Нанороботы. Нанороботы внутри нас Название конструктора в котором главные герои нанороботы

Встречаются наивные люди, утверждающие, что за миллиарды лет эволюции природа так и не изобрела колесо. Если бы они уменьшились до наноуровня и совершили путешествие внутрь живой клетки, то увидели бы не только колесо, но и электродвигатели, конвейеры, сборочные линии и даже шагающих роботов.

По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины. А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.

Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.

Жгутик бактерии

Известный российский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал движение бактерий одним из самых поразительных явлений природы: «Его исследование нанесло сокрушительный удар по нашему высокомерному снобизму вроде того, что биологическая эволюция, имея в своем распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо».

Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул. Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью - 100–150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз. Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!

Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.

Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».

Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя - выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп. Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».

АТФ-синтаза

Протонная АТФ-синтаза - самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) - вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.

АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы) и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии. Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.

Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. Там протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).

Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу. Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1».

АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика.

К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ. Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.

Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии - в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.

Кинезин

Кинезин - это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов - полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.

Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» - глобулярные головки размером 7,5×4,5 нм. При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.

Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире!

Искусственные наномашины

Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.

Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок - синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания используют ротаксан - искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota - колесо и axis - ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.

Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку - мяч возвратится назад.

В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК. В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться». По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.

В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы - органеллы, находящиеся в наших клетках. Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства. Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.

Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» - отметил профессор Лей.

Хотя многие технологии могут быть в будущем использованы для оживления криопациентов, возможно, начинать ознакомление с технологиями будущего оживления криопациентов надо с чтения FAQ (часто задаваемых вопросов) по наномедицине. Ведь нанотехнологии кажутся наиболее совершенным инструментом для клеточного ремонта и понимание их развития дает наиболее полную картину будущего восстановления криопациентов к жизни. Об этом еще в 1986 году писал отец современных нанотехнологий Эрик Дрекслер в своей научно-популярной книге "Машины созидания". К тому же, это направление интенсивно развивается по всему миру.

FAQ по наномедицине:

1. Из каких химических элементов будут состоять медицинские нанороботы?

Типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота микронного (мкм, 1 мкм = 10 -6 м) размера, собранного из наночастей. Эти части по размеру будут варьироваться от 1 до 100 нм (1 нм = 10 -9 м) и должны будут совокупно составлять работоспособную машину размером около 0.5-3 мкм в диаметре. При этом, три микрона - максимальный размер для медицинских нанороботов кровотока, т.к. это минимальный размер капилляров.

Углерод будет основным элементом, составляющим основу медицинских нанороботов, возможно в форме алмаза или алмазоидных нанокомпозитов - из-за огромной прочности алмазоида и его химической инертности. Многие другие элементы, такие как водород, сера, кислород, азот, фтор, кремний и др., будут использоваться для специального применения в нанометрических редукторах и других компонентах нанороботов (наноботов).

2. Могут ли жидкости, находящиеся в человеческом теле, проникать в нанороботов?

С медицинской точки зрения имело бы смысл определить наноробота как устройство, имеющее два пространства - внутреннее и внешнее. И это правда, что внешнее пространство наноробота будет соприкасаться с внешним окружением - биохимической машиной человека. Но внутреннее пространство наноробота полностью искусственно организовано (вероятнее всего, внутри нанороботов будет вакуум), и при нормальной работе устройства в него не попадают посторонние жидкости, кроме тех, с которыми работает наноробот. Конечно, в процессе работы наноробот может пропускать внутрь себя жидкости для химического анализа или для других целей. Но важно, что это устройство будет водо- и воздухонепроницаемым. Жидкости, находящиеся в теле человека не смогут проникнуть внутрь наноробота, кроме жидкостей, специально нагнетаемых механизмом.

3. Каким будет физическое самочувствие человека, которому ввели внутрь медицинских нанороботов?

В большинстве случаев пациент, проходящий наномедицинскую обработку, выглядит точно так же, как и другой такой же больной человек. Типичная наномедицинская обработка (например, очистка от бактериальной или вирусной инфекции) будет состоять из инъекции нескольких кубических сантиметров нанороботов микронного размера, растворенных в жидкости (возможно в воде или в солевом растворе). Типичная терапевтическая доза может включать от 1 до 10 триллионов (1 триллион = 10 12) отдельных нанороботов. Естественно, что в зависимости от заболевания можно ограничиться несколькими миллионами или несколькими миллиардами механизмов. Каждый наноробот будет размерами от 0.5 мкм до 3 мкм в диаметре. Размеры зависят от вида и назначения наноробота.

