Obor: Bezpečnostní a strategická studia

4.5Stávající vývoj a možnosti v oblasti nanotechnologií

4.5.1Upřesnění popisované oblasti

V ohledu na v první části práce uvedenou definici nanotechnologií, která dotyčnou kategorii pojímá jako proces výroby, materiály, zařízení a systémy je třeba podotknout, že se v rámci zachování rozumného rozsahu a formy co možná nejkonzistentnějšího tematicky/utilitariárního rámce, bude práce dále nanotechnologiím věnovat ve smyslu předpokládaného koncového využití. To znamená, že budou pominuty podpůrné techniky k jeho dosažení, jako jsou metodologie měření, výrobní postupy a rozmanité druhy prováděných simulací, byť mohou být především některé výrobní procedury, jako různé formy samosestavování a řízené konstruktivní biologie s možným praktickým uplatněním velmi těsně spjaty.

Druhou dimenzí, ve které je prezentace dostupných dat zredukována, je oblast základního výzkumu, kam spadá poznávání širokého spektra fyzikálních a chemických jevů. Uvedená sféra je v tomto úseku do jisté míry zohledněna stručným souhrnem v úvodu a použitím některých faktů v následujícím tematickém rozdělení v míře programů, v nichž jsou deklarovány konkrétní možnosti budoucího uplatnění vyvíjených technických řešení. Na jednotlivé kategorie je pohlíženo především s ohledem na vojenský vývoj, takže pro komplexní oblasti jako zdravotnictví, senzorika či konverze energie by byly potenciální přínosy nanotechnologií mnohem širší, než jsou zde uvedené eventuality.

4.5.2Oblasti základního výzkumu

Tato kategorie je tvořena souhrnem oblastí, u nichž je v současné době akcent především na odhalování podložních jevů, které jsou s nanorozměry spojovány, a nikoliv na fázi aplikovaného využití. Dotyčná oblast nicméně velmi dobře demonstruje, jak je stále více druhů věd, které pracují s modelací chování určitého prostředí, založené na jevech nejnižších rozměrových úrovní, postupně chápáno jako součást množiny nanotechnologií.

Ve snaze o maximalizaci potenciálu jsou obšírně zkoumány základní vlastnosti obsáhlé skupiny materiálů. Priority v oblasti vojenského vývoje zahrnují především poznávání možností designu látek s ideálními fyzikálními a chemickými vlastnostmi ve smyslu odolnosti proti nejrůznějším formám zátěží jako mechanické namáhání (zásahy projektilů, opotřebení otěrem ap.) a jejich limitů při vystavování extrémním vlivům. Požadováno je také odhalování možností energetických transformací (příkladně vznícení a hoření, vzájemná termo-elektro-mechanická závislost). Pro systémy a jejich prvky jsou relevantní výzkumy působení dalších fyzikálních veličin jako teplota nebo vysokovýkonné elektromagnetické výboje, ale také široká interakční závislost na zmenšování prvků, šíření signálů a jejich chování při kontaktu s okolním prostředím a jeho podmínek (ARL 2012: 73-76, tamtéž: 107, 114, DARPA 2013: 31).

Značné úsilí je věnováno i výzkumu biologických soustav a jejich vlastností, týkajících se transformace energie a adaptability vůči svému okolí (samoorganizace, senzorické a reaktivní schopnosti). Speciální důraz je kladen na lidský potenciál v kontextu s širokým spektrem negativních vlivů fyzické a psychické podstaty (poranění, spánková deprivace, stres atp.) na jeho výkony. S tím souvisí i snahy o proniknutí do podstaty jevů, latentně působících u různých zranění a pochopení zásadních fyziologických procesů jako úlohy jednotlivých genů, fungování imunitního systému a kognice za účelem využití při zlepšování lidského výkonu (ARL 2012: 79, 111, AFOSR 2013a, DARPA 2013: 4-6, ISN 2014a).

