Milliarder af mikroskopiske maskiner
Af Peter Hesseldahl

Om nogle årtier er det ikke utænkeligt at væggene, tæpperne og loftet i vores hjem er dækket af en slags intelligent hud - en belægning bestående af millioner af mikroskopiske maskiner, der kan regulere lyset, fungere som TV-skærm eller styre temperaturen.
Udenfor hjemmet vil mikromaskinerne brede sig fra fly-vinger til satelitter og datanet - nogle vil endda kunne bruges til at lave operationer og undersøgelser dybt inde i vores krop.

I fagsproget kalder man mikromaskiner for MEMS; det står for "Mikro ElektroMekaniske Systemer". Fælles for dem er at det er konstruktioner der er opbygget på mikrochips, hvor man kombinerer de elektroniske kredsløb fra en traditionel computerchip med små bevægelige dele.
Vi bruger dem allerede: Inkjet printere benytter MEMS teknologi til at sprøjte blækket på papiret i småbitte prikker. I biler er det en sensor på en chip der kun er 3 kvadratmilimeter stor, der afgør om airbag’en skal udløses. Og på nogle videoprojektører er det et system af flere hundrede tusinde bittesmå spejle, der sørger for at danne det billede, der kastes op på lærredet.
På sigt vil vi bruge mikromaskiner i langt flere sammenhænge. Et af de mest lovende forretningsområder er som komponenter i datanetværk. En stor del af telefon-og datanettene består allerede af lyslederkabler, hvor signalerne sendes som lysglimt. Men når signalerne skal forstærkes eller dirigeres rundt må de først omdannes til elektronisk form fordi forstærkere og omstillingscentrale er elektroniske.
Man forventer at kunne hæve hastighederne i nettene betydeligt ved i stedet at bruge optiske komponenter, hvor lyssignalerne håndteres af sindrige systemer af mikroskopiske spejle og prismer.
Indenfor medicin og videnskabelig forskning vil mikromaskinerne brede sig, først og fremmest i forskellige måleapparater, fordi de små sensorer kan være ekstremt følsomme. På længere sigt arbejdes der på at udvikle små robotter, der kan bruges til at foretage undersøgelser eller operationer inde i kroppen.
Et af målene er at udvikle et "lab on a chip" – et helt laboratorie på en chip. Ideen er at konstruere et lille system, der kan undersøge f.eks. en dråbe blod for bestemte stoffer eller gener og analysere dataene med den indbyggede computer.
En anden drøm er en "desktop factory" – en slags universal-fabrik på et skrivebord, der hurtigt kan programmeres til at fabrikere alle mulige former for maskiner og genstande.
Endelig er der vældigt gang i udviklingen af "robo-roaches", robotter, der ikke er større end insekter, og som ofte kan flyve.

Vægge dækket af mikromaskiner
Idag er det de færreste, der overhovedet ved, hvad en mikromaskine er, men står det til Hiyuki Fujita, der er professor ved Tokyo University, så vil vi om nogle årtier være omgivet af milliarder af dem.
»Vi får måske ikke mikromaskiner at se direkte, men de vil eksistere overalt i vores liv«, mener Fujita. Han forestiller sig at vi i vores hjem vil have massevis af mikromaskiner i væggene, tæppet eller loftet. De vil kunne styre miljøet indendørs; fugtighed, temperatur eller belysningen.
Metoden til at fremstille mikrochips kan være en form for trykke-teknik i lange baner, så Fujita forestiller sig at man installerer maskinerne ved at hænge dem op på væggen som et tapet, der for eksempel kan ændre lyset eller akustikken i rummet.
En anden mulighed er at væve det mønster, som former maskinerne. Så kunne det blive et tæppe af maskiner, der selv kan transportere støv eller insekter væk – uden at man behøver at støvsuge. Den slags ideer forventer Fujita vil blive virkeliggjort i løbet af nogle tiår.

Flyvinger som delfiners hud
Et andet sted, hvor man kunne tænkes at dække store flader med mikroskopiske maskiner er flys vinger - man taler om at forsyne dem et smart skin - en slags intelligent hud.
Når man konstruerer fly-vinger gælder det om formindske luftmodstanden, så man prøver at formgive dem, så man undgår at der opstår hvirvelstrømme af luft henover vingen. Med en belægning af mikromaskiner vil man kunne registrere når der opstår turbolencer et sted og løbende kompensere for det ved at ændre overfladen der en anelse.
Professor Fujita fortæller at delfiners hud faktisk løser det problem på en elegant måde, fordi det er en blød struktur, der kan ændre form når der opstår turbolenser. Det betyder at delfiner kan svømme hurtigt i forhold til hvor mange muskler de har, faktisk udnytter de ti gange kraften ti gange mere effektivt end en ubåd.
Pointen er, at ingeniører er begyndt at tage ved lære af naturen og udnytte det i den højteknologiske udvikling.

