Нанороботы внедряются в организм человека. Медицинские нанороботы

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

Задачи наномедицины

Робокровь

Классификация нанороботов

Медицинский наноробот

Принцип работы наноробота

Заключение

Существует поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до последнего времени никто не относился серьезно к исследованиям этого мира.

Р. Фейнман

Вступление

Упорядоченные одним образом, атомы составляют деревья и свежий воздух, а упорядоченные другим образом - золу и дым. Как уголь и алмаз, так и здоровая и раковая ткань состоит из одних и тех же атомов, но именно вариации в упорядочении атомов ведет к таким серьезным отличиям.

Рассматривая отдельный атом как «кирпичик», можно сконструировать любую молекулу и любой материал с заранее известными свойствами. Вся проблема состоит в том, чтобы найти практические способы конструирования того или иного объекта. Решение этой проблемы ищут ученые, которых называют нанотехнологи. Существует два подхода к решению этой задачи: биохимический и технический. Первый основан на химической обработке объектов - биомолекул или клеток - для придания им нужных свойств. Такой подход является относительно простым и дешевым поэтому получил распространение. Технический подход основан на создании объектов, размеров порядка сотен нанометров, которые, собственно, и будут проводить всю диагностику или лечение, представляя врачу только конечный результат деятельности. Такие объекты получили в литературе название нанороботы или наноботы. Такой подход намного более сложный, но и более перспективный, именно техническому подходу решения задач медицины на клеточном уровне посвящена данная работа.

Задачи наномедицины

Среди основных перспектив применения нанотехнологий в медицине выделяют следующие направления:

1) Биологические чипы, помогающие проводить диагностику соматических и инфекционных заболеваний, в том числе видовую идентификацию возбудителей особо опасных инфекций и токсинов.

2) Наночастицы, использующиеся как лекарственные препараты нового поколения, а также как контейнеры для адресной доставки медикаментов.

3) Медицинские приборы, устраняющие дефекты в организме больного путем управляемых хирургических вмешательств на клеточном уровне.

4) Протезирование искусственно созданными органами

Робокровь

Наша кровь - это уникальная система обеспечения жизнедеятельности клеток и тканей, состоящая из множества различных клеток, выполняющих строго определенные функции. От ее состояния напрямую зависит жизнеспособность человека. Именно поэтому над улучшением этой системы сейчас работают лучшие ученые ведущих стран мира. Одним из самых необычных и в тоже время вполне реализуемых предложений в этой области является т.н. «робокровь».

Идеи многих великих открытий часто возникают внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Также неожиданно обычный разговор на форуме сайта Института Предвидения (Foresight Institute) навел Роберта Фрайтаса (Robert A. Freitas) - автора первой книги о медицинском применении нанотехнологий «Nanomedicine» - на мысль о создании специальных медицинских нанороботов.

14 июня 1996 года Крис Феникa (Chris Fenik) - автор идеи конвергентной нано-фабрики, оставил на форуме сообщение: “А что если заменить кровь человека 500 триллионами роботов?”. Этот “безумный” на первый взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился стостраничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), изданный в 2002 году. “Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыхательных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы. “Робокровь”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потребляет 30-200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосудов и может служить полной заменой естественной кровеносной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кровеносную систему и функционируют в ней.

Классификация нанороботов

Несмотря на то, что создание медицинских нанороботов находится только в проектной стадии уже существует их классификация на респирациты, клоттнциты, нанороботы-фагоциты и васкулоиды.

Респирациты - это аналоги эритроцитов, осуществляющие транспорт газов в организме, однако более функциональны и легче контролируемы. Они смогут накапливать в несколько раз больше кислорода при значительно меньших размерах и энергопотреблении. Благодаря респироцитам человек сможет часами обходиться без воздуха (например, плавать под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить больше кислорода, для респироцитов характерны также возможность перепрограммирования, долговечность и высокое быстродействие. Их внедрение может помочь людям с астматическими заболеваниями, а также позволит длительное время обходиться без кислорода и, возможно, решить проблему кессонной «болезни», что очень важно для промышленных водолазов.

Нанороботы-фагоциты - представляют собой искусственные иммунные клетки, способные частично или полностью взять на себя функцию защиты организма от вредоносных микроорганизмов и вирусов, а также для поиска раковых клеток. Также предполагается, что задачей нанороботов будет поиск радикалов и переработка их в нейтральные соединения, что может существенно уменьшить последствия радиационного поражения организма.

Клоттоциты - являются искусственными аналогами тромбоцитов. Задачей клоттоцитов является остановка внешних и внутренних кровотечений за минимальное время. Для этого клоттоциды будут доставлять к местам кровотечения нетоксичную полимерную сеть.

Васкулоид (от лат. vas- сосуд и греч. oidos - подобный) - своеобразный механический протез, частично или полностью заменяющий функции кровеносной системы. Васкулоид также будет выполнять функции информирования и «энергетической подпитки» для нанороботов, а возможно, и автоматически поддерживать их оптимальный уровень.