4.6Aplikovaný výzkum a možnosti využití

Tato část prezentuje široké pole možných vojenských aplikací, pro jejichž dosažení jsou nanotechnologie nezbytností nebo vhodnou alternativou. Příkladně vůči některým představovaným tématům, jako robotika, protetika, exoskeletony a pokročilé počítačové programy či umělé inteligence nejsou nanotechnologie nutným realizačním předpokladem, ale jejich užití zde výrazně umocňuje potenciál dané technologie pro realizaci anebo zlepšuje vyhlídky na praktické uplatnění.

Jednotlivé, skrze optiku koncových způsobů zachycené popisované oblasti, jsou ve skutečnosti do vysoké míry propojené, často se vzájemným synergetickým působením. Znamená to, že v mnohých případech fakticky shodné technologie dělí pouze úhel pohledu (viz elektronika a senzorika) a například pokroky v energetických systémech doprovází odezva napříč ostatními kategoriemi. Z těchto popisovaných skupin se nejvíce vyčleňují abstraktnější, převážně na sekundárních pramenech založené kategorie „Výzbroj“ a „Ostatní využitelné možnosti“, které jsou kvůli nižšímu množství primárních dat pojaty spíše jako prezentace volnějších možností uplatnění, než rozvedení prováděného vývoje.

4.6.1Lidský bojový potenciál

I přes modernizaci vybavení a zvyšování možností bezposádkových prostředků, zůstává úloha vojáka, jako univerzální jednotky k vedení boje v mnoha ohledech nezastupitelná. Od užívání vojenských nanotechnologií se očekává posun k vyšší bezpečnosti, zvýšené bojeschopnosti, soběstačnosti a mobilitě vojáků (Simonis a Schilthuizen 2006: 39, Allhoff et al. 2010: 173). Nanotechnologie nepochybně nabízejí mnoho potenciálních řešení, jak zmíněných charakteristik dosáhnout. Široké pole aplikačních možností je zhruba rozdělitelné na „vnější systémy“, „vnitrotělní nanotechnologie“ a „prostředky bojové přípravy a koordinace“.

Příklady vnějších systémů jsou v prvé řadě různé druhy pasivních nanostruktur v podobě pokročilých netkaných textilií a kompozitních tkanin s nanovlákny¹², nebo jinými nanočásticemi pro výrobu uniforem a ochranné výstroje, sloužící ke zvýšení komfortu a minimalizaci environmentálních rizik. Předpokládané výhody spočívají v prvé řadě ve snižování hmotnosti a navyšování odolnosti proti rozličným, pro vojáka negativním vlivům, fyzikální, chemické, či biologické podstaty. Prostřednictvím uvedených nanoprvků lze dosáhnout vyšší prodyšnosti, odolnosti proti oděru a dalším mechanickým poškozením, zvýšení ohnivzdornosti a antibakteriálních, virucidialních či fungicionálních vlastností, spojených s funkcí některých nanočástic nebo s  ošetřením výbavy polymerovými roztoky. Skrze fotokatalytické schopnosti některých nanomateriálů je možné také vyvolávat rozklad nečistot, které se na oděv přichytí, a nanostruktury v oblečení mohou rovněž adaptivním smršťováním zadržovat, popřípadě i přímo degradovat chemické a biologické bojové prostředky (Thilaghavathi et al. 2008: 452-456, DOD 2009: 16, NSRDEC 2006, ISN 2014b).

Velkým potenciálem disponuje i oblast kamufláže, kde bude v porovnání s konvenčním pasivním maskováním umožněno mnohem lepších výsledků ve snižování zjistitelnosti jednotek. Jako realizovatelné se jeví především dva základní přístupy. Prvním je v rámci ISN zkoumané užití materiálů s negativním refrakčním indexem. Tento princip je založen na pokrytí povrchu nanočásticemi o menších rozměrech, než jsou vlnové délky záření, pro jehož odraz má být zamaskován, vedoucí k manipulaci s vnímáním/zobrazováním daného povrchu. S částicemi přiměřené velikosti je metoda aplikovatelná na snížení zjistitelnosti i ve vlnových rozsazích mimo viditelné spektrum, pro téměř jakékoliv záření (infračervené, mikrovlny, radarové ap.), (ISN 2014c).

