана на широкий круг научно-технических работников, преподавателей вузов и студентов.

С 20503-0150 Б З - 4 —12—73 © Издательство «Наука», 1974

042 (01)-74

ОТ А В ТО РО В

)

t

Во второй половине XX в. началась научно-техническая революция, представляющая собой коренное преобразо­ вание всех производительных сил. Трудно оценить те изменения, которые произошли в науке за последние деся­ тилетия, ее возросшую роль во всех областях человече­ ской деятельности. Развитие науки и внедрение ее откры­ тий в различные сферы нашей жизни является теперь одним из определяющих факторов роста экономического могущества. Наше время характеризуется применением сложных технических систем, специфика которых заклю­ чается не только в использовании новейших достижений науки, новых материалов и повой технологии, ио и в слож­ ности переплетений многочисленных и разнообразных процессов. Управление такими системами невозможно без применения автоматики. Таким образом, изменение технической вооруженности привело к необходимости автоматизации процессов управления, внедрение же авто­ матизированных систем управления открыло широкие пер­ спективы роста производительных сил, привело к их качественному изменению.

Одна из характерных особенностей нынешнего этапа развития науки — это комплексность проблем, для реше­ ния которых объединяются усилия ученых самых разно­ образных специальностей. В результате происходит вза­ имопроникновение и взаимообогащение отдельных науч­ ных направлений и возникновение новых. Так, на стыке традиционных наук появились новые научные дисцип­ лины — биофизика, бионика, кибернетика и т. д. Одним

1* 3

из таких научных направлений явилась и хемотроника, возникшая иа стыке электрохимии и электроники.

Хемотроника зародилась как техническая отрасль, призванная разрабатывать общие теоретические и тех­ нологические принципы построения электрохимических преобразователей. При этом, естественно, первые техни­ ческие решения шли по пути создания аналогов электрон­ ных приборов с той разницей, что носителями тока стали не электроны в вакууме, газе или твердом теле, а ионы в растворе. Ыа этом пути созданы электрохимические вы­ прямители, интеграторы, усилители.

Подвижность ионов в растворе много меньше, чем под­ вижность электронов в газе или твердом теле, поэтому электрохимические приборы являются низкочастотными по своей физической природе. Зато в низкочастотном диа­ пазоне электрохимические преобразователи имеют ряд преимуществ перед электронными приборами. Преобра­ зование низкочастотных сигналов — весьма важная за­ дача современной электроники и вполне понятен тот ог­ ромный интерес, который вызвала возможность построе­ ния электрохимических преобразователей. За короткое время было предложено большое число различных кон­ струкций таких приборов. Однако попытки внедрения их показали, что при всей кажущейся конструктивной простоте технология изготовления электрохимических преобразователей далеко не проста. Для того чтобы пре­ образователи были надежными, • требуется хорошая герметизация корпуса прибора, инертность материала кор­ пуса и всех деталей к электролитическим растворам, точ­ ность изготовления микроэлектродов и т. п. Таким обра­ зом, центр тяжести исследований в хемотронике был перенесено конструктивных разработок в область техноло­ гических исследований и анализа особенностей процес­ сов, протекающих в электрохимических преобразователях.

Технологические исследования очень быстро перешли в более глубокие исследования физико-химических про­

4

цессов, протекающих па границе раздела различных фаз, и изучение этих процессов показало возможность создания принципиально новых устройств, отнюдь не аналогов известных приборов и систем. Так начался второй этап раз­ вития хемотроники, теперь уже как пауки, изучающей перспективы построения информационных и управляющих систем на основе процессов, протекающих в растворах и па границе жидких фаз.