Тело взрослого человека имеет объем около 100 000 см 3 и объем крови ~5400 см 3 , поэтому добавление дозы нанороботов объема ~3 см 3 практически несущественно. Нанороботы будут делать только то, что скажет врач, ничего более (таким образом исключена возможность неисправностей). Таким образом, изменится только физическое состояние пациента - он будет очень быстро поправляться. Большинство болезней типа простуды или лихорадки имеют симптомы, обусловленные биохимически. Их можно будет устранить, вводя дозу соответствующих нанороботов. Восстановление нормального состояния кожи при высыпаниях на ней или ее повреждение (как это случается при кори), будет происходить медленнее, так как в этом случае необходимо будет полностью восстановить кожный покров.

4. Как будет выглядеть типичный наноробот?

Невозможно сказать сейчас, как будет выглядеть универсальный наноробот. Нанороботы, предназначенные для путешествий внутри человеческого кровотока, возможно, будут иметь размер 500-3000 нм. Нанороботы, находящиеся в тканях, могут быть размерами от 50 до 100 мкм. А наноустройства, функционирующие в бронхах, могут быть еще больше. Каждый тип медицинского наноробота будет разработан под необходимые условия, и, поэтому, возможны разные их размеры и формы. Ни один наноробот еще не сконструирован, наконец. Многие, теоретически правильные на бумаге разработки нанороботов, в будущем будут уточняться после соответствующих исследований.

5. Можете ли вы дать пример простого медицинского наноробота?

Очень простой наноробот, которого я (Роберт Фрайтас, прим. перев.) разработал несколько лет назад - искусственная красная кровеносная клетка, названная "респироцитом". Размер респироцита - 1 микрон в диаметре и он просто протекает в кровотоке. Это сферический наноробот, изготовленный из 18миллиардов атомов. Эти атомы, в основном, - углерод, с кристаллической решеткой алмаза, образующие сферическую оболочку механизма.

Респироцит, по сути дела, - гидропневмоаккамулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 биллионов молекул кислорода (O 2) и молекул диоксида углерода (CO 2). Позже, эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер. (Респироциты могут быть изготовлены невоспламеняющимися благодаря оболочке из сапфира, негорючего и материала со свойствами, близкими к алмазоиду).

Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29160 молекулярными сортирующими роторами ("Nanosystems", стр. 374), которые могут нагнетать и выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, парциальное давление O 2 выше, чем CO 2 , поэтому бортовой компьютер говорит сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO 2 . Когда устройство определит свое местоположение в тканях, бедных кислородом, произойдет обратная процедура: так как парциальное давление CO 2 относительно высокое, а парциальное давление O 2 низкое, то роторы будут нагнетать CO 2 , выпуская O 2 .

Респироциты подражают естественным функциям эритроцитов, наполненных гемоглобином. Но респироцит может переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Этот наноробот намного более эффективен естественного, благодаря исключительной прочности алмазоида, позволяющего поддерживать внутри устройства высокое давление. Рабочее давление красной кровяной клетки - 0.51 атм, при этом только 0.13 атм доставляется тканям. Таким образом, инъекция 5 см 3 дозы 50% раствора респироцитов в кровоток сможет заменить несущую способность 5400 см 3 крови пациента (то есть ее всю)!

Респироциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменить их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться. Позже, врач может дать команду о включении. Что будет, если добавить 1 литр респироцитов в ваш кровоток (это максимально безопасная доза)? Вы теперь можете задерживать дыхание на 4 часа, спокойно находясь при этом под водой. Или, если вы спринтер, и бежите на предельной скорости, то можете задержать дыхание на 15 минут до следующего вдоха!

Описанное "простое" устройство имеет очень полезные возможности, даже при его использовании в малых дозах. Другие, более сложные устройства, будут иметь больший набор возможностей. Некоторые устройства должны быть мобильными и способными плавать в крови, либо переползать внутри тканей. Естественно, что они будут иметь различные цвета, формы, в зависимости от выполняемых ими функций. Они будут иметь различные виды манипуляторов роботов, различные наборы сенсоров и т.д. Каждый медицинский наноробот будет спроектирован на определенный тип работы, и будет иметь уникальную форму и поведение.

6. Могут ли "устаревшие нанороботы", содержащиеся в человеческом теле, создавать проблемы, если они в конечном счете откажут?

После наномедицинской обработки, нанодоктора 21 столетия захотят удалить терапевтических нанороботов из тела пациента тогда, когда механизмы завершат свою работу. Поэтому опасность того, что "устаревшие нанороботы", оставшиеся в теле пациента, будут работать неверно, очень мала.