Totožný princip lze využít v uplatnění nanočástic coby přísad do krycích prostředků jako multispektrální kouřové granáty, které umožní upravovat generované krycí médium tak, aby přes něj nebylo vidět v běžném vlnovém rozsahu infračerveného světla (což znamená „průhlednost“ pro konvenční detektory), ale pouze v určité specifické frekvenci, jenž je nastavitelná velikostí použitých částic (ISN 2014d).

Druhou větví možného vývoje kamufláží jsou aktivní nanostruktury jako kombinace senzorů a povrchů, které budou v závislosti na přijímaných impulsech schopny měnit svou barvu. Pro tyto účely je využitelná řada elektrochromických materiálů nebo miniaturních diod (například v podobě kvantových teček) adaptujících barvu tak, aby plývala s pozadím podle okolí (Savage 2004: 12, Simonis a Schilthuizen 2006: 39). Výzkumy naznačují, že v budoucnu bude patrně proveditelné i řešení na biologické bázi s adaptivními proteiny, napodobujícími chromatické funkce tkání u hlavonožců (Berger 2013).

Pro bojové oblečení jsou perspektivní oblasti funkcionalizovaných tkanin a materiálů, přejímajících úlohu současných izolovaných částí výbavy¹³. V prvé řadě se jedná o náhradu zdrojů energie, kterou mohou poskytovat fotovoltaická, termoelektrická nebo piezoelektrická vlákna, jež by umožňovala převádět na elektřinu deformace textilu při pohybu vojáka, dopadající záření a prostředím podmíněné tepelné rozdíly. Tyto principy nebo jejich kombinace by bylo možné zužitkovat například pro potřeby napájení méně energeticky náročného vybavení (Altmann 2006: 79, Tůma 2014).

Kromě poskytování energie je otevřená i možnost, zakomponovat do oblečení kombinaci fotosensitivních a piezoelektrických vláken, které budou použitelné jako senzorický aparát pro akustické a vizuální mapování prostředí. Vláknové materiály, reagující na široké spektrum podnětů, nejspíše budou v oblečení sloužit i ve formě senzorů, monitorujících fyziologické procesy v těle vojáka, což zajistí lokalizaci případných poranění a poskytování informací o momentální kondici. Popisované technologie ovšem oblečení potenciálně umožní také obsahovat vysokokapacitní baterie, zobrazovací zařízení (například ISN vyvíjí systém s mikrokanálky, obsahujícími elektřinou vybuditelné tekuté krystaly) nebo signálových modulátorů, usnadňujících vzájemnou komunikaci a identifikaci vojáků (ISN: 2014e, 2014f, 2014g, Thilaghavathi et al. 2008: 452).

Inteligentní materiály, začleněné do oblečení, budou schopny napomáhat termoregulaci a vyrovnávat působení extrémních klimatických podmínek nebo recyklovat pokožkou vylučované tekutiny do podoby pitné vody (Altmann 2006: 88). Kombinace senzorů, diagnostikujících aktuální stav vojáka a substancí, tuhnoucích v závislosti na vystavení určenému podnětu by mohla z uniformy udělat improvizovanou dlahu, obvaz, nebo dokonce sérií stahů provést kardiopulmonální resuscitaci (Allhoff et al. 2010: 174).

Důraz na zvýšení bezpečnosti vojáků se krom tendencí ke zvyšování odstupu od přímého bojového nasazení projevuje i novými druhy ochranné výstroje. Směr vývoje odráží snahu o co největší ochranu těla včetně končetin, která by zároveň co možná nejméně omezovala pohyblivost. Nanotechnologie mohou v tomto ohledu přispívat řadou kombinovatelných technických řešení s využitím aktivních i pasivních nanostruktur.