Естественно, возникает вопрос, в чем будут заклю­ чаться преимущества хемотронпых систем по сравнению с бурно развивающимися в настоящее время вычислитель­ ными и управляющими системами на основе полупровод­ никовых и интегральных схем. Ведь существующие сейчас хемотронные приборы пока це могут практически конку­ рировать с полупроводниковыми приборами хотя бы по­ тому, что хемотронные системы принципиально могут быть преобразователями только низкочастотных сигналов. Казалось бы, что в наш век высоких скоростей, когда соз­ даются все более быстрые электронно-вычислительные машины, производящие уже сейчас десятки миллионов операций в секунду, медлительность хемотронных си­ стем не позволит им стать конкурентоспособными по от­ ношению к системам на твердых схемах. Однако так ка­ жется только на первый взгляд — системы на жидкостной основе при всей своей медлительности имеют ряд важ­ ных и принципиальных преимуществ перед системами на твердых схемах.

Заметим, что самая стабильная, надежная и компакт­ ная управляющая система — человеческий мозг, и это система на жидкостной основе. Безусловно, человече­ ский мозг — чудо компактности по сравнению с существу­ ющими и мыслимыми в ближайшем будущем электронными вычислительными машинами. Причем дело, как видно, не в коренном различии принципов действия мозга и элек­ тронной вычислительной машины, а в принципиальном различии компонентов, из которых слагаются мозг и ма­

5

шина. Живая клетка намного меньше любой из деталей любой машины и гораздо гибче в работе. Клетка не только действует как переключатель или усилитель, клетка, какие бы функции она ни выполняла в мозге, — это це­ лый химический завод. Таким образом, одно из важных преимуществ жидкостных систем — это прежде всего компактность их многофункциональных жидкостных эле­ ментов, где в небольшом объеме может одновременно про­ текать, причем с разной скоростью, множество разнооб­ разных физико-химических процессов. Именно это поз­ воляет создать компактные многофункциональные управ­ ляющие системы на водной основе. Вода — это изу­ мительное вещество с целым набором необычных свойств. Недаром ни одна известная форма жизни на Земле не может существовать при полном отсутствии воды, без воды не было бы ни белка, ни нуклеиновой кислоты. . .

Жидкостные системы обладают, кроме того, еще одним важным свойством: возможностью перестройки, измене­ ния своей внутренней структуры, т. е. возможностью внут­ реннего управления системой. Это свойство явилось важ­ ным фактором развития жизни именно в жидкости. Для возникновения и развития жизни необходима среда, ко­ торая позволяла бы, с одной стороны, образовывать устой­ чивые структуры, а с другой стороны, достаточно легко производить перестройки этих структур. Именно жидкая среда удовлетворяет одновременно этим двум требованиям. На основе твердого тела можно создавать наиболее упоря­ доченные структуры, но зато внутренние перестройки структур в твердом теле наиболее сложпьт. Газообразная среда, наоборот, допуская легкую перестройку структур, не дает возможности создавать достаточно устойчивые структуры.

Описанные свойства жидкой среды с большим эффек­ том могут быть использованы при создании управляющих и информационных систем. Уже в настоящее время быстрое развитие науки и стремительный рост требований к тех­

6

ническим системам привели к тому, что практически каж­ дые пять лет мы имеем новый этап в развитии вычисли­ тельных систем. За 20 лет существования электронных вычислительных машин сменилось четыре поколения этих машин. Дальнейшее развитие, естественно, приведет к не­ обходимости создания управляющих систем, способных к внутренней перестройке структуры.

Таким образом, управляющие и информационные си­ стемы на жидкостной основе имеют два важных преиму­ щества — многофункциональность и способность внут­ ренней перестройки системы. Однако такие системы, как мы говорили, имеют существенное ограничение, являясь

сколько же это ограничение существенно для управляю­ щих и информационных систем?