Также нанороботы будут спроектированы с высоким уровнем статической неопределимости для того, чтобы избежать сбоев в работе устройства, и устранить тем самым медицинский риск.

7. Как нанороботы будут удалены из тела?

Некоторые наноустройства способны к самоудалению из организма путем естественных человеческих экскреторных каналов. Другие будут спроектированы таким образом, чтобы позволить их удаление медицинским персоналом, используя выводяще-подобные процессы (обычно называемые нановыводом или наноаперезисом) или активные фагоцитозные системы. Это зависит от устройства данного наноробота. Для респироцитов, ранее рассмотренных, процедура выведения их из тела пациента проста:

"Как только терапевтическое применение закончено, было бы желательно вывести искусственные устройства из кровотока. Бортовой резервуар с балластом (водой) полезен при отделении искусственных клеток от крови. Кровь, нуждающаяся в очистке поступает в специально сконструированную центрифугу, где респироцитам дают команду ультразвуком очистить их балластные резервуары от воды и, таким образом, установить нулевую плавучесть. Ни один твердый компонент крови не обладает нулевой плавучестью, поэтому остальные компоненты будут отделены от респироцитов с помощью аккуратного центрифугирования. После этого, плазма, содержащая респироциты, пропускается через фильтр с зернистостью 1 мкм, отделяя респироциты от плазмы. Отфильтрованная плазма смешивается с твердыми телами, полученными в течении центрифугирования и кровь неповрежденной возвращается к пациенту. Скорость отделения респироцитов может варьироваться с помощью команд, изменяя плотность респироцита заполнением балластного резервуара. Так можно добиться у респироцитов 66% плотности плазмы крови, или, командой от врача, выпустить 5 микронный пузырек кислорода, присоединяясь к нему благодаря силе поверхностного натяжения, всплывать с постоянным ускорением наверх." (Роберт А. Фрайтас, "Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell.")

8. Будут ли нанороботы, находящиеся внутри человеческого тела, атакованы иммунной системой?

Иммунная система, в основном, реагирует на "чужеродные" поверхности. Размер наноробота также играет важную роль при этом, так же как и мобильность устройства, шероховатость поверхности и ее подвижность. Вообще же, проблема биосовместимости, в принципе, не сложнее проблемы совместимости биоимплантантов. В некоторых случаях эта проблема оказывается проще, чем ее привыкли представлять, так как многие типы медицинских нанороботов будут временно находиться в человеческом теле. Даже на сегодняшний день, применение иммунноподавляющих агентов на период наномедицинского лечения, помогут иммунно незащищенным роботам находиться в теле человека и выполнять там свою работу без проблем.

Конечно, идеальный выход из данной проблемы - конструирование роботов из алмазоидных материалов. Ряд проделанных экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие ("организованное", т.е. нанесенное атом-за-атомом, с нанометровой гладкостью), будет иметь очень низкую биологическую активность. Благодаря очень высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной ее гидрофобности, внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна.

Однако, даже организованные поверхности не будут обеспечивать достаточной биоинактивности, и только активное управление поверхностью робота может обеспечить полную биосовместимость всего устройства.

9. Как быстро нанороботы смогут реплицироваться внутри человеческого тела?

Это очень распространенная ошибка. Медицинские нанороботы не нуждаются в репликации вообще. В действительности FDA, или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации in vivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем.

Репликация - основная возможность претворения в жизнь молекулярного производства (молекулярной нанотехнологии). Но, несмотря на наиболее необходимые применения самореплицирующихся систем, просто нет смысла рисковать, изготавливая "жизнеспособные" нанороботы внутри организма, в то время как "нежизнеспособные" нанороботы могут изготовляться очень быстро и дешево вне человеческого тела, не причиняя ему опасности. Репликаторы будут всегда под строжайшим контролем со стороны правительств всего мира.

10. Могут ли медицинские нанороботы обладать искусственным интеллектом, похожим на человеческий?

Это другая широко распространенная ошибка. Многие медицинские нанороботы будут иметь очень простые бортовые компьютеры. Респироциты, например, будут иметь нанокомпьютер, выполняющий всего 1000 операций в секунду, что намного меньше вычислительной мощности компьютера Apple II.

Большинство нанороботов, исправляющих клетки, не нуждаются в компьютерах с производительностью более ~10 6 -10 9 операций в секунду для исполнения своей работы. Это на 4-7 порядков меньше вычислительной мощности человеческого мозга, составляющей ~10 13 операций в секунду. Большей скорости вычислений для нанороботов не требуется.

11. От каких источников энергии будут работать нанороботы?

