Закономерности и тенденции развития современных технологий

(Глава 1 из монографии)

В монографии рассмотрены особенности современного состояния технологий в эпоху новой промышленной революции. Научные и технологические проблемы синтеза и переработки полимеров, защиты полимеров от старения и горения. Проанализировано состояние производства пластмасс и эластомеров в России и за рубежом. Описаны возможности информационных технологий в создании полимерных материалов.

Публикуется по книге: Каблов, В.Ф. Проблемы современной технологии полимеров: монография / В.Ф. Каблов; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. – Волгоград, 2019 – 340 с. Ил.75 , табл. 12 , библиограф.: 341 назв.

ISBN 978-5-9948-3534-0

© Волгоградский государственный технический университет, 2019

© Волжский политехнический институт, 2019

Из предисловия

Посвящается профессору Агаянцу И. М.

Проблематика книги довольно широкая – от описания общего состояния современной технологи и технологических укладов, основных проблем синтеза полимеров, производства и применения пластмасс и резин, применения информационных технологий до ситуации на рынках. Так как круг вопросов, связанных с получением и применением полимеров чрезвычайно широк и его невозможно охватить полностью в одной книге, то выбор проблематики был, естественно, субъективен и во многом связан с научными интересами автора. Тем не менее, автор попытался дать по возможности системную картину рассматриваемых проблем, отразить современные тенденции развития полимерной отрасли.

Многие вопросы, затрагиваемые в монографии, были изложены в обзорных работах автора с коллегами [1-10].

Мне посчастливилось общаться и сотрудничать со многими выдающимися учеными и практиками полимерной науки, технологии и промышленности. Всем им я очень благодарен.

Но особенно мне хочется отметить профессора МИТХТ И.М. Агаянца, с которым меня связывала многолетняя дружба и сотрудничество. Его светлой памяти я и посвящаю эту книгу.

Иван Михайлович был совершенно удивительный и прекрасный, человек, талантливый и очень оригинальный ученый и педагог. Он сделал очень много для полимерной науки и становления одной из ведущих школ резинщиков в нашей стране – школы полимерщиков Московского института тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (ныне находится в составе МИРЭА – Российский технологический университет). Особенно большая его заслуга в формировании такого научного направления как математическое моделирование и применение статистических методов в научных разработках и создании полимерных материалов. Прекрасно владея математическими методами, особенно статистикой и теорией планирования эксперимента, он разработал множество практически применимых методик и программ в этой области. Поскольку наши научные интересы в этой области тесно пересекались, мы много и плодотворно сотрудничали и обсуждали эту предметную область. В какой-то момент (в 2004г.) мы очутились с ним во Вьетнаме, где читали на шинном заводе в Да Нанге лекции инженерам по применению компьютерных методов в резиновом производстве. Нужно сказать, что вьетнамские товарищи создали нам прекрасные условия. У нас была напряженная работа, и она помогла нам привести в некий системный вид учебный и научный материал в этой области. В результате, уже по приезде в Россию, мы написали совместную монографию, основные концепции которой мы сформировали во Вьетнаме [10]. В ней мы отразили наши разработки в области информационных технологий, общих законов техники, автоматизированного проектирования рецептур резин, банков данных и другие вопросы. Иван Михайлович создал совершенно оригинальный, уникальный графо-топологический подход к анализу данных при многофакторном эксперименте, который позволяет проводить идентификацию, анализ и формирование технологических ситуаций. Он очень переживал, что подход трудно воспринимается технологами из-за определенной сложности математического аппарата. Мне стоило большого труда, чтобы он привел описание этого подхода в нашей совместной книге. Он справедливо считал, что этот раздел должен выйти отдельной книгой, но условия тогда не позволяли ему это сделать. Поэтому появление в печати этого раздела, в конце концов, принесло ему большое удовлетворение. Впоследствии этот подход был развит в докторской диссертации Ю.Е. Наумовой, выполненной при его консультировании. Результаты своих работ Иван Михайлович обобщил в фундаментальной и весьма обширной книге, которую скромно назвал «Азы статистики в мире химии» [11].

Поистине научным подвигом можно назвать работы И.М. Агаянца по истории резиновой промышленности (он очень удивил нас тем, что последние годы страстно занимался этим вопросом). Но как оказалось, это не был просто труд историка – это была работа, прежде всего, технолога-резинщика, в которой наряду с массой исторических сведений было разобрано много технологических процессов и разработок рецептур резин. Эти сведения будут полезны всегда. Тем более, что не уменьшается использование натурального каучука, который остается одним из основных материалов резиновой, прежде всего шинной промышленности. Первой в этой области была книга «Пять столетий каучука и резины» (2002г.) [12], затем была написана совершенно очаровательная «Поваренная книга резинщика» [13], в которой иллюстрируется история развития рецептуростроения резин в 20-м веке. О названии этой книги сказал сам Агаянц: «Что же касается названия… Это шутка призвана подчеркнуть, что составление рецептуры резиновой смеси – это не просто рутинная работа, но представляет собой акт творения». Юмор был, что называется, имманентно, внутренне присущ профессору Агаянцу, как всякому, особенно творчески одаренному человеку. А книга эта весьма глубокая, насыщена большим фактическим материалом и касается самой «интимной» стороны деятельности резинщика – создании РЕЦЕПТА. И, наконец, венцом этой работы является поистине огромная книга «Натуральный каучук – в поисках рецепта» 704с. [14]. Это настоящая энциклопедия эпохи натурального каучука, эпохи, которая отнюдь не закончилась. В этой не имеющей мировых аналогов книге рассмотрена не только история резиновой промышленности, но и основные приемы формирования рецептур резин различного назначения, применение математических методов при обработке данных, приведены уникальные иллюстрации, много фактического материала, размышления автора и его изыскания в области математических методов. Так глава 14, названная в стиле автора о резиновой смеси «Ода в честь реологических кривых», показывает как много информации можно извлечь из реометрических и вулкаметрических кривых при умелой их математической обработке.

Нужно сказать, что Иван Михайлович был чрезвычайно скромным и даже застенчивым человеком, но очень обаятельным в общении. Он был красив и внешне, но внешняя красота его еще и озарялась каким-то необыкновенным внутренним светом. Научное творчество и преподавание доставляло ему величайшее наслаждение. Он преподавал не только студентам, но по совместительству учительствовал в школе. И получал большое удовольствие от работы с детьми. Он говорил мне, что не мог точно определить, где ему больше нравилось – преподавать в вузе или вести уроки в школе. Когда он делал свои доклады, то на трибуне он преображался, становился уверенным, остроумным, громким и убедительным. С трибуны он сходил с видом триумфатора, с чувством глубокого и какого-то победоносного удовлетворения от хорошо сделанной работы и хорошего доклада.

Вспоминая дорогого нам всем И. М. Агаянца, хочется привести слова изобретателя вулканизации резины Чарльза Гудьира:

«Жизнь нельзя оценить только в долларах и центах. Я не намерен жаловаться на то, что семена посеял я, а плоды пожинают другие. У человека есть причина для сожаления лишь тогда, когда он посеял, а собирать некому».

Библиографический список

1.    Каблов, В.Ф. Современные тенденции эволюции рецептов резин// Каучук и резина. — 2018. — Т. 77, № 5. — C. 326-331.

2.    Каблов, В.Ф. Современные тенденции применения каучуков и наполнителей в рецептуре резин / В.Ф. Каблов, В.И. Аксенов // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2018. — № 3. — C. 24-34.

3.    Каблов, В.Ф. Применение информационных технологий и компьютерного дизайна при разработке эластомерных материалов : [обзор] / В.Ф. Каблов // Каучук и резина. — 2019. — Т. 78, № 2. — C. 124-133.

4.    Каблов, В.Ф. Принципы параметрического описания резины с учётом её функциональных возможностей / В.Ф. Каблов, Ю.А. Гамлицкий // Каучук и резина. — 2017. — Т. 76, № 4. — C. 252-257.

5.    Каблов В.Ф. Системная технология каучук-олигомерных композиций. «Олигомеры 2009»: Сб. статей Х международной конференции по физико-химииолигмеров, ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. Стр.162-191.

