Для чего нужны нанороботы
Как и зачем ученые создают нанороботов?
Нанороботы ― это слово часто можно услышать или прочитать в новостях науки. Их называют одними из самых перспективных инструментов для лечения тяжелых болезней. Но что это такое? ITMO.NEWS объясняет вместе с лауреатом программы ITMO Fellowship & Professorship Дианой Маркозашвили.
Иллюстрация: Дмитрий Лисовский, ITMO.NEWS
По пунктам:
Сейчас много говорят о нанороботах, а что это такое?
Чаще всего под нанороботами подразумевают структуры с программируемым поведением, которые могут точно взаимодействовать и манипулировать другими объектами. И всё это ― на уровне наноразмеров, то есть на атомном и молекулярном уровне. Размеры таких роботов могут варьировать от одной десятой нанометра до ста нанометров, в зависимости от их конечного устройства.
А микросхемы и манипуляторы у них есть?
В привычном нам понимании микросхем из полупроводников и манипуляторов, отлитых из металла, у них нет. Они состоят из молекул и атомов, причем их устройство может быть совершенно разным. Такие конструкции могут быть сделаны из органических соединений (белки, нуклеиновые кислоты), неорганических (соединения кремния, углерода, ферроматериалов) и их сочетаний.
Почему их тогда называют роботами?
Здесь следует внести уточнение: следует отличать наномашины от нанороботов. Отличие заключается в том, что, помимо сенсорной и двигательной части, робот должен иметь процессор как отдельную функциональную единицу. Иначе ― это машина. И следуя данной классификации, нанороботов пока еще не создали, хотя подвижки в эту сторону есть.
А что тогда такое наномашины?
Наномашины состоят из молекул и атомов, которые и являются аналогами моторов, манипуляторов и движущихся частей роботов из макромира. Например, наномашина, созданная самой природой ― жгутик бактерии: это настоящий автомат с микроскопическим «электродвигателем» и «ротором», приводящими жгутик во вращательное движение. Другой пример ― искусственно созданный биоинженерами из Америки шагающий молекулярный робот: он может ходить по ДНК и слушать команды «идти», «повернуть», «остановиться». То есть наномашины можно запрограммировать на определенное поведение. Например, в группе «Молекулярная робототехника и биосенсорные материалы» лаборатории SCAMT ученые делают наномашины из молекул ДНК. Их поведение программируется не машинным, а генетическим кодом.
Как можно запрограммировать наноробота или наномашину, если они состоят всего из нескольких молекул? И вообще как их делают?
Возьмем для примера наномашины на основе ДНК, которыми занимаются ученые SCAMT. Зная генетический код, они подбирают определенную нуклеотидную последовательность цепей и синтезируют короткие ДНК-цепочки. По законам образования химических связей и правилу комплементарности эти ДНК цепочки собираются в определенную структуру, которая может узнавать и связывать другие молекулы ДНК или РНК и разрезать их. То есть их проектируют так, чтобы они связывали именно нужные молекулы, а другие не трогали.
Говорят, с их помощью мы сможем лечить очень тяжелые болезни. Как именно?
Можно нацелить такую наномашину против патогена, вызвавшего болезнь. Или, если речь идет об эндогенных болезнях, которые возникают в организме без участия внешних патогенов, например, рак, то тут можно применять иной подход. У каждой болезни есть свой набор молекулярных маркеров, по которым ее можно распознать. И есть свои сломанные процессы: их можно починить или исправить. Если это невозможно, можно просто уничтожить сломанную клетку. Ученые придумали ДНК наномашин, которые одной своей частью распознают, что клетка больна, а другой бьют по жизненно важному внутриклеточному пути, в итоге уничтожая клетку. Таким образом, можно селективно избавляться от больных клеток, не трогая здоровые.
Если они такие эффективные, то почему их еще нет в каждой больнице?