Одним из ранних предположений Эрика Дрекслера в "Двигателях создания" было использовать локальные запасы глюкозы и аминокислот в теле человека (in vivo). Таким образом, наноустройство сможет при помощи механохимических реакций получать энергию из метаболиза О 2 и глюкозы. Другая возможность - получение акустической энергии извне, что наиболее удобно при клиническом применении. В главе 6 "Nanomedicine: Basic Capabilities" описана дюжина других источников энергии, потенциально доступных в человеческом теле.

12. Как можно будет связаться с этими машинами, когда они завершат свою работу?

Для этого существует много способов. Простейший путь состоит в распространении тестовых акустических сигналов внутри тела, которые нанороботы in vivo будут принимать. Устройство, похожее на ультразвуковой датчик будет раскодировать акустические сигналы с частотой порядка 1-10 МГц. Таким образом, врач, проводящий лечение, может легко посылать новые команды нанороботу, находящемуся в теле человека. Каждый наноробот имеет автономный источник энергии, компьютер, набор сенсоров, и, поэтому может принимать акустические сигналы, декодировать их и посылать соответствующий ответ.

Существует еще вторая половина процесса передачи данных - от нанороботов врачу. Эти данные также можно передавать акустически. Однако, возможности бортовой силовой установки робота ограничивают радиус передачи акустических сигналов до нескольких сот микрон для каждого наноробота. Поэтому необходимо будет создать внутреннюю сеть, собирающую локальные данные, и, затем, пересылающую их к центральному "пункту связи", где лечащий врач сможет их принять с помощью высокочувствительных ультразвуковых сенсоров. Подобная сеть, состоящая примерно из 100 биллионов мобильных узлов (рассеивающих 60 Вт тепла, в то время как нормальное рассеивание энергии человеческого тела - 100 Вт) внутри тела пациента может быть установлена в течение часа.

Кроме вышеназванного способа, существует ряд других, более сложных методов обмена сообщениями.

13. Если медицинские нанороботы будут введены в тело внутривенно, как можно будет проследить их расположение?

Как только навигационная сеть внедряется в тело пациента, она образует навигационную систему со многими станциями позиционного управления нанороботами.

Месторасположение нанороботов in vivo будет передаваться через коммуникационную сеть. Так как обычная терапевтическая доза нанороботов составляет биллионы или триллионы устройств, то неважно получать данные о месторасположении каждого робота. Передача данных о индивидуальном расположении нанороботов возможно лишь при их дозе менее миллиона.

14. Какими видами детектирующих систем нанороботы будут отличать различные типы клеток?

Каждый тип клеточной поверхности имеет уникальный набор антигенов. Некоторые поверхностные антигены отображают статус клетки (здорова/больна и т.д.), тип органа, и даже индивидуальность организма (что-то наподобие биохимического номера "социальной защиты", присущей каждому организму).

Поэтому короткий ответ на этот вопрос таков: необходимо использовать хемотактические сенсоры (схожие с сенсорами в химической силовой микроскопии), имеющие конфигурацию связывающей поверхности тех антигенов, которыми обладает искомая клетка. Знание о структуре этих антигенов будет получено при обработке результатов Проекта Человеческого Генома в начале 21 веке.

15. Как будут химические агенты (например лекарства против рака) транспортироваться и доставляться к определенной клетке?

Как только определена группа клеток, нуждающихся в доставке лекарства, наноустройства просто доставляет лечащий агент в клетку из бортовых хранилищ. Инъекция 1 см 3 1-микронных наноустройств содержит в себе как минимум 0.5 см 3 лечащего агента. Практически все эти биллионы нанороботов достаточно "умны" для того, чтобы доставить 100% своего багажа внутрь клетки, поэтому эффективность их применения составит 100%. Сенсоры на борту устройств обеспечат надежный контроль за передозировкой клеток лекарством.

Однако, этот вопрос - яркий пример "анахронизма" в наномедицине. Развитая нанотехнология сможет в будущем обеспечить другой путь, менее деструктивный для достижения той же цели. Например, доставка цитотоксина в тканевые клетки необязательно при удалении карциноматоза на клеточном и генетическом уровне.

16. Возможно ли увидеть in vivo наноробота, используя радиоизотопный метод, или необходимо рассматривать их непосредственно в тканях?

Да, наноустройства могут наблюдаться внутри тела при помощи MRI, особенно если их алмазоидные компоненты будут изготовлены из атомов 13C, а не обычных 12C. Изотоп углерода, 13C имеет ненулевой магнитный момент. Но в эре наномедицины изотопный подход будет, опять-таки, анахронизмом. Объясним, почему.