6.    Каблов, В.Ф. Разработка и исследование полимерных материалов с функционально-активными компонентами // Известия ВолгГТУ. Серия «Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов». Вып. 13: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2017. – (Серия «Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов»).— № 3 (198). — C. 7-28.

7.    Каблов, В.Ф. Полимерные материалы с функционально-активными компонентами. Исследования и технологии (часть 1): монография / В.Ф. Каблов, Н.А. Кейбал; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. – Волгоград, 2018. – 406 с.

8.    Каблов, В.Ф., Огнетеплозащитные полимерные материалы с функционально-активными компонентами: монография // В.Ф.Каблов, Н.А. Кейбал, О.М. Новопольцева. – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2016. – 203 с.

9.    Каблов В.Ф., Физика и механика армированных пластиков и резинокордных композитов: монография/В.Ф. Каблов, Ю.А. Гамлицкий, В.Н. Тышкевич– ВПИ (филиал) ВолгГТУ, Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2019 – 472 с.

10.    Каблов, В.Ф. Информационные технологии в разработке и в производстве эластомерных материалов: монография; ВПИ (филиал) ВолгГТУ/ В.Ф.Каблов, И.М. Агаянц. — Волгоград, 2009. — 408 с.

11.    Агаянц И.М. Азы статистики в мире химии – М.: МИТХТ, 2012. – 440с.

12.    Агаянц И.М. «Пять столетий каучука и резины». М.; «Модерн», 2002г.. 432С.

13.    Агаянц, И.М. Поваренная книга резинщика / И.М. Агаянц. — М: Гелиопринт. 2009. – 120 с

14.    Агаянц И.М. Натуральный каучук – в поисках рецепта. – М., Петергоф, 2010-701с.

Глава 1. Закономерности и тенденции развития современных технологий

●     «Технологии – это не просто набор болтов и гаек или битов с байтами. Это не нечто второстепенное – напротив, это существенная сторона жизни каждого из нас».

●     Происходит 4 промышленная и технологическая революция, ядром которой являются конвергентные NBIC-технологии (N — нано, B — био, I — инфо, C — когнитивные), и формирование новой экономики

●     Новый мир стал другой. Мы живём в мире VUCA (volatility (нестабильность), uncertainty (неопределённость), complexity (слож-ность) и ambiguity (неоднозначность).

●     «Капитал пляшет под дудку таланта».

●     Развитие технологий подчиняется циклам Н. Д. Кондратьева, внутри которых формируются технологические уклады. Мы уже вступаем в 6-й технологический уклад.

●     В мегатренды современных технологий входят и новые материалы.

Большинство промышленных синтетических полимеров появилось только в 20-м веке. В настоящее время происходит дальнейшее развитие науки о полимерах и полимерной технологии (синтеза и переработки полимеров). И это развитие происходит в условиях новой экономики и во многом определяет развитие этой новой экономики.

1.1.  Циклы технологий

Необходимо отметить существенное возрастание роли технологий в развитии не только производства, но и общества. Проблеме развития технологий в последнее время стало уделяться больше внимания, особенно в контексте глобальных вызовов и рисков и поиска путей их решения.

 В 60-х годах Станислав Лем написал замечательную книгу «Сумма технологии». По мысли Лема, мы живем в технологической цивилизации [1]. Для решения возникающих проблем человечество придумывало способы, алгоритмы, рецепты, чтобы получить желаемое. Эти способы, опирающиеся на развитие техники, научные исследования, изобретения, отбор лучшего из практического опыта, использование возможностей, открывающихся с повышением культурного и образовательного уровня человечества, и получили название технологий [2] .

Шведские профессора Нордстрем К., Ридерстралле Й. пишут: «Технологии – это не просто набор болтов и гаек или битов с байтами. Это не нечто второстепенное – напротив, это существенная сторона жизни каждого из нас» [3].

Важно и предугадать, спрогнозировать технологический прогресс, в рамках которого идет и прогресс полимерной технологии.

В наше время происходит 4 промышленная революция и формирование новой экономики.

Новый мир стал другой. Подрываются и ставятся с ног на голову технологии, институты и ценности. Меняется образ жизни общества.

Мир стал как никогда неоднородным и разнообразным. Технологическое развитие достигло высочайшего уровня, однако наряду с великолепными технологическими центрами, университетскими и научными комплексами высочайшего уровня, суперразвитыми мегаполисами, даже в самых развитых странах существуют зоны полнейшей деградации, отсталости и бедности. Мы живём в мире VUCA (volatility (нестабильность), uncertainty (неопределённость), complexity (сложность) и ambiguity (неодно-значность) [4].

Сегодня уже разворачивается новая технологическая революция, ядром которой являются конвергентные NBIC-технологии (N – нано, B – био, I – инфо, C – когнитивные). Благодаря мощному синергетическому эффекту, порождаемому взаимной конвергенцией нано-, био-, инфо— и когнитивных технологий, придается дополнительный импульс ускорению технического прогресса, а следовательно, и экономическому росту [5-8].

Анализ современных глобальных тенденций развития показывает, что в ряде промышленно развитых стран началась активизация исследований в области NBIС-технологий, разработка «прорывных» инновационных технологий XXI в., к которым в первую очередь относятся исследования в области конвергенции нанотехнологий, ИКТ и биотехнологий. Эти НИР включают разработку суперкомпьютеров, квантовых и биокомпьютеров, которые в перспективе должны заменить существующие технологические платформы на базе кремниевых технологий.

Мейнстрим в промышленно развитых странах в сфере прорывных исследований настойчиво смещается в сторону конвергенции нано, биотехнологий и ИКТ с когнитивными науками и технологиями. В этом прослеживается определенная логика развития, так как концепция построения инновационной экономики на национальном и глобальном уровнях требует сформировать соответствующего «инновационного человека», «инновационной психологии» и «инновационного социума» в целом, что прямо или косвенно связано с развитием когнитивных наук и технологий.

Четвертая промышленная революция – это конвергенция физического, цифрового и биологического миров, которая создает новые, невиданные ранее возможности и придает мощное ускорение экономическому развитию.

NBIC-технологическая революция привела к созданию высокоэффективных цифровых технологий, а также интеллектуальных компьютеров и роботов благодаря прорывным достижениям наноэлектроники в скорости вычислений. Переход вычислительной мощности компьютеров на наночипах в область терафлопс (1012 операций в секунду) и выше привел к качественному скачку в реализации потенциальных возможностей цифровых технологий.

Стало возможным практическое применение таких базисных цифровых технологий, как система трехмерного автоматизированного цифрового проектирования сложнейших машин, машинное обучение, облачные вычисления, анализ больших данных и экспертные аналитические системы, – причем в реальном масштабе времени. Прорывной прогресс в области машинного обучения привел к созданию специализированных систем искусственного интеллекта (ИИ) на основе сверхмощных компьютеров и интеллектуальных роботов, оснащенных элементами ИИ [9].

Будущее наступило с появлением технологий ИИ.

Дополнительно к этому появились аддитивные технологии, широко известные как процесс 3Dпечати, уже производят революцию в сфере производства сложнейших изделий из различных материалов, в том числе из полимеров. Сами аддитивные технологии явились дополнительным фактором разработки новых полимеров, пригодных для печати.

По прогнозу Global Market Insights, глобальный рынок биотехнологий к 2024 году вырастет до $775 млрд. Научные и коммерческие проекты, ведущие исследования в области биотеха, получают миллиардные инвестиции. Именно биотехнологии могут не просто повысить качество жизни людей по всему миру, но и продлить ее продолжительность, а еще — помочь победить считавшиеся неизлечимыми болезни и открыть совершенно новые возможности человеческого организма [10].

Новая – четвертая технологическая революция предусматривает преобразование самого человечества. В своей книге «Четвертая промышленная революция» К. Шваб пишет: «Мы стоим у истоков революции, которая фундаментально изменит нашу жизнь, наш труд и наше общение» [11]. По масштабу, объему и сложности четвертая промышленная революция не имеет аналогов во всем предыдущем опыте человечества.