Путь от идеи до финальной реализации, тем более на людях, крайне долгий. Во-первых, нужно отработать систему, убедиться, что она безукоризненно работает и уровень токсичности и побочных эффектов не критичен. Сначала новые разработки тестируют в пробирке ― in situ. Потом в клетках, которые живут в искусственных условиях ― это называется in vitro. Потом на модельных живых организмах, например, мышах ― это in vivo эксперименты. Все это является доклиническими исследованиями. Если все идет хорошо, то переходят к следующих этапам ― клиническим испытаниям на людях, тех, кто добровольно согласился испытать на себе новый препарат. В клинических испытаниях есть тоже несколько фаз. И только после успешного завершения всех исследований новый препарат может выйти в производство на рынок.
А скоро наномашины станут общепринятым методом диагностики и лечения?
Современная тенденция в мире изобретений ― это уменьшение размера и повышение эффективности. Поэтому и бионанотехнологии, объединяющие в себе инженерию и биохимию, завоевывают все большую популярность. Ведь одна наномашина сочетает в себе различный функционал, которым можно управлять, к тому же, ему доступны объекты на наноуровне, а это открывает новые возможности для диагностики и лечения заболеваний. Но в отличие от компьютерных технологий, что крайне быстро изменили нашу повседневную жизнь, у бионанотехнологий несколько более длинный путь выхода на рынок и в нашу повседневную жизнь. Но это лишь вопрос времени.
Нанороботы в нашем мозге
Идея постоянного, круглосуточного подключения человек к интернету не нова. Учёные и футурологи сходятся в том, что это станет возможным при определённом уровне развития нейроинтерфейсов. Сейчас уже удалось добиться первых скромных успехов в получении информации от мозга, но как её транслировать в него? Одним из способов могут стать крохотные нанороботы, заполнившие поверхность мозга и способные транслировать в обе стороны информацию, в том числе визуальную и слуховую.
Представьте себе мир будущего, в котором люди не отключаются от интернета. Вообще, физически на это не способны. И сделаем ещё одно допущение: вычислительные мощности сетевой инфраструктуры таковы, каждого отдельно взятого человека можно будет «поместить» в виртуальную реальность такого уровня детализации, что она будет казаться самым настоящим миром. Причём таким, в котором у вас будет доступ к сознанию, знаниям и опыту всех людей. Вот только как достичь подобного информационного единения? Возможно, с помощью миллиардов специальных нанороботов, наполняющих наш мозг.
При таком заявлении в мыслях сразу возникает картина какой-то копошащейся массы в голове. Однако здесь ключевое слово «нано». Человек не может почувствовать столь малые объекты в своём теле, нанороботы получаются размером меньше бактерий. Кстати, никого же не смущает тот факт, что наше тело населено несметным количеством всевозможных бактерий. Считается, что их количеством примерно в 10 раз превышает количество клеток во всём человеческом теле. А чем хуже роботы? С их наличием придётся просто смириться, если хочешь иметь доступ к колоссальным ресурсам сети, в том числе «гипервиртуальной» реальности. Как сегодня мы миримся с тем, что постоянно подвергаемся воздействию микроволнового излучения от домашних роутеров ради удобного Wi-Fi-доступа к сети. А большинство даже не уменьшает мощность передатчиков, хотя для квартир 100% по умолчанию более чем избыточно.
Но вернёмся к теме поста. Итак, в нашем гипотетическом будущем наличие мириад нанороботов в мозге станет необходимым условием для того, чтобы «быть онлайн». А учитывая предположение о доступе к сознанию каждого «члена сети», придётся смириться и с тем, что любой человек на планете сможет подключиться к вам и видеть, слышать, знать всё то же, что и вы. Такой жутковатый мир описан в книге Postsingular, написанной американским фантастом Руди Рюкером. Параллели с «Матрицей» более чем очевидны: если там была гигантская машина, управлявшая сознанием подключённых людей, то здесь виртуальная реальность формируется посредством индивидуальных роботизированных «облаков». Вычислительные мощности, согласно книге, обеспечиваются планетарной сетью из квантовых компьютеров Orphid.
Многие спросят, к чему обсуждать столь причудливую технологию из фантастической книги? Какие-то нанороботы в голове, доступ к мыслям и знаниям, всё это слишком оторвано от реальности. Но так ли это невозможно и надуманно на самом деле?