Применяя классический медицинский метод к нанолечению, медицинские нанороботы должны быть сперва инъектированы в тело пациента (или орган) для начала работы. Врачи хотели бы наблюдать прогресс лечения, и быть уверенными, что наноустройства действительно взаимодействуют с искомыми клетками и попадают в район заболевания. Поэтому первым инстинктивным желанием врачей будет желание видеть нанороботы в теле за работой. Говоря по-другому, врачи хотели бы сканировать участки тела, и увидеть наноустройства, находящиеся возле цели их применения (в органах, тканях и т.п.).

Однако, технологии, изготовляющие наноустройства с молекулярной точностью, могут позволить разработать и встроить внутрь нанороботов механизмы для коммуникации и навигации. Также будут разработаны коммуникационные сети внутри тела пациента. Терапевтические наноустройства, запрограммированы на специальные поверхностные антигены клеток искомой ткани. Это дополнительный инструмент, помогающий нанороботу работать внутри заданной области с необходимой точностью (около миллиметра или точнее).

Поэтому корректная модель медицинского вмешательства в наноэпоху будет выглядеть следующим образом: нанороботы, введенные в человеческое тело будут абсолютно инактивны за пределами области медицинского вмешательства. Даже внутри искомой области нанороботы пребывают неактивными до тех пор, пока их сенсоры не будут хемотактически активированы индивидуальной последовательностью белков, характерной для клеток, подлежащих лечению. Нанороботы будут также разработаны таким образом, чтобы активироваться только по акустическому сигналу извне (например, от врача, который, наметив пораженную область выделяет область активирования на пространственной координатной сетке, совмещенной с телом пациента), и только затем производить сенсоринг клеточных белков. Врач целиком контролирует местопребывание и статус нанороботов в течение всего лечения. Сигналы на остановку нанороботов могут быть поданы в любое время.
Также важно, что при этом нанороботы смогут обмениваться данными о своем местоположении, количественном характере заболевания и о процессе лечения. Диапазон передачи сигналов отдельного наноробота ограничен, но и эти технические трудности преодолимы. В этой модели лечения врач получает данные от активных нанороботов. Они сообщают врачу, сколько раковых клеток в их окружении; где находятся механизмы, и т.д. У бортовых компьютеров наномашин будут системы предотвращения сбоев (подобно пяти независимым бортовым компьютерам в космическом шаттле), устройства блокировки робота при сбоях и системы полной остановки при выводе роботов из тела.

Поэтому, при лечении таким способом, совершенно неважно полностью представлять наноустройства непосредственно, так как обратная связь от нанороботов облегчит их контроль и визуализацию.

17. Можно ли использовать тканевую биопсию и последующую электронную микроскопию для отображения процесса работы роботов при лечении заболевания?

Да, можно использовать методы биопсии для обнаружения нанороботов в тканях пациента, используя электронную микроскопию. Однако, в нормальных условиях, медицинские нанороботы будут работать без сбоев, так что биопсия станет ненужной. Наноустройства, разработанные с использованием протоколов, исключающих некорректную работу и имеющие ряд механических устройств, повышающих надежность работы устройства, практически не будут работать некорректно.

В обычной биопсии первичный интерес представляет исследуемая ткань (не наноустройства, а именно состояние самой ткани). Но наноустройства могут быть использованы для быстрого тестирования ткани, исследования ее биохимии, биомеханики и гистометрических характеристик ("гисто" - ткань) с большой точностью и подробностями. Вообще, в эру профессиональной наномедицины, будет важно производить ряд тестов in situ (по месту, на отдельном препарате, без организма), прежде чем начинать лечение. Это облегчит последующую наномедицинскую процедуру и сделает ее более комфортабельной для пациента.

18. Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами человека?

Некомпетентность или халатность лечащего персонала - вот первостепенная опасность для пациента. Однако, как и сейчас, так и в эре нанотехнологий, такие случаи должны быть нечасты.

Ошибка может происходить в неожиданных случаях. Биосовместимость человека с нанороботами хорошо изучена и не представит проблемы. Несколько взаимозаменяемых бортовых компьютеров робота разрешат проблему перепрограммирования, адаптации, сбоев даже после того, как он начнет свою работу внутри ткани. В заданиях с высокой степенью риска будут введены в действие усложненные протоколы работы роботов, исключающие неправильную работу совокупности наномеханизмов.

Поэтому наиболее серьезные проблемы могут появляться при совместной работе триллиона механизмов в ограниченном пространстве и за очень короткий промежуток времени. Одним из непредвиденных сбоев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. Такие неисправности трудно определить в настоящее время, и, по всей видимости, они будут проверены при тестировании уже готовых роботов.