Это, например, неограниченные возможности общества, в котором миллиарды людей связаны между собой мобильными устройствами, открывающими беспрецедентные горизонты в сфере обработки и хранения информации и доступа к знаниям. Это ошеломляющее сочетание зарож-дающихся технологических прорывов в самом широком спектре областей, включая, для примера, искусственный интеллект (ИИ), роботизацию, Интернет вещей (ИВ), автомобили-роботы, трехмерную печать, нанотехнологии, биотехнологии, материаловедение, накопление и хранение энергии, квантовые вычисления.

Многие из этих инноваций начнут развиваться, наслаиваясь и усиливая друг друга, представляя из себя переплетение технологий из мира физики, биологии и цифровых реалий. Происходят кардинальные изменения по всем отраслям, которые отмечены рождением новых бизнес-моделей, дизруптивным (прорывным) воздействием на утвердившиеся традиционные компании, а также коренным преобразованием систем производства, потребления, транспортировки и поставки.

В социальной сфере смена парадигм происходит в том, как мы работаем и общаемся, самовыражаемся, получаем информацию и развлекаемся.

Нордстрем К., Ридерстралле Й. [2] еще в 1998 г. отметили важную особенность современного развитого общества, выразив ее емкой фразой:

«Капитал пляшет под дудку таланта».

Современному специалисту материальное вознаграждение не представляется главным. При достаточно высоком доходе, удовлетворяющим разумные нужды в жилье, комфорте, возможности отдыха, первостепенным становится возможность самореализации, возможность творчества и независимость.

«Настала эпоха, в которой все решают талант и время. Деньги делаются на продаже таланта и времени, на эксплуатации таланта и времени, на организации таланта и времени, на упаковке таланта и времени. …То, как вы привлекаете, удерживаете и мотивируете ваших сотрудников, важнее технологий».

И еще удовольствие. Не только от жизни, но и от работы. Подзаголовок их книги сформулирован несколько необычно: «Капитализм в удовольствие».

Но он отражает высказанные положения.

Использование технологий для изменения нашего поведения, а также существующих систем производства и потребления открывают возможности для восстановления и сохранения окружающей среды, а не для создания скрытых затрат-экстерналий в форме внешних издержек.

Развитие и внедрение новейших технологий связаны с не-определённостью и означают, что мы пока не имеем представления, как в дальнейшем будут развиваться преобразования, обусловленные этой промышленной революцией. Сам факт их сложности и взаимозависимости по всем секторам предполагает ответственность всех участников глобального сообщества – правительств, бизнеса, научного мира и общественности – за работу в тесном взаимодействии друг с другом, необходимом для лучшего осознания формирующихся тенденций. Единое понимание имеет принципиальное значение для создания общего будущего, основанного на единстве целей и ценностей. Нам требуется иметь комплексное и единое представление о том, как технологии изменяют нашу жизнь и жизнь будущих поколений.

К. Шваб пишет, что у него вызывает беспокойство тот факт, что ли-нейность (нереволюционность) мышления многих лидеров или их углуб-ление в сиюминутные проблемы не позволяют им стратегически осознавать дизруптивные силы и инновации, формирующие наше будущее [11] .

Четвёртая промышленная революция характеризуется 3 факторами.

1. Темпы развития. Эта промышленная революция развивается не линейными, а скорее экспоненциальными темпами. Это является порож-дением многогранного, глубоко взаимозависимого мира, в котором мы живем, а также того факта, что новая технология сама синтезирует все более передовые и эффективные технологии.

 2. Широта и глубина. Она основана на цифровой революции и сочетает разнообразные технологии, обусловливающие возникновение беспрецедентных изменений парадигм в экономике, бизнесе, социуме в каждой отдельной личности. Она изменяет не только то, «что» и «как» мы делаем, но и то, «кем» мы являемся.

3. Системное воздействие. Оно предусматривает целостные внешние и внутренние преобразования всех систем по всем странам, компаниям, отраслям и обществу в целом.

Важным является способ сосуществования технологии и общества. Мы не ограничены необходимостью однозначного выбора между «принять и смириться» или «отказаться и лишиться». Важно, чтобы огромные преимущества технологической революции сделали мир лучше.

Четвертая промышленная революция ориентирована на человека, а не является дегуманизирующей и обезличивающей силой. Она предполагает взаимодействие и сотрудничество экономических систем, отраслей и людей, выработку позитивной, единой и многообещающей концепции, благодаря которой отдельные люди и сообщества из всех стран мира смогут принять участие в текущих преобразованиях и воспользоваться их преимуществами.

Технологические циклы

Технологические инновации воспринимаются экономикой не всегда, а только в определенные периоды ее развития и дают ощутимую добавочную стоимость через определенный конечный промежуток времени, также как семена засевают весной, а урожай собирают осенью. Периоды, когда экономика восприимчива к инновациям, определяются так называемыми длинными циклами экономической конъюнктуры, примерно полувековой продолжительности, которые были открыты и исследованы великим русским экономистом начала прошлого века Н. Д. Кондратьевым в 1920-х годах. Он всесторонне обосновал закономерную связь «повышательных» и «понижательных» стадий этих циклов с волнами технических изобретений и их практического использования, т.е. в современном понимании – волнами технологических инноваций. Труды Н. Д. Кондратьева были признаны на Западе и получили широкое развитие и применение, особенно после Великой депрессии в США 1929–1933 гг. Длинные циклы конъюнктуры в экономике с тех пор получили название «больших циклов Кондратьева» или «длинных волн Кондратьева». Другой великий экономист ХХ века Й. Шумпетер (США) восторженно принял учение Кондратьева о длинных циклах конъюнктуры и разработал инновационную теорию длинных волн, интегрировав ее в общую инновационную теорию экономического развития, которая стала фундаментом сегодняшней эволюционной теории экономического развития. Й. Шумпетер утверждал, что именно инновации вызывают к жизни длинные циклы деловой активности. Он писал, что, когда инновации внедряются в экономику, имеет место так называемый «вихрь созидательного разрушения», подрывающий равновесие прежней экономической системы, вызывающий уход с рынка устаревших технологий и отживших организационных структур, приводящий к появлению новых жизнеспособных отраслей, в результате чего и происходит небывалый рост экономики и благосостояния людей.

Таким образом, инновации выступают в роли локомотива экономического развития, определяя его эффективность и рост производительности труда.

Структура кондратьевских циклов весьма проста. Повышательная стадия охватывает период длительного преобладания высокой хозяйственной конъюнктуры в международной экономике (фазы – оживление и подъем) продолжительностью около 20–30 лет, когда она развивается динамично, легко преодолевая кратковременные неглубокие спады. Понижательная стадия (фазы – спад и депрессия) – это период длительного преобладания низкой хозяйственной конъюнктуры, продолжительностью около 20 лет, когда, несмотря на временные подъемы, доминируют депрессия и вялая деловая активность, вследствие чего мировая экономика развивается неустойчиво, впадая временами в глубокие кризисы. Таким образом, началу повышательной стадии обязательно предшествуют периоды кризиса и депрессии. Как ни странно, но именно в периоды депрессии экономика наиболее восприимчива к инновациям. Депрессия заставляет искать возможности для выживания, а инновационный процесс может их предоставить.

М. Хироока (2006), на основе анализа большого массива эмпирических данных, доказал существование тесной корреляции диффузии инноваций и больших циклов Кондратьева и подтвердил, что диффузия нововведений, благодаря механизму самоорганизации, выборочно собирает кластер инноваций вдоль подъема большого цикла Кондратьева, как показано на рис. 1.1. Отсюда следует важный практический вывод: успех государственной инновационной политики целиком зависит от способности правительства предвидеть и активно содействовать инновационному процессу в периоды депрессии и оживления, когда имеет место синергетический эффект их усиления [9].

Рисунок 1.1 – Циклы развития технологий – циклы экономической активности Кондратьева и технологические уклады

На рисунке 1.1 показаны четвертый и пятый циклы Кондратьева, а также начало 6 технологического уклада и прогнозируемые направления развития 7 технологического уклада. Базисными инновациями четвертого цикла стали эпохальные достижения научно–технической революции ХХ века: атомная энергетика; квантовая электроника и лазерные технологии; электронные вычислительные машины и автоматизация производства; спутниковая связь и телевидение. Наряду с этим в тот же период происходило бурное развитие автомобиле — и авиастроения.