Нейроинтерфейсы разрабатываются последние лет 40, и определённых результатов достичь всё же удалось. Если предельно обобщить, то современные разработки представляют собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из наголовных датчиков, регистрирующих мозговую активность, и ПО, интерпретирующего получаемую информацию. Основные усилия разработчиков сейчас направлены на создания всевозможных нейроимплантатов, которые помогли бы парализованным, инвалидам и людям с некоторыми тяжёлыми заболеваниями. Причём речь не только об имплантатах, управляющих движением, но и о приборах, позволяющих обрести слух и зрение.
Ещё недавно бионические конечности, управляемые силой мысли, были исключительно атрибутом фантастических книг. А сегодня учёные уже активно экспериментируют с визуализацией человеческих мыслей. Особый интерес вызывает развитие нейроинтерфейсов с точки зрения применения в видеоиграх, тут от перспектив дух захватывает. В свободной продаже уже присутствуют доступные устройства, позволяющие распознать некоторые базовые эмоции человека. Они уже довольно широко применяются в маркетинге и социологических исследованиях. Возможно, в будущем подобные «эморегистраторы» позволят сразу переключать непонравившийся музыкальный трек, или подстраивать игровое окружение в зависимости от эмоциональной реакции пользователей. Сейчас игровая индустрия вообще уделяет много внимания технологиям регистрации эмоций и управления с их помощью. Собственно, реалистичная виртуальная реальность больше всего интересна именно игроделам.
Однако для создания подобной технологии необходимо сначала решить одну важнейшую проблему, которая пока никак не поддаётся. Для виртуальной реальности необходима двунаправленность нейроинтерфейса. То есть нужно не только считывать информацию из мозга, но и передавать её в него. Возвращаясь к книге Рюкера, чтобы видеть по сети то, что видит другой человек, «видеопоток» нужно транслировать в мозг минуя зрительный тракт. И вот тут могут помочь нанороботы, которые тоже интересуют современную медицину. Они видит для нанороботов целый ряд применений, в том числе целевую доставку лекарств и создание искусственной клетки крови, в несколько сотен раз более эффективной с точки зрения переноса кислорода. Если подобными роботами заменить человеку 10% красных кровяных телец, то он сможет тягаться в беге с олимпийскими чемпионами, даже не сбив дыхания. Или проводить часы под водой без дыхательного оборудования.
Нанороботы в будущем могут использоваться для техобслуживания нашей кровеносной системы, удаляя со стенок сосудов наслоения холестерина и жира. Но можно ли надеяться, что когда-нибудь мы «научим» нанороботов взаимодействовать с нейронами нашего мозга? По мнению Реймонда Курцвейла, это лишь вопрос времени. Основываясь на своём анализе темпов развития био- и нанотехнологий, Курцвейл утверждает, что к 2020 году удастся внедрить нанороботов в нервную систему человека. И это станет революционным прорывом, который откроет дорогу к созданию технологии виртуальной реальности, транслируемой прямо в мозг. А там уже рукой подать и до информационной сети, в которой можно будет обмениваться мыслями.
Нейронет: зло или благо?
Если Курцвейл окажется более-менее прав в своих предсказаниях, то в течение жизни одного поколения мы получим массовую технологию подключения к сети с помощью нейроинтерфейса, схожую с той, что описывается в книге Рюкера. Как можно оценивать пересечение этого технологического рубежа с наших сегодняшних позиций?
Экология от этого только выиграет. Причём вовсе не из-за снижения энергопотребления. Доступная сверхреалистичная виртуальная реальность станет своеобразным ментальным и эмоциональным убежищем для сотен миллионов людей. А это почти наверняка приведёт с падению потребления всего и вся. Иными словами, пошатнутся основы современной экономики, зиждущейся на постоянном увеличении продаж. А низкие продажи означают падение производства. Соответственно, человечество будет генерировать меньше мусора и потреблять меньше всевозможных ресурсов.
Те же самые нанотехнологии могут привести к прорыву и в сфере возобновляемых источников питания. Например, есть надежда на скорое появление топливных ячеек наноразмера. Вероятно, удастся и радикально повысить эффективность солнечных панелей.
