Нанороботы — это микроскопические устройства, которые человек использует для управления отдельными атомами, молекулами. Ученые уже научили таких ботов находить раковые клетки и уничтожать их, бороться с кариесом, доставлять лекарства, распространять кислород по телу, очищать воду от зловредных бактерий и микропластика. В перспективе нанотехнологии позволят создавать совершенные материалы, составлять цепочки ДНК и клонировать их, проводить точнейшие хирургические операции на труднодоступных органах — головном мозге и сердце. Игорь Безукладников, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ, поделился интересными фактами о нанороботах, объяснил, как они устроены, каким образом могут передвигаться по организму человека и представляют ли опасность для здоровья.
Наноробот / © Сгенерировано нейросетью Kandinsky, пресс-служба ПНИПУ
Под нанороботами подразумевают структуры с программируемым поведением, которые могут точно манипулировать другими объектами. Это происходит на уровне наноразмеров — величина может варьироваться от десятых долей нанометра до единиц микрометров. В биологии такие размеры характерны для вирусов, макромолекул, свойственных для клеточной структуры (например, ДНК), и некоторых бактерий. Невооруженным глазом увидеть таких ботов невозможно.
Нанотехнологии стали перспективной областью науки после того, как ученые предположили, что смогут манипулировать с их помощью атомами и молекулами. Но и ранее человеку это было под силу: например, путем химических реакций отсоединять и присоединять атомы, создавать новые молекулы. В чем тогда преимущество нанороботов?
«Действительно, при помощи давно известных химических реакций можно манипулировать атомами и молекулами, но — исключительно в определенном объеме. Например, нельзя направить воздействие непосредственно на единичную молекулу. В этом и кроется основное отличие современных технологий манипуляции частицами и их соединениями, а также в точности контроля результатов этих воздействий», — добавляет ученый ПНИПУ.
Нанороботы могут быть использованы для целевой доставки лекарств непосредственно к пораженным клеткам или тканям. Это позволяет снизить побочные явления и повысить эффективность лечения. Их также можно запрограммировать на распознавание раковых клеток и высвобождение противоопухолевых препаратов только для них. Существуют наномашины, применяемые в хирургии при лечении сложных заболеваний.
Ученые работают над тем, чтобы научить наноботов анализировать биомаркеры в крови или других жидкостях организма и сообщать о наличии заболеваний, в том числе онкологических. В будущем эти устройства могут использоваться для регенерации тканей и органов, способствовать заживлению повреждений на клеточном уровне.
«Кроме лечения человека, наноботы используются для создания новых материалов и миниатюрных пространственных конструкций — элементов микроэлектромеханических систем, для сложной обработки поверхностей — формирования микрозацепов, развитого рельефа поверхностей, соединения проводников в масштабах современных чипов, создания полупроводниковых структур, сверхвысокоточной механической обработки», — рассказывает Игорь Безукладников.
На самом деле современные нанороботы — это крайне простые устройства, зачастую состоящие из пары-тройки компонентов. Можно сказать, что нанороботов как роботов в привычном понимании на сегодняшний момент не существует. В таком размере у них не может быть полупроводникового процессора — «мозга», привычных нам манипуляторов и других компонентов, которые определяют робота. Поэтому правильнее называть микроскопических ботов наномашинами с дистанционным управлением. Однако определенные примитивные операции могут быть запрограммированы непосредственно конструкционными особенностями наноробота.
«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 шагающий молекулярный робот: он может передвигаться по ДНК и выполнять команды «идти», «повернуть», «остановиться». То есть наномашины можно запрограммировать на определенное поведение. Например, в группе «Молекулярная робототехника и биосенсорные материалы» лаборатории университета ИТМО ученые делают наномашины из молекул ДНК. Их поведение программируется не машинным, а генетическим кодом», — объясняет ученый Пермского Политеха.
Один из самых распространенных способов введения нанороботов в организм — это инъекции. Нанороботы попадают через шприц в кровь или непосредственно пораженную область.