Мы привыкли к мысли о необходимости убыстрения всех технологических процессов. И кажется, что для луч­ шего управления ими необходима как можно более бы­ страя подача сигналов и обработка всей поступающей ин­ формации; иными словами, нужны все более быстрые электронные вычислительные машины. Однако это далеко пе всегда так. В большинстве случаев применяются си­ стемы, управляющие сравнительно медленно текущими процессами. Звеном многих управляющих систем является человек, что автоматически замедляет работу системы. Кроме того, быстрота обработки информации доляша быть согласована с требуемой скоростью получения управля­ ющего сигнала. Недаром современное развитие электрон­ ных вычислительных машин привело к тому, что при при­ менении их в управляющих системах центральный вычис­ литель электронной машины, производящий расчеты с колоссальной скоростью, фактически подавляющее время остается безработным, так как его работа лимитиро­ вана скоростью выходного управляющего сигнала. Отсюда

7

ясно, что очень часто главное — не быстрота обработки информации, а надежность и устойчивость управляющей системы. Именно такими могут быть системы на жидкост­ ной основе.

Информационные и управляющие системы на жидкост­ ной основе в своей сути близки к биосистемам. Чрезвы­ чайно заманчивой представляется идея моделирования с помощью хемотронных приборов физико-химических процессов, лежащих в основе нервной деятельности, так как непосредственное изучение этих процессов на реаль­ ных объектах очень часто крайне затруднительно. Фак­ тически в этом плане хемотроника тесно смыкается с био­ физикой и биохимией.

Современное развитие хемотронных систем сущест­ венно лимитируется недостаточной разработанностью тео­ рии жидкости и растворов. Из всех агрегатных состояний вещества наиболее полно разработаны разделы физики, охватывающие газообразное и твердое состояния, в то время как физика жидкости развита еще довольно слабо. Для дальнейшего успешного развития хемотроники тре­ буются фундаментальные исследования не только по фи­ зике жидкости, но и в области сложных физико-химиче­ ских и электрохимических процессов, протекающих в жид­ кости и на границе жидкой фазы. Поэтому естественно, что достижения хемотроники ограничиваются сейчас глав­ ным образом созданием различных локальных электро­ химических преобразователей информации; разработки же хемотронных систем практически не ведутся.

Перспектива развития хемотроники — это создание информационных и управляющих систем на жидкостной основе, а в более далеком будущем — биопреобразователей информации.

Широкие перспективы развития хемотроники при-( влекли к ней внимание исследователей во многих странах.' Стремясь в первую очередь использовать хемотронные приборы для военных целей, некоторые капиталистические

8

государства сосредоточили исследовательские работы в этой области в научных организациях военных ведомств и дру­ гих специальных лабораториях; полученные результаты сохраняются в строгой тайне.

С 1957 г. в периодической литературе начали появ­ ляться очень краткие, неполные сведения о научных иссле­ дованиях по хемотропике и о конструкторских разработ­ ках отдельных хемотроштых приборов. Однако даже из этих сообщений следует, что развитию хемотропики во многих странах придается серьезное значение.

Анализируя периодическую и особенно патентную лите­ ратуру США за последние годы, можно видеть, сколь многие фирмы включаются в разработку хемотронных при­ боров. Так, фирма «Юнион карбид корпорейшн» занима­ ется разработкой электрохимических тетродов и интег­ рирующих и усилительных устройств на их основе. Фирма уже выпускает электрохимические диоды и раз­ личные устройства на их основе (выпрямители, токовые интеграторы, экспонометры шума), а также электрохими­ ческие преобразователи механических величии (детек­ торы, микрофоны, элементы механического контроля). В фирме «Джеиерал электрик компани» занимаются элек­ трохимическими тетродами-интеграторами, схемами и си­ стемами отбора и хранения информации. Фирмами «Интериейшил стандарт электрик корпорейшн», «Селф организинг системе» и «Интернейшнл бизнес машинес корпорейшн» разрабатываются электрохимические диоды и интегра­ торы. Фирма «Куртис инструменте» специализировалась на электрохимических кулометрах, а «Сперри гироскоп компани» — иа датчиках уровня. Фирмы «Миннеаполис хоиейвелл дегулзтор компани», «Сперри рэнд корпорейшн», «Хордфон аэйкрафт», «Инструмент девелармент лабора­ торий организовали выпуск аксельрометров.

Этот перечень фирм США может быть значительно расширен. Имеются сведения о развитии научных иссле­ дований и конструкторско-технологических работ в об-

9