Указанные циклы по существу совпадают с понятием «технологического уклада» (ТУ). Теория технологических укладов наиболее обосновано была развита в работах академика С.Ю. Глазьева и профессора К. Перес (Великобритания) [13].

Важно, что производства, входящие в один ТУ, вследствие их сопряженности развиваются синхронно: изменения в одном из элементов ТУ вызывают изменения в остальных.

Исследования ряда научных школ, прежде всего школы С.Ю. Глазьева, показали, что в технологической структуре экономики можно выделить группы технологических совокупностей, связанные друг с другом однотипными технологическими цепями и образующие воспроизводящиеся целостности – технологические уклады. Каждый такой уклад представляет собой целостное и устойчивое образование, в рамках которого осуществляется замкнутый цикл, включающий добычу и получение первичных ресурсов, все стадии их переработки и выпуск набора конечных продуктов, удовлетворяющих соответствующему типу общественного потребления.

Жизненный цикл технологического уклада охватывает около столетия, при этом период его доминирования в развитии экономики составляет от 40 до 60 лет (по мере ускорения НТП и сокращения длительности научно-производственных циклов этот период постепенно сокращается).

Комплекс базисных совокупностей технологически сопряженных производств образует ядро технологического уклада. Технологические нововведения, определяющие формирование ядра технологического уклада и революционизирующие технологическую структуру экономики, получили название «ключевой фактор».

Отрасли, интенсивно использующие ключевой фактор и играющие ведущую роль в распространении нового технологического уклада, являются его несущими отраслями.

Создание и крупнотоннажный промышленный выпуск полимерных материалов также приходится на 4 уклад. 4 технологический уклад привел к рекордным за всю историю человечества темпам мирового экономического роста 4,9% в период с 1950 по 1973 гг. Фаза депрессии четвертого цикла заняла период с 1973 по 1982 гг. Затем началось оживление, и стартовал нынешний пятый цикл Кондратьева. При переходе от четвертого к пятому циклу объем мирового производства упал почти на 11%.

Ядром пятого технологического уклада стали микроэлектроника, персональные компьютеры, информатика и биотехнологии. Эффективность пятого технологического уклада, основанного на эпохальных инновациях предыдущего цикла, естественно, оказалась ниже: среднегодовые темпы прироста ВВП по миру в 1983–2001 годах снизились и составили 3,1%.

Пятый уклад опирается на достижения в области микроэлектроники, информатики, биотехнологии, генной инженерии, новых видов энергии, материалов, освоения космического пространства, спутниковой связи и т. п. Происходит переход от разрозненных фирм к единой сети крупных и мелких компаний, соединенных электронной сетью на основе Интернета, осуществляющих тесное взаимодействие в области технологий, контроля качества продукции, планирования инноваций.

Ключевыми факторами доминирующего сегодня 5 технологического уклада являются микроэлектроника и программное обеспечение. В число технологических совокупностей, формирующих его ядро, входят электронные компоненты и устройства, электронно-вычислительная техника, радио— и телекоммуникационное оборудование, лазерное оборудование, услуги по обслуживанию вычислительной техники.

 Генерирование технологических нововведений, определяющих развитие этого технологического уклада, происходит внутри указанного комплекса отраслей и опосредовано сильными нелинейными обратными связями между ними.

В настоящее время, как следует из сложившегося ритма долгосрочного технико-экономического развития, этот технологический уклад близок к пределам своего роста – всплеск и падение цен на энергоносители, мировой финансовый кризис – верные признаки завершающей фазы жизненного цикла доминирующего технологического уклада и начала структурной перестройки экономики на основе следующего уклада.

Сегодня формируется воспроизводственная система нового, шестого технологического уклада, становление и рост которого будет определять глобальное экономическое развитие в ближайшие два-три десятилетия.

Точкой отсчета становления шестого технологического уклада следует считать освоение нанотехнологий преобразования веществ и конструирования новых материальных объектов, а также клеточных технологий изменения живых организмов, включая методы генной инженерии. Вместе с электронной промышленностью, информационными технологиями, программным обеспечением этот ключевой фактор составляет ядро 6-го ТУ.

Уже видны ключевые направления его развития: биотехнологии, основанные на достижениях молекулярной биологии и генной инженерии, нанотехнологии, системы искусственного интеллекта, глобальные информационные сети и интегрированные высокоскоростные транспортные системы.

Дальнейшее развитие получат гибкая автоматизация производства, космические технологии, производство материалов с заранее заданными свойствами, атомная промышленность, авиаперевозки. Рост атомной энергетики и потребления природного газа будет дополнен расширением сферы использования водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, существенно расширится применение возобновляемых источников энергии.

 Произойдет еще большая интеллектуализация производства, переход к непрерывному инновационному процессу в большинстве отраслей и непрерывному образованию в большинстве профессий.

Завершится переход от «общества потребления» к «интеллектуальному обществу», в котором важнейшее значение приобретут требования к качеству жизни и комфортности среды обитания. Производственная сфера перейдет к экологически чистым и безотходным технологиям. В структуре потребления доминирующее значение займут информационные, образовательные, медицинские услуги. Прогресс в технологиях переработки информации, системах телекоммуникаций, финансовых технологиях повлечет за собой дальнейшую глобализацию экономики, формирование единого мирового рынка товаров, капитала, труда.

В числе несущих отраслей останутся несущие отрасли предшествующего 5-го ТУ: электротехническая, авиационная, ракетно-космическая, атомная отрасли промышленности, приборостроение, станкостроение, образование, связь. Наряду с ними связанная с распространением нанотехнологий революция охватывает здравоохранение (эффективность которого многократно возрастает с применением клеточных технологий и методов диагностики генетически обусловленных болезней) и сельское хозяйство (благодаря применению достижений молекулярной биологии и генной инженерии), а также создание новых материалов с заранее заданными свойствами и материалов нового поколения. Благодаря появлению наноматериалов, в число несущих отраслей нового технологического уклада также войдут: химико-металлургический комплекс, строительство, судо— и автомобилестроение.

Существенные изменения претерпит культура управления. Дальнейшее развитие получат системы автоматизированного проектирования, которые вместе с технологиями маркетинга и технологического прогнозирования позволяют перейти к автоматизированному управлению всем жизненным циклом продукции на основе так называемых CALS-технологий, которые становятся доминирующей культурой управления развитием производства.

CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) – принятая в большинстве промышленно развитых стран технология (концепция, парадигма) использования единого информационного пространства (интегрированной информационной среды) на основе международных стандартов для единообразного информационного взаимодействия всех участников жизненного цикла продукции: разработчиков, заказчиков (включая государственных) и поставщиков продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала.

В управлении внедрением самих нанотехнологий в развитых странах применяется стратегия: «Bringing product from laboratory to the market» (перенесение продукта из лаборатории на рынок), позволяющая до минимума сократить наиболее сложную и рискованную фазу жизненного цикла продукции – воплощение результатов НИОКР в производственном процессе.

Исходя из изложенного, структура нового 6-го ТУ, определяющего среду распространения нанотехнологий, выглядит следующим образом.

Ключевой фактор: нанотехнологии, клеточные технологии и методы генной инженерии, опирающиеся на использование электронных растровых и атомно-силовых микроскопов, соответствующих метрологических систем.

Ядро: наноэлектроника, молекулярная и нанофотоника, наноматериалы и наноструктурированные покрытия, оптические наноматериалы, наногетерогенные системы, нанобиотехнологии, наносистемная техника, нанооборудование.

Несущие отрасли: электронная, ядерная и электротехническая промышленности, информационно-коммуникационный сектор, станко-, судо-, авиа— авто— и приборостроение, фармацевтическая промышленность, солнечная энергетика, ракетно-космическая промышленность, клеточная медицина, семеноводство, строительство, химико-металлургический комплекс.

Между доминирующим сегодня и зарождающимся новым технологическими укладами существует преемственность. Первый контур накопления нового технологического уклада возникает как надстройка над технологическими цепочками предыдущего. По мере его становления происходит развитие новых, адекватных ему технологических совокупностей, генерирующих собственный спрос на новую продукцию, и формируется второй контур накопления – новый технологический уклад входит в режим расширенного воспроизводства на собственной технологической основе.