Простым примером подобной неисправности будет взаимная работа двух типов нанороботов в одной ткани. Если наноробот типа А запрограммирован восстанавливать последствия работы наноробота В, то, ткань, содержащая их обоих, подвергнется сначала воздействию наноробота В, а, затем, наноробот А удалит все результаты вмешательства наноробота В, что в свою очередь приведет к повторной работе наноробота В и так далее до бесконечности. То есть нанороботы будут "исправлять" работу друг друга.

Но даже в подобной ситуации контроль над роботами сохраняется. Лечащий врач, наблюдая процесс лечения, либо отключит один тип наноробота, либо перепрограммирует оба (пока они все еще внутри тела), чтобы их работа не вызывала деформацию тканей. Врач должен все время держать "руку на пульсе", чтобы избежать подобных ситуаций. Вмешательство лечащего врача - основной регуляционный элемент в неожиданных неисправностях и проблемах, поэтому квалификация лечащего персонала играет первостепенную роль.

19. Какая была бы наибольшая выгода для человечества, в использовании наномедицины?

Наномедицина исключит почти все широко распространенные заболевания двадцатого столетия, боль; увеличит срок жизни человека и расширит наши умственные возможности.

Устройство для хранения данных нанометрических размеров, способное хранить информацию, эквивалентную информации Библиотеки Конгресса, займет всего ~8 000 микрон 3 , что составляет объем клетки печени и меньше объема, занимаемого нейроном - нервной клеткой. Если имплантировать подобные устройства в человеческий мозг вместе с устройствами, обеспечивающими к ним доступ, то объем информации, способной храниться в человеческой памяти, неизмеримо вырастет.

Простой нанокомпьютер, выполняющий 10 терафлоп операций в секунду (10 терафлоп - 10 13 операций с числами с плавающей запятой) детально описанный Дрекслером, также занимает объем средней человеческой клетки. Этот компьютер эквивалентен (со многими упрощениями) счетной способности человеческого мозга. Он рассеивает в окружающую среду около 0.001 ватт тепла. Человеческий мозг при таком же количестве операций в секунду, рассеивает 25 ватт тепла. Если имплантировать в человеческий мозг несколько таких устройств, можно в несколько раз ускорить процессы человеческого мышления.

Но, возможно, основной пользой для человечества будет эра мира, наступившая благодаря развитию нанотехнологий. Мы надеемся, что умные, образованные, здоровые, ни в чем не нуждающиеся люди, имеющие хорошие дома, не захотят воевать друг с другом. Люди, могущие прожить жизнь гораздо полнее и дольше, чем сейчас, не захотят подвергать свое существование угрозе.

– рукотворные создания размером с молекулу, которые призваны выполнять важнейшие задачи в различных сферах жизни, от науки до медицины, от военных технологий до исследований космоса. Раньше нанотехнологии существовали только в фантастической литературе и кино, но в последние годы ведущие научные центры всех развитых государств мира уделяют этой теме первостепенное значение. Разработка полноценной технологии нанороботов коренным образом изменит мировую науку и приблизит нас к тому феерическому будущему, которого так ждали фантасты.

является давнее стремление человечества приспособить в работу даже самые мельчайшие частицы материи – атомы. Желание подчинить себе природу до последней капли привело в итоге к манипуляциям с отдельными атомами, которые вот уже двадцать лет. Многие современные материалы, ранее не существовавшие в природе, создавались именно так, из атомов различных элементов в химических лабораториях. Размер одного атома составляет не больше десятой доли нанометра, отсюда и название «нанотехнологии» .

Супер наука. Нанотехнологии. Южная Корея

История нанотехнологий

Первым шагом к созданию нанороботов стало изобретение электронного микроскопа, способного перемещать по электромагнитным полям отдельные атомы . Протестировали революционную технологию еще в восьмидесятые годы прошлого века, собрав из атомов углерода пару вращающихся шестеренок размеров в нанометр. Увидев, что зачатки нанотехнологий вполне жизнеспособны, ученые через несколько лет смогли создать и первый нанодвигатель, работающий на электрической тяге. В дальнейшем они надеются переработать микроскопический мотор в манипулятор, который сам будет переставлять местами атомы, облегчая работу в лабораториях. Таким образом, нанороботы смогут дать человечеству огромные перспективы изменения внутренней молекулярной структуры любой материи – и, фактически, власть над природой.

Нанотехнологии дают нам возможность создать уникальные материалы без лишних примесей, которые можно беспрепятственно применять в любом производстве – например, идеальные сверхтвердые алмазы из атомов углерода. При широком применении нанороботов больше не нужно будет строить огромные заводы: армия маленьких работников соберет из атомов любой продукт.