Что же касается недостатков, то тут мы вступаем на скользкую дорожку ужастиков. Нельзя исключать, что с появлением всемирной нейросети учёным всё-таки удастся создать искусственный интеллект. Ведь в их распоряжении будут мозги миллионов, если не миллиардов людей. И если сегодня мысль о восстании против людей «кремниевых мозгов» выглядит маловероятной именно по причине известных нам ограничений и сложностей, то био-нано-технологии будущего могут породить ИИ с совсем другими свойствами и возможностями. И вот тут впору вспомнить опасения Стивена Хокинга, Элона Маска и Билла Гейтса, над которыми посмеивается весь мир.
Но всё же угроза злонамеренного искусственного интеллекта пока довольно эфемерна. А вот хакинг с помощью нейроинтерфейса — нет. И к этой проблеме, которая обязательно возникнет, надо будет готовиться заранее. Можно пофантазировать и представить, как из военных лабораторий могут выйти нанороботы, занимающиеся извлечением железа, цинка и меди из человеческих тел. Искусственный вирус.
Но наибольшее опасение вызывает наша собственная человеческая сущность. Привлекательность виртуальной реальности может оказаться настолько неотразимой, что мы быстро погрязнем в гедонизме. Подключившись, люди будут овощами лежать на диванах, мало двигаться, спать и питаться, не говоря уже о гигиене. Здравствуй, Матрица.
Наноробот, который может изменить Вселенную
Нанотехнологии, нанороботы — разговоры вокруг приставки «нано» не утихают уже лет 10 и, скорее всего, не утихнут никогда. Потому что нанотехнологии могут изменить мир так быстро и столь масштабно, что ты не узнаешь свою родную планету. Но мы хотим рассказать тебе именно о нанороботах. Именно в их каноничном смысле. Сейчас «каноничный» наноробот пока не изобретен, но есть неплохие шансы на то, что это однажды случится. А если нет, то мы просто предположим, что это возможно, и подумаем о том, что это нам сулит (кое-что очень крутое).
Последний пункт крайне важен. Во-первых, обладая такой способностью, наномашина сможет реплицировать себя — создать свою точную копию. Такое своеобразное размножение. Во-вторых, наноробот сможет взаимодействовать с атомами, менять их и перестраивать, создавая из одного вещества совершенно другое. И это открывает потрясающие перспективы перед человечеством. Прежде чем мы перейдем к сути, скептикам стоит услышать небольшой экскурс в будущее. Иначе всё, что мы скажем, будет восприниматься не более чем фантастикой.
Дело в том, что динамика развития технологий, в частности, инженерных, компьютерных, микробиологии и генной инженерии позволяет более-менее верно предугадать наши возможности в недалеком будущем. Но наше сознание инертно, а прогресс человечества ускоряется. Возможно, мы настолько слепы, что даже недооцениваем будущее, которое ждет нас через 5, 15, 50 лет. Уже сейчас мы практически научились побеждать рак (и другие болезни), мы выращиваем органы и печатаем высокотехнологичные протезы на 3D-принтерах, мы уже редактируем человеческий геном и можем обеспечить едой всю планету, и уже сейчас мы создаем нанодвигатели и примитивных роботов размером с молекулу (почитай статьи за неделю в любом научно-популярном новостном журнале — удивишься, сколько всего происходит). Да и вообще, у нас под носом мириады микроорганизмов — по сути, нанороботы от природы. Посмотри, например, видео ниже, где показан синтез белка, — чем не робот?
Так что мозговыносящее будущее уже не за горами. Есть даже вероятность, что ты сможешь наслаждаться им бесконечно долго — обретя бессмертие благодаря технологиям. Или нанороботам, которые эти технологии смогут использовать. Теперь расскажем о том, что нам дают нанороботы, а потом поговорим о том, как и почему это может стать достоянием всего человечества.
Нанороботы рулят
Да, именно так! Вот есть у тебя, к примеру, кучка личных нанороботов. Даешь им команду скрафтить тебе самый лучший бургер в мире — и пожалуйста! Они ведь могут просто взять грязь у тебя под ногами и переделать ее в любое другое вещество. В аппетитную булочку с вкуснейшим мясом. Или в борщ. Неважно — проблема еды на планете исчезнет моментально. Зачем нам тысячи полей и скотобоен, если каждый сможет получить «скатерть-самобранку»?