Z hlediska zhodnocení stávající výstroje bude možné používání nově zkoumaných materiálů jako oligokrystalické nanostruktury, což jsou částice slitin s tvarovou pamětí, které při přidání do jiných materiálů umožňují při nárazech kontrolovat šíření vzniklých vibrací a ideálně odvádět kinetickou energii (ISN 2014h). Další možností zvýšení ochrany personálu jsou nanokompozitní neprůstřelné tkaniny, které mohou pro svou odolnost nahradit dosavadní široce používaná aramidová vlákna a začlenění nanotrubic do keramických plátů, sloužících jako tuhý komponent neprůstřelných vest, jež povede k větší výdrži uvedeného materiálu (Hambling 2014, Ratner a Ratner 2009: 51).

S důrazem na zmiňovanou snahu o flexibilní ochranu celého těla se význačnou oblastí výzkumu nových alternativ brnění stávají biomimetické přístupy, směřující k nápodobě sofistikované skladby krunýřů korýšů a článkových či šupinových struktur určitých druhů měkkýšů a ryb. U těchto designů se předpokládá vyšší efektivita při redukci poškození, jako je průnik projektilů, a zároveň vysoká míra ohebnosti ochranného materiálu v místech vojákových kloubů. (ISN 2014ch, Trafton 2010). Alternativou tohoto přístupu je využití “kroužkové zbroje”, složené z grafenu a uhlíkových nanotrubic o mikro a nano rozměrech, které jsou v některých tvarových kombinacích spojovány s neobyčejnou odolností (ISN 2014i).

Žádanými vlastnostmi, tedy ohebností a vysokou odolností disponuje i kategorie „tekutých pancířů“, v nichž dochází využitím kinetické energie zásahu k rychlému ztuhnutí jinak tvárného roztoku uvnitř ochranné struktury. Jak uvádí Savage (2004: 13) prosycení materiálů jako kevlar těmito zátěžově tuhnoucími tekutinami výrazně zvyšuje možnosti pohlcovat energii. Pro obdobné účely jsou použitelné i další „inteligentní tekutiny“, jako magnetorheologické koloidní roztoky, které mění svou konzistenci podle míry vystavení magnetickému poli¹⁴ (Carlson 2008: 302).

Specifickým způsobem systémového využití komplexní skupiny nanotechnologií, které s ochranou a pokrytím celého těla souvisí, jsou tzv. exoskeletony a specializované obleky. Jako součásti těchto nositelných konstrukcí, kombinujících ochranné prostředky a mechanické komponenty, by nanoprodukty nalezly v hojné míře uplatnění. Koncept využití exoskeletonu předpokládá, že bude bojovník disponovat silou, výdrží a odolností, dalece přesahujícími možnosti dosavadních lidských jednotek. Funkčnost tohoto systému je založena především na užití lehkých a velmi pevných struktur, specifických „chytrých materiálech“, napodobujících funkci svalů, pokročilé robotiky využívající NEMS, MEMS, potažmo dalších druhů senzoriky a výkonných miniaturizovaných zdrojů energie.

Podobná, v současné době dostupná zařízení, posilující dolní polovinu těla vyvinutá NSDREC, jsou předzvěstí budoucích výsledků projektů Warriors web, jenž má ulevovat nejvíce namáhaným částem lidského těla při pohybu s výbavou v terénu (klouby, svaly) a snažit se zabránit poranění vojáků způsobeným únavou, umožňujíce jim tak udržovat optimální výkon (DARPA 2014: 62), či ambiciózně pojatého bojového obleku TALOS, který bude podle uveřejněných informací prvním regulérním exoskeletonem, se všemi příslušnými proprietami.