Нанотехнологии. Невидимая революция

Нанороботы в медицине

Наиболее полезной областью для применения нанороботов сегодня считается медицина . Медики планируют использовать эту технологию для экстренной доставки лекарств и полезных веществ прямо в клетки, а также для уничтожения инфекций и раковых клеток. нанороботы могут проникать внутрь тканей организма и уничтожать любую болезнь мгновенно, даже без применения специальных препаратов. Это позволит бороться и с генетическими нарушениями, ведь на уровне молекул и атомов можно исправить любые ошибки природы.

Другие медицинские нанороботы конструируются для точной диагностики заболеваний, сбора данных о человеческом организме. С началом активного применения этой технологии медицина будет развиваться ускоренными темпами, ведь это шанс заглянуть внутрь работающей клетки, изучить здоровые и поврежденные опухолями ткани, в конце концов, докопаться до ранее недоступных секретов нашего тела .

Сейчас в наномедицине приоритетными являются такие направления:

1. Доставка лекарств напрямую в или систему на клеточном уровне .
2. или же его ослабление для борьбы с аллергическими реакциями .
3. Хирургия с микроскопическими разрезами, позволяющая ускорить период заживления постоперационных швов .
4. Диагностика и лечение онкологических заболеваний .
5. Безопасное распространение в организме компонентов вакцины .

Эти методы уже проверены на лабораторных животных, сейчас готовятся испытания на людях, которые навсегда изменят мировую медицину, если будут удачными. Возьмем, к примеру, нанороботов, которые доставляют лекарства в клетки. Благодаря им во много раз уменьшится не только расход лекарственного препарата, но и количество побочных эффектов от сильнодействующих лекарств, ведь они не будут затрагивать и системы, кроме непосредственно пораженных заболеванием. Лекарство будет доставляться через ее цитоплазму. Так же упростится и вакцинация, более того – непредсказуемые антитела можно будет сразу заменить нанороботами, которые будут бороться с любыми инфекциями, попадающими в организм извне.

На сегодняшний день уже реально зафиксировано использование нанотехнологий в медицине – в первую очередь, для борьбы с раком. Наночастицы, названные липосомами, доставляют химиотерапевтические вещества внутрь раковых опухолей. В первую очередь этот метод применяется для лечения ВИЧ саркомы Капоси, миелом и рака яичников.

Нанотехнологии для жизни

Нанороботы в третьей мировой войне

Человечество бы не было собой, если бы не нашло способа применить любые высокие технологии в военном деле. Нанороботы пока не используются в качестве оружия, но разработки в этой области ведутся чуть ли не так же активно, как в области медицины. Многие футурологи прогнозируют, что в будущем войны будут вестись вообще без участия живых солдат, а, например, между армиями нанороботов. Так, американский ученый российского происхождения Алекс Кушлеев уже тестирует несколько отрядов летающих нанороботов, способных координировать действия друг с другом и создавать сложные конструкции в воздухе. Более сотни таких маленьких беспилотников могут быть действительно грозным оружием, если их обеспечить достаточной огневой мощью.

По мнению Эдварда Теллера , изобретателя водородной бомбы, именно нанотехнологии станут решающим фактором в третьей мировой войне, если таковая случится. Тот, кто первым подчинит себе боевых наноботов, сможет завоевать мир. Кроме того, нанотехнологии могут стать причиной начала этой войны, если мировые лидеры начнут пытаться похитить друг у друга передовые разработки. Поскольку нанороботы способны к самовосстановлению и конструированию себе подобных из простейших атомов, эта война действительно может стать бесконечной и необычайно разрушительной. Даже в том случае, если сражения все еще будут вестись с участием человека, наноботов используют для доставки и ядов прямо в организм вражеских солдат.

Нанороботы являются одним из краеугольных камней современного фантастического кино и литературы

Создатели фильмов и сериалов видят будущее применение нанитов в пластической хирургии (один из героев фантастического детектива «Почти человек» похищал черты чужих лиц с помощью нанороботов и изменял свое ДНК, чтобы стать более привлекательным), или вообще делают их отдельной расой, отрицательно настроенной по отношению к людям (как в сериале «Звездные врата» и фильме «День, когда Земля остановилась»). Так или иначе, развитие нанотехнологий навсегда изменит нашу жизнь. И только от нас самих зависит, насколько разрушительными будут эти изменения.

На протяжении долгого времени в научной фантастике говорилось о том, что в будущем для решения разных проблем будут использоваться крошечные роботы наниты. Наниты будут способны бороться с вирусными инфекциями, служить курьерами, доставляющими лекарства, помогать врачам проводить соответствующие операции и т. д. Некоторое время назад было объявлено о том, что прототип подобных нанитов уже был представлен шведскими учеными, но этот прототип был несовершенным, им невозможно было управлять.