Нанороботов достаточно запустить в наш организм, чтобы они смогли добраться до любого участка тела. До любого очага болезни. Например, до раковой опухоли, чтобы уничтожить ее. Разве не круто? Но давай взглянем чуть глубже — нанороботы могут изменить наше тело. Обновить его или вообще модифицировать. Хочешь больше мускулатуры? Пожалуйста! Идеальное зрение? Да хоть третий глаз! Новое сердце? Больше мозгов? Член в 49,5 см?
Каждый с рождения сможет обучаться чему угодно. Каждый сможет быть своеобразным Эйнштейном, гением. Мы станем богоподобными существами.
Разработки Hive, Hololens и Okulus Rift, Neurolink и рядом не стоят с тем, что могут дать нам нанороботы. Подумай, ведь это идеальный, масштабируемый и бесконечно гибкий нейроинтерфейс. Виртуальная реальность может стать для нас вторым домом, ведь нанороботы смогут вводить информацию в мозг напрямую, минуя провода. Это, конечно, опасно, ведь мозги можно будет хакнуть или манипулировать людьми, но давай не будем о плохом. Весь интернет в твоей голове, доступ ко всем знаниям мира — разве это не круто? Или интерактивные фильмы, игры c твоим непосредственным участием. Целые миры, какие только можно представить. А про дополненную реальность можно и вообще не упоминать — это практически само собой разумеющаяся возможность.
Заводы и производства будут не нужны. Зато будут нужны инженеры, ученые и светлые умы. Вообще, с наступлением эпохи нанороботов человечество лишится каких-либо ограничений и наука сделает просто невообразимый рывок вперед. Нанороботы — это катализатор, который выведет человечество на другой уровень эволюции. Мы сможем создавать любые мыслимые устройства, с любыми характеристиками и возможностями.
Если говорить о более приземленных вещах, то ничто тебе не помешает запилить за несколько минут новый iPhone (хотя кому он будет нужен, но для примера пойдет) или построить красивый дом, поменять планировку или дизайн квартиры. Хотя, скорее всего, понятие недвижимости в принципе исчезнет из нашего мира — твой дом будет там, где находишься ты.
А вот работы и денег мы можем лишиться. И это еще одна из проблем. Тебе и вообще никому не нужно будет работать, чтобы обеспечить свое выживание. Деньги, как класс, тоже не будут нужны — всё, что можно купить, можно создать здесь и сейчас бесплатно. Вопрос: что будут делать люди, если у них будет всё? Наслаждаться жизнью? Творить? Заниматься наукой? Сложный вопрос, на который пока что ни у кого нет ответа. Остается лишь верить в разумность наших собратьев и просто в человечество. Ведь мы умеем находить выход из самых неприятных ситуаций.
Войны. Будут ли вестись войны? Если ресурсы станут безграничны и вседоступны, то нужно ли будет за них бороться? Про идеологические причины войн можно не рассуждать — наше сознание претерпит непрогнозируемые изменения вместе с изменением мира. Но предложить свое видение можешь в комментариях под статьей.
Нанороботы для всех
А теперь немного математики. В Brodude с ней неважно, ведь мы гуманитарии, но немного поднапрячь извилины было приятно. Да и для осознания масштабов достаточно школьной математики. Надеемся, что не ошиблись. Поехали.
Предположим, что один наноробот занимает 1000 кубических нанометров (10*10*10 нанометров). Учтем, что им нужно пространство для перемещения. Для этого можно просто увеличить «размер» наноробота в два раза. Тогда занимать он будет примерно 8*10^3 или, для простоты, 10 000 куб. нанометров.
Следовательно в одном кубометре может уместиться
(10^5)^3 = 10^15
или
1 000 000 000 000 000 штук.
Далее предположим, что процесс создания копии одним нанороботом занимает у него 1 час.
За 1 час — один робот.
За второй — 4 (ведь их уже двое).
За третий час — 8 нанороботов.
Обычная геометрическая прогрессия. Можем вывести формулу зависимости количества (count) от времени (t):
Найдем время, нужное для создания 10^15 штук.
log(2)10^15 = 40 часов
Всего лишь 40 часов, КАРЛ, чтобы заполнить 1 кубометр пространства нанороботами.