Таким образом, 6-й ТУ будет основываться на биотехнологиях, нанотехнологиях, робототехнике, технологиях виртуальной реальности».

Ядро 6-го технологического уклада: наноэлектроника, нанохимия, молекулярная и нанофотоника, наноматериалы и наноструктурированные покрытия, наносистемная техника, нанобиотехнологии, информационные технологии, когнитивные науки, социогуманитарные технологии, конвергенция нано-, био-, инфо— и когнитивных технологий (так называемая НБИКС-конвергенция, NBIC).

Ключевой фактор (прогноз Глазьева): нанотехнологии, клеточные технологии. Преимущество технологического уклада, по сравнению с предыдущим, по прогнозу будет состоять в резком снижении энергоёмкости и материалоёмкости производства, в конструировании материалов и организмов с заранее заданными свойствами.

Хронология: 2010 год – начало развития технологий; с 2018 года – период широкого распространения; с 2040 года – конец фазы быстрого роста.

Следует особенно отметить, что в 6-м технологическом укладе будет формироваться:

·  новая медицина, ориентированная на особенности отдельного человека и способах адресной доставки лекарств непосредственно к очагу заболевания, а также роботизированные малоинвазивные хирургические технологии;

·  высокие гуманитарные технологии, в основе которых лежат достижения в области когнитивных исследований и искусственного интеллекта.

В социально-политическом плане:

·  проектирование будущего и управление им;

·  технологии сборки и уничтожения социальных субъектов.

7-й технологический уклад

Ученые начинают говорить о следующем, еще не наступившем 7-м технологическом укладе [14-15]. О. Г. Бахтияров идею 7-го ТУ выражает фразой «технологии производства людей» способных «порождать новые реальности (технологические, культурные социальные)». При этом важной станет задача разработки «особых технологий целенаправленного формирования структур человеческого сознания», с включением психотехнических разработок, направленных на пробуждение волевого начала и формирование соответствующей этому статусу сознания тотальной онтологии. Результатом этого станет появление нового «СГУ-сообщества» (социогуманитарного сообщества, которое способно не только использовать существующий мир, но и делать новые миры) [14].

Можно сказать, что 7-й уклад будет характеризоваться следующими аспектами.

Создание создателей.

Расширение сознания.

Сверхчеловек.

Продолжиться развитие методов проектирование будущего и управление им, а также технологий сборки и уничтожения социальных субъектов.

Седьмой технологический уклад будет характеризоваться глубокой связью искусственных и органических, «живых» систем, в том числе, на основе биокомпьютерных систем и биомедицины.

Нелинейность и самоорганизация инноваций

Процесс проникновения (диффузии) инновационных продуктов на рынки был детально и всесторонне исследован Э.Мэнсфилдом (США) и др. исследователями, в результате чего было установлено, что он лучше всего описывается логистической функцией, график которой представляет S – образную нелинейную кривую, показанную на рисунке 1.2. Это свидетельствует о нелинейной природе инновационного процесса [9]. Вначале действуют силы положительной обратной связи, благодаря чему диффузия инноваций идет со все возрастающей скоростью. Когда скорость диффузии достигает определенного критического значения, автоматически включается отрицательная обратная связь, которая вызывает замедление скорости диффузии, что приводит к насыщению инновационного процесса.

Японский исследователь Масааки Хироока установил (2006), что жизненный цикл нововведений постепенно сокращался, начиная со времен первой промышленной революции (XVIII в.) с 90 до 25 лет в настоящее время. Период диффузии инноваций в наше время длится порядка 25–30 лет до момента достижения рынком состояния зрелости. Важно отметить, что диффузия инноваций происходит по логистической траектории только при благоприятных экономических условиях.

Если же экономика попадает в зону турбулентности и приходит в состояние застоя, то диффузия подавляется и отклоняется от первоначальной логистической траектории.

Рисунок 1.2 – Логистическая кривая диффузии инноваций

Другим замечательным свойством инновационного процесса является самоорганизация, вытекающая из нелинейной природы инноваций.

Благодаря самоорганизации инновации действуют не в одиночку, а, как правило, группами, собираясь в тесную связку и образуя так называемые «кластеры». Инновации внутри одного кластера взаимно усиливают друг друга, вызывая синергетический эффект. Именно благодаря синергетическому эффекту взаимодействия инноваций внутри кластера, они вызывают мощный кумулятивный рост экономики, обеспечивая прорывной характер ее развития.

Кластеры базисных технологий приводят к возникновению новых отраслей и, тем самым, запускают длительные экономические циклы, формируя повышательную стадию кондратьевского цикла, которая достигает своего пика в момент созревания инноваций. Совокупность кластеров базисных инноваций образует технологический уклад.

Инновация (инновационный продукт, нововведение), в свою очередь, является результатом длительных и упорных усилий ученых и изобретателей, инноваторов и предпринимателей, итогом эволюционного развития важного научного открытия или технического изобретения, создания на этой основе нового продукта (товара) и его коммерциализации. Таким образом, в основе инновации лежит научное знание – научное открытие или техническое изобретение. Инновация – это знание, воплощенное в коммерческий продукт. Любая инновационная парадигма состоит из трех логистических траекторий, как показано на рис. 1.3: технологической, разработки и диффузии.

Рисунок 1.3 – Структура инновационной парадигмы с тремя траекториями

Траектория разработки играет самую важную роль в инновационной парадигме, поскольку именно здесь осуществляется передача технологических знаний от академических институтов промышленности, и возникают венчурные предприятия с целью освоения инновационного продукта с дальнейшей его коммерциализацией. Благоприятные возможности для венчурных предприятий имеют тенденцию концентрироваться в первые 10–15 лет первой половины траектории разработки. Поэтому исключительно важно не упустить этот благоприятный период для коммерциализации инноваций!

Траектория диффузии или проникновения нововведений на рынок начинается как раз после окончания этого периода, что совпадает с завершением траектории развития технологии и продолжается она порядка 25–30 лет до момента насыщения рынка. Технологическая траектория также описывается логистической функцией и длится также около 25–30 лет, начавшись с какого-либо значительного открытия. Таким образом, инновационная парадигма имеет каскадную структуру, состоящую из трех логистических траекторий, отстоящих друг от друга на определенный фиксированный промежуток времени, устанавливаемый эмпирическим путем. Это позволяет осуществлять достаточно точное прогнозирование траектории диффузии будущих нововведений [9].

Необходимо учитывать и S-образный характер развития технических систем и других систем, в том числе, и технических материалов (рис. 1.4). Кривая показывает, что существует период, когда затраты на развитие системы дают максимальный эффект. Затем наступает период насыщения, когда увеличения затрат дает очень небольшой эффект и затраты необходимо прекратить [16]. Новый рост эффективности возможен только на качественно новой основе. Данная закономерность проиллюстрирована на примере кордов на различной полимерной основе, но эта закономерность носит достаточно общий характер. Необходимо использовать и другие общие законы развития систем [16].

Рисунок 1. 4 – Кривая развития технических систем

Синергетический эффект «слияния технологий»

Когда возникает новая инновационная парадигма и начинается разработка новых инновационных продуктов, тогда появляются и новые отрасли промышленности. Важно, чтобы поток инноваций также поступал в старые уже существующие отрасли экономики, увеличивая там добавленную стоимость и обеспечивая значительный рост производительности. В результате передачи технологий от новых отраслей к старым традиционным отраслям происходит «слияние технологий» и эволюция инновационных парадигм. Таким образом, существуют два направления развития базисных инноваций. Первое – это образование новой отрасли промышленности, производящей новые инновационные товары. Второе – это проникновение в действующие традиционные отрасли, что дает толчок росту производительности и даже приводит к появлению новых продуктов через слияние технологий. Инновации обеспечивают значительный прирост экономики, если они проникают во многие ее сферы и являются универсальными. В период четвертого и пятого цикла Кондратьева такой универсальной инновацией стали компьютеры и электроника (микропроцессоры). Ярким примером может служить слияние электроники и металлорежущих станков, в результате чего появились высокоточные и высокоэффективные металлорежущие станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Следует отметить, что работа автомобилей была в значительной степени улучшена внедрением электроники. Электронные компоненты используются сегодня для управления двигателем, управления движением и т.д. Технологическое слияние компьютерных систем с индустрией стали, цемента, химикатов привело к качественному скачку в этих отраслях. Таким образом, инновации должны охватить всю экономику в целом и институты через механизмы слияния технологий и институциональных изменений. В этой связи сегодня необходимо обратить особое внимание на то, как используются базисные технологии шестого ТУ в традиционных областях экономики и стимулировать этот процесс. Например, большинство сфер применения нанотехнологий пока что приходится на бытовую, медицинскую, сельскохозяйственную и энергетическую отрасли, а также производство материалов, т.е. традиционные отрасли [9].