Наноро́боты, или нанобо́ты - роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.

Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.

Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит» и «наноген», однако, технически правильным термином в контексте серьёзных инженерных исследований все равно остается первый вариант.

Более интересную и работающую версию нанитов создали ученые из Калифорнийского университета. Результатом их исследований стали микроскопические роботы, способные доставлять лекарства внутри организма, не вызывая при этом болевых ощущений или побочных эффектов.

Созданные роботы перенесли на себе частицы лекарственных препаратов, используя в качестве топлива пузырьки газа. Газ, кстати, является продуктом жизнедеятельности живого существа, он образуется внутри желудка. В качестве первого испытателя выступила лабораторная мышь, при этом она не испытывала какие-либо неудобства и осталась цела.

Ученые говорят о том, что такой результат говорит о большом прогрессе в отрасли, ведь созданные ими роботы смогли двигаться в организме со скоростью 60 микрометров в секунду. Для того чтобы доставить лекарство до пункта назначения (а в этом эксперименте им нужно было добраться до оболочки желудка), пришлось затратить некоторое время, при этом роботы оставались в желудке примерно двенадцать часов, это позволило им точечно впрыснуть лекарство и добиться предельной эффективности его действия.

После того, как наниты побывали в теле мыши, было произведено вскрытие, которое показало, что роботы абсолютно безопасно прошли весь путь и не нанесли повреждения тканям. При этом уровень токсического заражения остался в пределах нормы. Это говорит о том, что ученые добились своей цели и получили роботов, которые будут использоваться в будущем для повышения эффективности от лечения.

Сейчас ученые думают над тем, как увеличить скорость передвижения, а также об альтернативном топливе, так как использование газа может негативно сказаться на состоянии человека.

Нанороботы - это роботы, размер которых сопоставим с размером молекулы. Они обладают функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ, а также в некоторых случаях возможностью самовоспроизведения.

Впервые открыто о создании нанороботов заговорил американский ученый Ким Эрик Дрекслер, которого называют "отцом нанотехнологий". Идею создания нанороботов ученый рассмотрел в своей книге "Машины создания". Здесь же он представил гипотетический сценарий оживления крионированных людей. Это первый теоретик создания молекулярных нанороботов и концепции "серой слизи". Дрекслер участвовал в исследованиях NASA на тему космических поселений в 1975 и 1976 годах. Он разрабатывал на основе нанотехнологий высокоэффективные солнечные батареи, а также активно участвовал в космической политике.

В 2010 году были впервые продемонстрированы нанороботы на основе ДНК, способные перемещаться в пространстве. А до этого время постоянно велись секретные исследования в этой отрасли.

Для чего же создаются нанороботы? По официальным данным, они могут оказать неоценимую помощь в медицине. Планируется, что эти микроскопические роботы будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи и ряд других задач на наноуровне.

Утверждается, что до сего момента нанороботы не были испытаны на людях, однако на протяжении последних 10-20 лет появляются факты о том, что нанороботы уже находятся в организме многих людей по всему миру, они выходят прямо из кожи человека, разрушают внутренние клетки человека, нарушают работу всех систем организма.

Несколько добровольных исследователей в этой области, сравнили фотографии некоторых нанороботов, представленных в научных изданиях, и многократно увеличенные фотографии с нанороботами, извлеченными из тел людей. Фотографии представлены ниже.

Общий фон - фото наноробота, извлеченного из тела американца, который уже 13 лет наблюдает за тем, как его тело постепенно разрушается непонятными явно нерукотворными созданиями. Справа - фото наноробота из научного журнала "Advanced Materials".

Вопрос: откуда взялись в теле человека нанороботы идентичные тем, что были представлены в научном журнале?

А самое страшное это то, что таких пациентов по всему миру становится все больше. Объяснения этому никто не дает. Исследования не ведутся. Ученые и медики, которые пытаются заняться исследованиями, погибают при таинственных обстоятельствах. Единственно, что удалось узнать некоторым медикам, при анализе этих нанороботов, найденных в телах людей, это то, что они состоят преимущественно из силикона и притягивают к себе множество других патогенных микроорганизмов.

Человечеству все еще нужны нанороботы? Для чего они созданы на самом деле - знают только посвященные.

Хотите наслаждаться всеми возможностями вашего смартфона на вашем телевизоре? Для этого вам достаточно купить андроид тв приставку . Большой выбор приставок представлен на сайте https://androidmag.org/ . Цены вас порадуют.