Некоторые исследователи работают над созданием ботов в виде таблеток. Эти устройства должны быть устойчивыми к условиям желудочно-кишечного тракта. Еще один вариант — объединить роботов с системами доставки, например, липосомами. Это фосфолипидные наночастицы, нетоксичные и биоразлагаемые. По строению и составу они схожи с мембранами клеток организма, поэтому успешно доставляют лекарства на место.
Потенциально ученые и медики могут применять специальные устройства для распространения наноботов в нужной области тела. Для доставки нанороботов к мозгу возможно использовать катетеры.
У подобных роботов нет собственного интеллекта и устройства, обрабатывающего какие-либо внешние данные. Они управляются снаружи при помощи специальных устройств. Медицинского нанобота можно сделать из микроскопического самарий-кобальтового магнита и скрученного жгутика из медной проволоки. Магнит закрепляют на одном конце жгутика. При помощи управляемого внешнего магнитного поля такой робот может свободно передвигаться в кровеносной системе пациента, выполняя механические операции: разрушение вредных микроорганизмов, пораженных клеток и так далее.
«Существуют и другие способы перемещения. Например, химическое (топливное), при котором движение осуществляется за счет химических реакций, вызывающих расширение или сжатие элементов, локальное повышение давления и т.д. От точки «А» к точке «Б» наномеханизм доставляют также при помощи электричества или даже светового давления. Хоть свет не имеет массы, он состоит из частиц, называемых фотонами. Когда они сталкиваются с поверхностью, они передают свою энергию и импульс», — добавляет Игорь Безукладников.
Когда в тело человека запускают множество нанороботов, они будут непременно сталкиваться, поскольку механизмы точного управления ими пока не придуманы. Однако для организма это угрозы не представляет. Такое хаотичное движение напоминает столкновение кровяных телец в потоке крови — это абсолютно нормально и не требует вмешательства врача. В перспективе могут появиться механизмы, позволяющие управлять множеством таких роботов индивидуально, предотвращая их столкновения.
«Уже сейчас есть устройство управления, реализующее заложенную авторами программу, — то есть «мозг» нанобота. Подобные устройства могут быть схожи с обычными процессорами, но значительно упрощены из-за ограничений по размерам», — отмечает ученый ПНИПУ.
Единичные управляемые роботы могут быть извлечены из тела человека в случае, если устройство не потеряно и его можно наблюдать при помощи специальных гаджетов или датчиков. Но если мы говорим о массовом использовании роботов, то их извлечение — это очень сложная и порой даже невыполнимая задача. Однако, учитывая малые размеры, химическую инертность (неспособность разлагаться с образованием ядовитых веществ) и небольшое их количество, такие роботы не представляют опасности для организма.
Понятия нанороботов и микророботов пересекаются, и в определенном диапазоне размеров являются синонимами. Потому четкой грани между ними нет. Но в направлении уменьшения размеров (от микро- до нанороботов) постепенно снижается количество и сложность составных частей робота —вплоть до 1-2 компонентов у самых миниатюрных нанороботов.
«Основное отличие — то, что в области крупных микророботов еще можно применять миниатюрные версии классических механизмов и элементов робота из макромира. Например, манипуляторы, — механические «руки» для захвата и перемещения объектов. В нанороботах же из-за их размеров используются принципиально иные подходы и методы», — объясняет Игорь Безукладников.
Функции двух видов ботов также различаются из-за размеров. Если нанороботы нужны для манипуляции атомами, молекулами, то боты побольше — для микромеханических работ: обработки поверхности материалов, создания трехмерных структур и так далее.
Из-за размеров нанороботы до сих пор не используются широко. Слишком высока сложность их создания, невелик возможный функционал, усложнено индивидуальное управление каждым роботом в отдельности.
Вообще, для создания самых маленьких нанороботов обычно используются те же технологии, что и для производства современных микроэлектронных устройств. Основные материалы для сборки — различные металлические и кремниевые структуры.
Перспективным направлением сейчас является создание нанороботов при помощи сложных биологических структур, например, молекул ДНК, которые являются носителями генетической информации организма. Благодаря такой разработке сильно расширятся возможности генной инженерии.