1.2.  Мегатренды в технологиях

 Все новые достижения имеют одну общую особенность: они эффективно используют всепроникающую силу цифровых и информационных технологий. Например, генетическое секвенирование ДНК может существовать только на основе развития вычислительной мощности и аналитики данных. Аналогичным образом перспективные роботы не могут существовать без искусственного интеллекта, который, в свою очередь, во многом зависит от вычислительной мощности. Все большее значение цифровые технологии приобретают и в разработке и производстве полимерных материалов.

Шваб распределил мегатренды современной технологии по трем блокам: физическому, цифровому и биологическому [11]. Все они связаны между собой. При этом различные технологии используют преимущества друг друга на основе изобретений и развития каждой из них.

Физический блок. Существует четыре основных физических проявления преобладающих технологических мегатрендов, которые являются очевидными благодаря своей материальности:

– беспилотные транспортные средства;

– 3D-печать;

 – передовая робототехника;

 – новые материалы.

Беспилотные транспортные средства. По мере развития таких технологий, как датчики и искусственный интеллект, возможности автономных транспортных средств совершенствуются очень быстрыми темпами. Разнообразное практическое применение недорогих, коммерчески доступных воздушных и подводных дронов – это вопрос нескольких лет.

Так, в сельском хозяйстве использование дронов в сочетании с аналитикой данных обеспечит более эффективное и направленное удобрение земель и полив. В работе [17] нами описано применение дронов для пожаротушения.

3D-печать (так называемое аддитивное производство, АМ). Является противоположностью субтрактивному производству, то есть основному способу производства, использующемуся до сегодняшнего дня, когда слои один за другим снимаются с материала до достижения желаемой формы. Эта технология имеет широкий спектр применений, от масштабных (ветровые установки) до самых малых (медицинские импланты). По мере преодоления существующих ограничений по размеру, стоимости и скорости 3D-печать получает все более широкое распространение, включая интегрированные электронные компоненты, такие как монтажные платы и даже клетки и органы человеческого организма. А исследователи уже работают над технологией 4D, которая создаст новое поколение самоизменяющихся продуктов, способных реагировать на изменения окружающей среды, включая температуру и влажность. Эта технология может использоваться в производстве одежды и обуви, а также медицинских продуктов, например имплантов, способных адаптироваться к организму человека (см. также гл.7).

Передовая робототехника. Применение роботов охватывает практически все отрасли и задачи: от прецизионного земледелия до ухода за больными. Технологический прогресс повышает адаптивность и гибкость роботов, конструктивный и функциональный дизайн которых разрабатывается на основе сложных биологических структур (развитие процесса биомимикрии, то есть имитации природных образцов и стратегий). Прогресс в области датчиков делает роботов способными лучше воспринимать окружающую среду и реагировать на нее, выполняя более широкий спектр задач, включая домашнюю хозяйственную работу.

Новым направление в робототехнике является HCR (human-robot collaboration – сотрудничество человека и робота) – концепция, очень активно развивающаяся и уже нашедшая применение на многих предприятиях. Коллаборативный робот – робот, созданный для совместной работы с человеком, спроектированный так, чтобы не подвергать опасности находящегося рядом работника [18].

Учитывая специфику, коботы, они же коллаборативные роботы или роботы-помощники, как правило, не превосходят размерами человека (хотя бывают и крупные) и всегда имеют специальные датчики для обеспечения его безопасности – оптические, датчики движения, датчики обратной связи. Да и само ПО таких роботов ориентировано на сотрудничество с человеком.

Рисунок 1.5 – Совместная работа робота и человека (Фото: abb.com)

1.3.  Новые материалы

В настоящее время на рынок постоянно поступают новые материалы, обладающие свойствами, которые было невозможно себе вообразить еще несколько лет назад. В целом они становятся более легкими, прочными, пригодными для вторичной переработки и адаптивными. Существует множество новых применений для самовосстанавливающихся или самоочищающихся умных материалов, металлов с памятью возврата к исходной форме, керамики и кристаллов, которые превращают давление в энергию и так далее. Как и в случае большей части инноваций четвертой промышленной революции, последствия возникновения, развития и использования новых материалов предугадать невозможно. В качестве примера можно привести такой наноматериал, как графен, прочность которого в двести раз превышает прочность стали, а толщина в миллион раз меньше человеческого волоса, и который является эффективным проводником тепла и энерг. Когда графен станет конкурентоспособным по цене (в расчете на грамм он является одним из самых дорогостоящих материалов: объект размером в микрометр стоит более тысячи долларов США), он сможет обеспечить значительный прорыв в сфере производства и инфраструктуры. Это же можно отнести и к нанотрубкам, применение которых непрерывно расширяется. Так наша российская фирма OCSiAl стала одним из мировых лидеров по объему выпуска и ценовой характеристике углеродных одностенных нанотрубок (УНТ). 1кг УНТ этой фирмы стоит 3000 долларов, что примерно в 5 раз ниже, чем у конкурентов [19]. Стоит отметить, что для достижения технического эффекта часто достаточно ввести в материал 0,001% наноторубок.

Становление науки о полимерах связано с именами выдающихся ученых: А.М. Бутлерова, Г. Штаудингера, Н.Н. Семенова, С.С. Медведева, С.В. Лебедева, Х.С. Багдасарьяна, К. Циглера, Дж. Натта, У. Карозерса, Г.С. Петрова, В.В. Коршака, В.А. Каргина, их учеников и многих химиков и физиков [20].

В настоящее время развитие науки о полимерах продвигается главным образом по пути создания гетерофазных структур (получение наполненных, нанонаполненных и армированных композитов, полимерных смесей и сплавов, синтез привитых и блоксополимеров) [21].

По мнению профессора А. Оганова, полимеры – это удивительный, уникальный класс химических веществ, которые можно с некоторой долей справедливости назвать венцом эволюции неживого мира, потому что это класс веществ, который породил жизнь [22]. Все ткани живых организмов также представляют собой высокомолекулярные соединения. Это вещества, которые обладают поразительным разнообразием, изменчивостью физических свойств, структуры и химического состава. К полимерам принадлежат не только такие вещества, как пластик, но и белки, из которых состоит человек, полисахариды типа целлюлозы, ДНК и РНК, которые программируют наследственность в живом мире. Это неживая материя, которая получила способность самовоспроизводиться, размножаться, передавать информацию и реплицировать себя именно благодаря способности полимеров быть изменчивыми.

Полимеры могут быть двумерными, могут быть даже трехмерными. Например, структуру многих силикатных минералов вполне можно рассматривать как одно-, двух— или трехмерные полимеры. В частности, цеолиты – молекулярные сита. Цеолиты можно рассматривать как трехмерные полимеры. Эту трехмерную ажурную сетку, трехмерный ажурный каркас из алюмосиликатных единиц можно рассматривать как трехмерный полимер.

Органические полимеры в подавляющем количестве случаев одномерны. Но эти одномерные цепи в зависимости от того, из чего они состоят, могут быть развернутыми и могут быть свернутыми. Хороший пример этого дают фибриллярные белки, такие как коллаген, из которых состоят наши сухожилия. Треть белковой массы человека – это коллаген – белок неимоверной прочности, он как раз состоит из таких одномерных построек. Белки могут быть глобулярными, когда эта одномерная структура свернута в достаточно плотную глобулу, и эти глобулярные белки могут выполнять ряд интереснейших функций, таких как ферментативная функция.