пусть 40 часов — это «X», виртуальная единица времени:
за Х — 1 м³,
за 2Х — 2 м³,
за 3Х — 4 м³.
T(X)= 2^(X-1), почти идентичная предыдущей. Объем Земли — 1.08 * 10^21. Упростим и посчитаем итоговое время:
log(2) 10^21 — 1 = 70X
70 * 40 = 2800 часов или 116 дней.
116 дней, чтобы превратить Землю в огромный шар из нанороботов (при заданных параметрах). А теперь представь, что наноробот будет тратить минуту, а не час, на создание своей копии. Тогда апокалипсис настанет через 46 часов.
Но так много нам их, конечно, не нужно. Если на человека нужен лишь кубометр, чтобы обеспечить 6 млрд людей, нужно 6 млрд м³ вещества. Это, по сути, куб со стороной 2000 метров. То есть очень мало. Сторона куба уместится в центре Краснодара. Так что каждого жителя Земли можно обеспечить личными нанороботами — это вообще не проблема.
Колонизация космоса
Идея в том, что человечеству достаточно одного наноробота. Всего лишь одного, чтобы изменить целый мир. Вопрос лишь в наличии вещества, из которого будут создаваться новые экземпляры. Родную планету пускать под это дело не очень хочется, но ведь у нас над головой бесконечное количество материи.
Мы сможем отправиться куда угодно как минимум в нашей галактике. Банально уйти в гибернацию и исследовать другие миры. Или отправить с этой целью самих нанороботов во все интересные уголки космоса. Хотя бы на Марс — чтобы терраформировать его и обустроить к нашему прибытию. Да и энергия нам будет нужна, если мы хотим продвинуться по шкале Кардашева (метод измерения технологического развития цивилизации). Нанороботы сделают нас цивилизацией I типа, дав все ресурсы планеты, а затем и II типа — построим сферу Дайсона и получим энергию Солнца.
«Врачи-нанороботы» — миф или реальность?
«Врачи-нанороботы» — миф или реальность?
Представьте то время, когда введенные в организм человека наномашины смогут вылечить смертельные заболевания или даже приблизить бессмертие. Ученые считают, что через десятилетия это будет обычным делом. А как думаете вы?
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания» американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека. Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию. То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем — совсем другой вопрос.
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Бионанотехнология» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Спонсоры публикации этой статьи — Надежда и Алексей Браже.
Около 20 000 лет тому назад человек
начал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист.
Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов. Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются. Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов [1]. Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.
Наномедицина — что это?
Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов. Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир. О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.
По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина — это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств» [2]. Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места» [3]. Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли. В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.
«Молекулярные машины»
Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию — использование «молекулярных машин». Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии». Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов — наномашин для ремонта клеток. По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики [4].
Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?
В 2016 году за разработку молекулярного двигателя Бернарду Ферринге была присуждена Нобелевская премия по химии: «Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы — названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016» [6]. — Ред.
Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями [7], [8]. Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.
Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.
1. Навигация нанороботов
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов — применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения. Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.
2. Питание нанороботов
В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. Наноробот с установленными электродами может сформировать «батарею» на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию.
Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.
3. Передвижение нанороботов
В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор [9]. Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.
Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия). В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма [10]. Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть. Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина — 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека. При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.
Прототипы нанороботов
С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.
1. ДНК-нанороботы
Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» — в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке — скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.
2. Наноробот — морской гребешок
Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2). Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги. При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины [15].
Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.
3. «Цинковые наноракеты»
Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм [16]. Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны. Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка. Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).
Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а — Механизм работы «цинкового мотора». б — Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в — Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г — Фазы движения нанороботов.
Видео 1. Движение созданного калифорнийскими учеными прототипа наноробота.
Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов. Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.
4. «Шустрые» наниты
Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде [17]. Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту. При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля. Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц. Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.
Рисунок 4. Скорость магнитных пловцов с различным количеством бусин.
Видео 2. Нанороботы-трансформеры, созданные в Университете Дрекселя, США.
По образу и подобию
Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое. Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе [18].
Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше. Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека [3].