Tuto kategorii reprezentuje také systém nazývaný Gecko suit. Plánovaná podoba obleku bude pracovat na principu využití vlastností povrchů s nanovýčnělky, které mají díky Van der Waalsovým silám vysokou přilnavost. Stejný mechanismus stojí za schopnostmi gekonů a pavouků pohybovat se po vertikálních površích a vojákovi umožní s plnou výbavou bez pomocných prostředků překonat více než šest metrů vertikální překážky (DARPA 2014: 154-155). Forma provedení a množství povrchů, na nichž bude tento efekt využitelný, nejsou dále rozvedeny, ale pouhé pokrytí prostoru dlaní aktivním materiálem by s plnou výbavou patrně vystavovalo pohybové ústrojí vojáka zátěži, na kterou není připraveno. Je tedy možno předpokládat formu s využitím výztuh, popřípadě dalších pomocných mechanických částí, usnadňujících pohyb.

Zatímco uvedené metody směřují bezprostředně k interakci osob s okolním prostředím, nelze vyloučit ani použití vnitrotělních nanotechnologií, zaměřených v prvé řadě na vlastnosti a výkon lidského organismu. Řada nanočástic, plánovaných pro distribuci léků je využitelná také pro dávkování podpůrných prostředků, zvyšujících fyzický či mentální výkon. V úvahu by přicházely různé druhy nootropik, amfetaminů, nebo naopak tlumící prostředky jako benzodiazepiny, které by mohly sloužit ke zmírňování nežádoucích podnětů, zhoršujících bojeschopnost jako vjemy bolesti, strachu, teplotní nepohody, atp. Tento postup by mohl být prostřednictvím ideálního dávkování efektivnější náhradou současných stimulantů, které jsou v armádách využívány, jako Dexedrin, Benzedrin, Modafinil či Ritalin.

Vliv nanotechnologií se rozhodně projeví u prostředků bojové přípravy a koordinace ve fázi výcviku a zvyšování kvalifikace vojenského personálu pomocí vyspělé simulace, tréninku a učení, s jejichž pomocí bude možno docílit optimální přípravy na bojové situace (ARL 2012: 67). Žádoucím stavem simulačního prostředí je jeho co nejvyšší podoba se skutečným bojištěm a věrohodné napodobení širokého spektra podnětů, se kterými se voják může setkat. Nanotechnologie, užité v těchto systémech v podobě bezdotykových a dotykových ovládacích prvků, zobrazovacích technologií a výpočetních systémů, přispějí k cvičné interakci s nepřáteli, kolegy i vojenským vybavením, tak, aby byla simulovaná situace vnímána jako reálná (tamtéž: 70-71). Předpokládané je rovněž promítnutí komunikačních a vyhodnocovacích schopností do podoby změny takticko/operačního chování jednotek, kdy bude možné vzájemně ve všech dimenzích bojových operací sdílet maximum informací, které zaznamenávají jednotlivé kusy vojákovy výbavy a různé druhy bojových platforem¹⁵. Pokroky v nanotechnologiích se tak ideálně hodí k využití u moderních postupů, jako je rojení nebo jiné druhy nelineárních bojových operací.

Případnou realizaci uvedených technologií, které spojuje důraz na lidský bojový potenciál, lze pojmout na roveň s výrazným zvýšením bezpečnosti a bojeschopnosti vojáků jako samostatných jednotek, i v rámci interakcí ve formě jejich seskupení napříč rozsáhlou paletou možných bojových prostředí a situací. Dá se očekávat, že faktory kvalitnější přípravy na bojové situace, navýšení situačního povědomí, komfortnějšího a odolnějšího vybavení, lepšího maskování, intenzifikace možností vzájemné koordinace a v případě využití speciálních systémů jako exoskeletony, také umocnění operativních možností, budou působit synergicky a v případě nasazení zaručí bezprecedentní vylepšení v požadovaných ohledech.