Самый распространенный полимер на Земле – это целлюлоза. Важно напомнить, что целлюлоза и крахмал – это одно и то же химическое вещество по химической формуле, но различное по структуре. И различие огромное – усвояемый человеческим организмом водорастворимый крахмал и нерастворимый, неусвояемый его брат-полимер – целлюлоза.

Полимеры также могут быть очень гибкими. Это обусловлено как гибкостью сочленений между полимерными цепями, так и гибкостью внутри полимерной цепи.

Важнейшим направлением полимерной науки и технологии являются создание и модификация полимерных композитных материалов, прежде всего армированных высокопрочными волокнами, а также многослойных и комбинированных материалов [23].

Современное состояние техники требует не просто новых полимерных материалов, а полимерных материалов нового поколения. В этой связи директор ВИАМ, академик РАН Е. Каблов считает, что будущее за «экономикой знаний», а идеология потребления должна уйти в прошлое [24].

Он уточняет: «мы сформулировали основные принципы создания материалов. Не новых материалов, а материалов нового поколения. Это не игра слов». Принципиальное отличие заключается в том, что в основу разработки материалов нового поколения закладывается четыре принципа:

− Глубокие фундаментальные и фундаментально-ориентированные исследования, выполняемые РАН, государственными научными центрами и исследовательскими университетами.

− «Зеленые» технологии. Нельзя создавать материалы так, как это делалось в восьмидесятые годы. Мы нашу планету превращаем в свалку, используя полимерные композиционные материалы, которые в силу своего состава не разлагаются. Если мы не найдем технологии их переработки, мы завалим землю мусором.

− Цифра. Цифровые технологии должны охватывать весь цикл, начиная с создания материала, его проектирования, эксплуатации до ремонта, утилизации.

− Принцип единства «материал – технология – конструкция».

Сейчас в мире идет необъявленная война. Но война не пушек и канонерок, идет война за знания и за доступ к технологиям. Есть три категории государств. Первая, элита, те, кто создает знания. Во главе этой группы США. Вторая – те, кто на основе новых знаний создают технологии для себя и для первой группы. Ну и третья – те, кто будет обеспечивать первые две группы ресурсами: человеческими, сырьевыми, энергетическими. Нам надо решить, где мы. Понятно, что мы не хотим быть сырьевым придатком. Но, чтобы не попасть в это технологическое рабство, нам надо развивать науку, создавать технологии, внедрять их в производство.

Бывший Президент США Барак Обама в свое время официально провозгласил, что инструментом достижения глобального превосходства Соединенных Штатов в области технологий будет аддитивное производство. Фактически аддитивные технологии – это предвестник новой технологической революции. Шестой технологический уклад будет построен на аддитивных технологиях. Эти технологии дают преимущества в производительности в 30 раз, а также огромную экономию в энергозатратах, в использовании материала. И если упустить момент, как это было в случае с генетикой и кибернетикой, то тогда уже никогда не успеть «сесть в этот поезд», никогда не создать ни мощной оборонной промышленности, ни гражданского сектора.

За чуть более чем полувековой период становления и развития области физикохимии ВМС было получено пять Нобелевских премий, что заставляет признать ее одним из центральных разделов современной химии. Сейчас химия и физика полимеров рассматривается как междисциплинарная область знания, поскольку она неразрывно связана с органической, физической и коллоидной химией, физикой твердого тела и физикой частично упорядоченных сред (так называемой softmatter physics), а также наукой о материалах. Несомненна ее связь и с биологическими дисциплинами, объектами изучения которых служат биополимеры – высокомолекулярные соединения природного происхождения.

Современное состояние техники требует не просто новых полимерных материалов, а полимерных материалов нового поколения [24].

Примерами таких материалов являются не только упомянутый графен и УНТ. Так Скотт Уайт из Иллинойсского университета разработал биопластик, обладающий возможностью восстанавливаться при повреждении. Особенностью данного полимера является его структура. В ней содержаться микрогранулы, заполненные особой жидкостью. При повреждении этих микрогранул, жидкость вытекает и заделывает образовавшееся повреждение. Аналогичный эффект можно увидеть, скажем, при порезе. И хотя некоторые материалы способны «залечивать» свои микротрещены, новый полимер смог справиться с весьма большой дыркой размером 4 миллиметра. Инженеры не планируют останавливаться на достигнутом. В перспективе видится создание бетона, асфальта, а также металла, обладающих свойствами самовосстановления.

Чрезвычайный интерес вызывают аэрогели – суперлегкие материалы.

Визуально они выглядят как туман или плотный дым. Удивительная способность этого материала заключается в том, что он с легкостью может выдержать, например, жар паяльной лампы (рис. 1.6). Само название «аэрогель» отражает суть этого материала: это гель, где жидкость была полностью заменена на воздух. Матрица аэрогеля может состоять практически из любой субстанции, включая кремнезем, различные окиси металла и, конечно же, графен. Однако важнее всего отметить, что большую часть его структуры составляет воздух.

К сожалению, у аэрогеля есть один критический недостаток: хрупкость, особенно если основой аэрогеля является кремнезем. Ученые из NASA, экспериментируя с гибкими аэрогелями на основе полимеров, рассматривали возможность их применения в качестве непроводящих материалов для космический аппаратов. Добавление других компонентов даже в аэрогели на основе кремнезема способно сделать их более пластичными [25].

Рисунок 1.6 – Цветок, защищенный слоем аэрогеля от пламени паяльной лампы

1.4.  Системный подход в материаловедении

Существенное усложнение современных материалов требует использования системного подхода. Большое разнообразие эксплуатационных сред, широкий диапазон температурных и механических воздействий на полимерные материалы и связанное с этим большое разнообразие технических материалов требует общего концептуального подхода также к проблеме разработки новых эффективных материалов, описания их эксплуатационного поведения и оценке работоспособности.

При реализации научного направления, излагаемого в работе, была разработана концепция системной технологии эластомерных материалов. Системная технология эластомерных материалов использует формализованные методы системного подхода к описанию и разработке материалов как систем, сочетание принципов теории систем и неравновесной термодинамики, особенно термодинамики открытых систем, методы кинетики нелинейных процессов и синергетики, с современными математическими и компьютерными методами обработки информации. Основные положения системной технологии изложены в работах [16, 26-28].

Системная технология является дополнительным методологическим подходом к физико-химическим исследованиям. Стратегия разработок на основе взаимодополняющих подходов представляется наиболее эффективной. В значительной степени это будет определяться и теоретической разработкой системной технологии как научного направления.

На рис. 1.7. показана взаимосвязь основных проблем материаловедения и выбора полимерного технического материала (ТМ) для изделия.

Рисунок 1.7 – Взаимосвязь основных проблем материаловедения и выбора полимерного технического материала (ТМ) для изделия

Одним из методов системного подхода в технике является функционально-физический анализ, при котором многокомпонентный материал рассматривается как техническая система, осуществляющая операции преобразования некоторых входных воздействий в выходные [16]. При этом основное внимание уделяется не материальной структуре объекта, а функциональным преобразованиям потоков вещества и энергии. Формализованное описание позволяет строить потоковые функциональные структуры на базе обобщенных физико-химических операций преобразования, что позволяет в целостном и взаимосвязанном виде представить организацию энергетических и материальных потоков и более целенаправленно создавать новые эластомерные материалы с использованием разнообразных физико-химических эффектов. Важным научным направлением является системная динамика, исследующая поведение систем во времени и в зависимости от структуры элементов системы и взаимодействия между ними, в том числе причинно-следственных связей, петель обратных связей, задержек реакции, влияния среды и других.

В основе системного подхода лежит представление рассматриваемого объекта в виде системы, т.е. целостного множества взаимосвязанных элементов любой природы. Главным критерием, устанавливающим необходимость данного элемента в системе, является его участие в процессе функционирования системы, приводящее к получению заданного результата. Системный подход допускает функционально обоснованное расчленение любой системы на подсистемы, объем и количество которых определяются составом системы и масштабом рассмотрения. Можно добавить, что один и тот же объект можно представить в качестве разных систем, при этом число способов системного представления объекта не имеет ограничений.