Transportbånd med synkebevægelser
Hiroyuki Fujitas seneste konstruktion er inspireret af den måde vores spiserør transporterer maden når vi synker. Ud fra den mekanisme har Fujitas konstrueret noget, der kunne blive en avanceret form for transportbånd.
På en chip afsættes en masse små hår af et materiale, der bøjer sig opad, når der ledes strøm igennem. Hårene kan aktiveres et ad gangen, og alt efter hvilke hår, der aktiveres kan hårene tilsammen skabe en slags bølgebevægelse, der kan skubbe små genstande afsted hen over hårene.
Systemet er yderligere avanceret for under hårene sidder små lyssensorer, der bemærker, om der er noget over hårene. Alle hårbundterne og deres tilhørende sensorer er forbundet i et datanet, hvor de udveksler informationer.
Det betyder at systemet også kan finde ud af at sortere. Hvis sensorer registrerer at der eksempelvis er kommet en trekantet ind over hårene, kan hårene skubbe i én retning. Hvis det er en firkantet ting, kan den blive skubbet i en anden retning.

Tænker selv
Når man skal have massevis af små hår og sensorer til at spille sammen i et løbende samarbejde, dur det ikke at lave et program, der beskriver præcist hvad ethvert hår skal gøre i enhver situation. Det er så komplekst, at man skal ud i nogle helt andre måder at programmere og opnå resultater på.
I stedet har Fujita skabt systemet sådan at hvert enkelt hår er en selvstændig enhed, der selv kan tage beslutninger, men som forsøger at samarbejde bedst muligt med alle de andre enheder i netværket om at løse den givne opgave.
Alt i alt peger det mod en helt anden form for ingeniørkunst og teknologi. Ingeniører er vant til at have fuld kontrol med de systemer, som de selv konstruerer. Men de systemer, Fujita arbejder med, kan i vidt omfang styre sig selv, og de finder selv frem til den bedste måde at fungere på.
Det er ikke tilfældigt at navnene på den type teknologi er hentet fra biologien. Man taler om "neurale netværk", "genetiske algoritmer" eller "selvorganiserende systemer".
Man finder mange eksempler på den type konstruktioner i naturen. Fujita nævner som eksempel, at følesansen er fordelt over hele huden og man kan føle ting meget lokalt, punkt for punkt. Tilsvarende, hvis man ser inde i en lunge så er der mikroskopiske hår, der kan transportere små partikler og andet ud af lungen.

Robuste og fleksible
Traditionelle, centralt styrede systemer er glimrende, hvis man kan overskue systemets funktioner i alle situationer. Men hvis man ikke præcist kender de forhold systemet skal fungere under eller hvis situationen ofte forandres, så risikerer man at det centralt styrede system går fuldstændigt ned, når der opstår en situation man ikke havde højde for i den oprindelige konstruktion.
Et system, hvor intelligensen er distribueret, er mere robust overfor fejl. Beslutninger tages, og forandringer foregår ude i de enkelte dele af systemet, så selv om en del af det skulle gå ned, så kan resten stadig fungere. Det er også lettere at udvide ved at tilføje nye elementer.
»Strategien med at lade systemet være selvorganiserende er simpelthen en nødvendighed for at kunne håndtere meget komplicerede omstændigheder«, siger Professor Fujita:
»Man siger om den type system at det kan være "kaotisk". Det kan være opbygget af mange små og simple elementer, og hver især kan man godt beregne de elementers opførsel. Men det er umuligt at forudsige, hvordan hele systemet vil opføre sig når alle elementerne begynder at spille sammen og påvirke hinanden på kryds og tværs«.
Fujita sammenligner mikromaskiner med at skabe et lille væsen. De skal kunne bevæge sig, de skal have sensorer der kan føle, og computerkraft, så de kan tænke:
»Når man har et system af millioner af dem, så er det yderst vanskeligt på forhånd at definere hvordan samspillet imellem dem skal være. Men man kan give dem en opgave at arbejde sammen om, og man kan opstille nogle begrænsninger for hvad de må og ikke må, og så må de prøve sig frem. Det er som at have med dyr at gøre, de skal trænes, og tilsidst gør det et godt stykke arbejde«.