С позиций системного подхода многокомпонентный полимерный материал, в частности, эластомерный материал (резина) может быть рассмотрен как система взаимодействующих компонентов.

Каждый из ингредиентов в эластомерном материале выполняет определенную функцию на стадиях переработки, вулканизации и эксплуатации резиновых изделий.

 В современных полимерных материалах используется большое количество ингредиентов. Так, в рецептурах резин используется более тысячи разнообразных ингредиентов различного функционального назначения. При этом происходит непрерывное обновление рецептуры резин и синтез ежегодно порядка 100000 новых соединений, потенциально пригодных в качестве компонентов резин. В то же время лишь небольшое количество этих соединений внедряется в рецептуры. С другой стороны, в результате унификации и стремления упростить технологический процесс из действующих рецептур выводится ежегодно 15-20 соединений. Как следствие, происходит обеднение рецептурного разнообразия.

В работах [26-33] и последующих главах приведен обзор наших разработок в области полимерных материалов и системной технологии полимерных материалов, а также в области аддитивных технологий и информационных технологий.

Более подробно общие направления полимерной науки и технологии рассмотрены в гл.2.

С 1950-х годов, ежегодное производство полимеров увеличилось в 200 раз. В 2018 году произведено более 400 миллионов тонн полимеров. Это говорит о большой важности полимеров для решения задач крупнотоннажного производства. Существенным является также разработка и производство материалов для специальных областей применения – для работы в экстремальных условиях эксплуатации, в медицине, природоохранных мероприятиях и т.д.

Таким образом, круг проблем полимерной науки и технологии весьма разнообразен и актуален.

Библиографический список к главе 1

1. Лем С. Сумма технологии.-М., «Мир», 1968.— 608с.

2. Малинецкий Г.Г. Чтоб сказку сделать былью...: Высокие технологии — путь России в будущее. № 58 М., URSS. 2012. 224 с.

3. Нордстрем К., Ридерстралле Й. «Бизнес в стиле фанк. Капитал пляшет под дудку таланта» , Стокгольмская школа экономики в Санкт-Петербурге,

2002,— 324с., 2002 и 2-е издание «Бизнес в стиле фанк навсегда: Капитализм в удовольствие»— М., Манн, Иванов и Фарбер, 2008.— 328с.

4. А. Шаронов «Наша хроническая занятость — это наша трусость» https://www.kantiana.ru/news

5. М.В. Ковальчук Конвергенция наук и технологий – прорыв в будущее

www.nanorf.ru | том 6 | №1-2 2011 | российские н а нотехнологии 13 научно-техническая политика

http://nrcki.ru/files/pdf/1461850844.pdf

6. В. Прайд, Д.А. Медведев. Феномен NBIC-конвергенции: Реальность и ожидания

http://www.transhumanism-russia.ru/content/view/498/61/

7. С. Кольцов. Феномен NBIC-конвергенции. https://academcity.org/content/fenomen-nbic-konvergenci

8. М. Недюк, Е. Яцишина, О. Пенкина Объединяя технику с природой

https://iz.ru/726164/mariia-nediuk-ekaterina-iatcishina-olesia-penkina/obediniaia-tekhniku-s-prirodoi

9. А.А. Акаев Современный финансово-экономический кризис в свете теории инновационно-технологического развития экономики и управления инновационным процессом. Мониторинг глобальных и региональных рисков 2008/2009 / Ред. Д.А.Халтурина, А. В. Коротаев. М.: УРСС, 2009. С.141–162 .

10. В. Волобуев. От адресной доставки лекарств до «тромба-на-чипе»: тренды в биотехе, за которыми стоит следить

https://hightech.fm/2019/08/30/biotech

11. Шваб К. «Четвертая промышленная революция» .-М.:Изд-во «Э», 2017.-208с.

12. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического укла-

да в экономике / Под ред. Академика РАН С.Ю.Глазьева и профессора

В.В.Харитонова. – М.: «Тровант». 2009. – 304 с.

13. Перес К. Технологические Революции и Финансовой Капитал. Динамика Пузырей и Периодов Процветания.— М.: Дело 2011— 231с.

14. Козачек А.В. Седьмой технологический уклад: возможные глобальные экологические и проблемы и соответствующие аспекты профессиональной подготовки инженера-эколога. https://cyberleninka.ru

15. Прохоров И. А. Начало 7-го технологического уклада http://www.energoinform.org/pointofview/prohorov/7-tech-structure.aspx

16. Каблов, В.Ф. Информационные технологии в разработке и в производстве эластомерных материалов: монография; ВПИ (филиал) ВолгГТУ/ В.Ф.Каблов, И.М. Агаянц. – Волгоград, 2009. – 408 с.

17. Каблов, В.Ф. Лесные и травяные пожары. Экологические последствия, прогнозирование, способы тушения: монография / В. Ф. Каблов, С. И. Благинин, И. Н. Хлобжева; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2017. – 172с.

18. Коллаборативный робот: что это такое — определение и применение https://top3dshop.ru/blog/kollaborativ-robot

19. OCSiAl — международная компания. https://ocsial.com

20. Каблов, В.Ф. Современные проблемы полимерной науки и технологии [Электронный ресурс]: учебное пособие /В. Ф. Каблов, А.Ю. Александрина; ВПИ (филиал) ВолгГТУ.–Волжский,2018. – Режим доступа: http://lib.volpi.ru.

21. Кулезнев В.Н. Химия и физика полимеров / В.Н. Кулезнев, В.А. Шершнев.— СПб.: Лань. — 2014.-368 с.

22. Оганов А. Полимеры и биополимеры./ А. Оганов. Видео — [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://postnauka.ru/video/38347

23. Баженов С.Л. Полимерные композиционные материалы: Научное издание / Баженов С.Л., Берлин А.А., Ошмян В.Г.// Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. – 352 с.

24.  Ульянов Н. Не попасть в технологическое рабство. «Эксперт» 12-18 июня 2017 №24 (1033).

25. Н. Хижняк. Шесть сверхматериалов, которые могут изменить мир https:// hi-news.ru

26. Каблов В.Ф. Системная технология каучук-олигомерных композиций. «Олигомеры 2009» : Сб. статей Х международной конференции по физико-химии олигомеров, ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. Стр.162-191.

27. Каблов В.Ф. Разработка и исследование полимерных материалов с функционально-активными компонентами. Известия ВолгГТУ. Серия «Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов». Вып. 13: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2017. – (Серия «Химия и технология эле-ментоорганических мономеров и полимерных материалов»).— № 3 (198). — C. 7-28.

28.  Каблов В.Ф. Полимерные материалы с функционально-активными компонентами. Исследования и технологии (часть 1): монография / В.Ф. Каблов, Н.А. Кейбал // ВПИ (филиал) ВолгГТУ. – Волгоград. — 2018. – 406 с.

29. Каблов, В.Ф. Современные тенденции применения каучуков и наполнителей в рецептуре резин / В.Ф. Каблов, В.И. Аксенов // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2018. — № 3. — C. 24-34.

30. Каблов, В.Ф. Современные тенденции эволюции рецептов резин / В.Ф. Каблов // Каучук и резина. — 2018. — Т. 77, № 5. — C. 326-331.

31. Каблов, В.Ф. Применение информационных технологий и компьютерного дизайна при разработке эластомерных материалов : [обзор] / В.Ф. Каблов // Каучук и резина. — 2019. — Т. 78, № 2. — C. 124-133.

32. Каблов, В.Ф. Принципы параметрического описания резины с учётом её функциональных возможностей / В.Ф. Каблов, Ю.А. Гамлицкий // Каучук и резина. — 2017. — Т. 76, № 4. — C. 252-257.

33.  Каблов В. Ф. Аддитивные технологии в производстве полимерных изделий. Учебное пособие [Электронный ресурс]: Учебное пособие /В. Ф. Каблов, А. В. Синьков//Сборник «Учебное пособие».— Волгоград: ВПИ (филиал) ВолгГТУ, 2017.-98с.

(ВНИМАНИЕ! Выше приведено начало книги)

© Каблов В.Ф., 2020