Медицинский наноробот

Как устроены медицинские нанороботы? Р. Фрайтас и К. Феникс предложили детально разработанные чертежи разных нанороботов. Далее будет рассмотрено описание устройства основных систем медицинского наноробота, предложенного главным аналитиком компании Nanotechnology News Network Юрием Свидиненко. Для нормального функционирования и возможности диагностирования и лечения наноробот должен обладать:

1) мощной двигательной системой для того, чтобы направленно перемещаться по кровеносной системе человека.

2) несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации и коммуникации

3) нанороботу нужна транспортная система, доставляющая вещества от контейнера к наноманипуляторам.

4) для работы с пораженными структурами устройство должно быть оборудовано набором различных телескопических наноманипуляторов.

5) приемо-передающие устройства, позволяющие нанороботам связываться друг с другом а врачу, в случае необходимости, корректировать методику лечения.

6) генератор и источников энергии.

На основании выдвинутых требований Юрий Свидененко построил модель медицинского наноробота общего применения. В идеальном случае это устройство будет способно “ремонтировать” поврежденные клетки; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды, производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой, уничтожать бактерии, вирусы, и т. п. На рисунках 1-2 представлен предполагаемый вид такого наноробота. Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому его антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса.

Чтобы естественная иммунная система не “нападала” на робота, он должен быть сделан из биоинертного материала, например, углерода. Поэтому можно надеяться, что такое покрытие будет иметь очень низкую биологическую активность и внешняя оболочка роботов будет химически инертна.

Рис. 1 Наноробот обрабатывает поврежденную клетку в представлении художника

На рисунке 1 изображен наноробот, ремонтирующий клетку in vivo. “Отработав”, нанороботы покинут тело обычным биологическим путем, а часть из них может остаться в организме на постоянное “дежурство”.

Предполагается, что типичный медицинский наноробот должен обладать размерами от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон, что позволит беспрепятственно двигаться по капиллярам. Конструкция наноботов еще не разработана и находится на стадии проектирования. Их порядок использования, время работы и механизмы ввода и вывода из организма будут зависеть от поставленной врачом цели. Проблема совместимости с организмом хозяина может решится путем подбора нетоксичных материалов и размеров наноробота. В качестве основных источников питания робота предполагается или использовать запасы глюкозы в теле человека или его электромагнитное поле. Такой робот может быль использован для локальной или даже комплексной диагностики и проведения лечения.

Диагностика таким способом предполагает:

1) Целевую доставку наноробота к исследуемому объекту, к которому трудно подобраться другом образом (например к гипоталамусу в головном мозге)

2) Проведение исследования на предмет наличия или концентрации интересующих веществ, молекул, и т.д.

3) Вывод робота из организма исследуемого с последующей передачей им накопленных данных в компьютер врача.

Лечение будет заключаться в следующем:

1) Введение и целевая доставка робота к исследуемому органу

2) Непосредственная деятельность робота над необходимым участком (введение лекарственных препаратов или других химических веществ).

3) Выведение нанороботов из организма пациента или их распад до нейтральных молекул.

Если повреждение слишком велико, наноробот должен будет проникнуть внутрь клетки (например, с помощью телескопических манипуляторов) и выпустить из своих “запасов” ферменты, запускающие механизм клеточного апоптоза. Если же повреждение клетки может быть устранимо - нанороботы делают инъекцию других ферментов, которые должны способствовать восстановлению гомеостаза клетки и ее возвращению к нормальной работе. Такие ферменты уже известны, но нужно создать механизм точечной доставки в интересующий объект.

Принцип работы наноробота

Общеизвестно, что необработанная ссадина опасна не столько потерей крови, сколько риском получить заражение. В кровь постоянно попадает небольшое количество болезнетворных микробов через раны на коже, деснах, во время хирургических операций, и т.д.. Эти чужеродные бактерии обычно уничтожаются в организме лейкоцитами (белыми кровяными тельцами), способными к фагоцитозу (захвату и перевариванию чужеродных белков), продукции иммуноглобулинов (формированию иммунитета к данной инфекции). Однако если количество болезнетворных бактерий велико то человек заболевает. В связи с этим комплекс нанороботов, способных быстро очищать кровь человека от патогенов при сравнительно небольшой концентрации, был бы весьма желательным помощником для человеческой иммунной системы. Таких нанороботов Фрайтас назвал микрофагоцитами, или искусственными иммунными клетками (см. рис. 2). Как работает микрофагоцит?

Рис 2. Медицинский наноробот общего применения

Рассмотрим конструкцию отдельных подсистем наноробота (см. рис. 3). Каким образом нанороботы будут взаимодействовать между собой? Возможно так же, как “общаются” друг с другом триллионы клеток в человеческом теле: посредством сложных молекул, находящихся на их внешних мембранах. Эти молекулы действуют как химические “сигнальные огни” для того, чтобы обратиться к другим клеткам, или как химические “ворота”, которые управляют входом в клетку из межклеточного пространства некоторых молекул (например, гормонов).

Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной системы полезно будет использовать еще один тип нанороботов - коммуноцитов, которые будут работать в виде ретранслирующих станций.

Рис. 3 Функциональные схемы наноробота Свидененко

А - Основные блоки медицинского наноробота, Б - Двигательная подсистема и подсистема заякоривания, В - Сенсорная и обрабатывающая подсистема, Г - Транспортная подсистема

Для анализа поступающей то сенсоров информации, а также для хранения программы работ необходимо использовать наноробота можно будет использовать высокопроизводительный нанокомпьютер.

Остается главный вопрос: как робот будет уничтожать болезнетворные бактерии? В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прилипает к поверхности наноробота, как муха к липкой ленте, благодаря специальным “присоединительным гнездам”. Далее телескопические наноманипуляторы выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита и транспортируют бактерию к специальному резервуару, находящемуся внутри робота. После интенсивного механического перемалывания бактерии ее органические остатки выдавливаются специальным поршнем в “дигестальный” (от англ. digest _ переваривать) резервуар, где они «перевариваются» с помощью комплекса ферментов. Полученные в результате остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека, которые просто выбрасываются в кровеносную систему. Весь цикл операций занимает не более 30 секунд после чего нанобот отправляется искать новую «жертву».

Этот алгоритм, названный автором “перевари и выброси”, практически идентичен процессам переваривания и фагоцитоза, которые используют натуральные фагоциты. Однако искусственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище - продукты искусственных микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ, в отличие от биологически активных, выбрасываемых в кровь натуральными макрофагами после переработки патогенных микробов.

Заключение

В заключение следует напомнить, что описанные наномедицинские проекты - пока что не более чем теория, нуждающаяся в детальном анализе, и для создания подобных медицинских нанороботов, по прогнозам самих ученых, потребуется еще как минимум 30-40 лет.

наноробот наномедицина

Список использованной литературы

1. Эттинджер Р. Перспективы бессмертия. - Мичиган, Оак Парк, 2002. - 152с.

2. Дрекслер Э. Машины созидания. - Калифорния. - 1996. - 183с..

3. Asirnov, I. The Chemicals of Life. - New York: New American Library, 1954.

4. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат.

Ленингр. Отделение. - 1986.

5. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы Датчики и системы. - 2001. - № 3. - С. 46-50.

6. Константинов А.В. Нанотехнологии в медицине Наука и Техника. - 2010. №3. - с. 75-79

7. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000. - 57с.

8. Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. - М.: Мир, 1992.

9. Seitz W.R. Fiber Optics Sensors Anal. Chem. 1984. Vol. 86, № 1. P. 16 A.

10. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков Датчики и системы, 2000. - № 5. - С. 2-3.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные области применения нанотехнологий. Нанороботы в медицине. Транспортные свойства наночастиц. Целевая доставка лекарства в клетку. "Золотой" полимер как потенциальный носитель лекарственных препаратов. Многоуровневая система доставки препаратов.

презентация , добавлен 20.03.2014

Понятие нанотехнологии как совокупности методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства продуктов с заданной атомной структурой. Основные области и направления применения нанотехнологий в медицине.

презентация , добавлен 12.03.2015

Физические основы применения лазерной техники в медицине. Типы лазеров, принципы действия. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии. Серийно выпускаемая медицинская лазерная аппаратура.

реферат , добавлен 30.08.2009

Рассмотрение принципа работы медицинского робота "Да Винчи", позволяющего хирургам выполнять сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Применение роботов и современных нанотехнологий в медицине и их значение.

реферат , добавлен 12.01.2011

Применение в медицине микроскопических устройств на основе нанотехнологий. Создание микроустройств для работы внутри организма. Методы молекулярной биологии. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

реферат , добавлен 08.03.2011

Основные требования к содержанию медицинских документов и записей. Тонкости соблюдения врачебной тайны. Сведения, подлежащие огласке. Юридические аспекты смерти и умирания. Взаимодействие отделения неотложной помощи с медицинским персоналом стационара.

реферат , добавлен 18.06.2009

Требования к размещению стоматологических медицинских организаций, внутренней отделке помещений, оборудованию, отоплению, вентиляции, естественному и искусственному освещению. Обеспечение радиационной безопасности при размещении рентгеновских аппаратов.

реферат , добавлен 06.05.2017

История криоцервации и витрификации, физическое обоснование данных процессов, их основные этапы и значение. История формирования и развития принципов проведения криоцервации и витрификации, обоснование и условия их применения в современной медицине.

контрольная работа , добавлен 12.12.2014

Рассмотрение основ применения медицинских перчаток, защитных масок и очков медицинским персоналом. Инфицирование вирусной инфекцией через стоматологическую установку. Принцип работы пассивных и активных систем дезинфекции в стоматологической клинике.

презентация , добавлен 04.05.2015

Змеиный яд, его физические и химические свойства, особенности применения в медицине. Получение пантов из пятнистого оленя. Основные свойства мускуса и амбры, специфика и сферы его применения. Использование пиявок и бодяги в медицине и косметологии.

Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии не похожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами.

Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.

Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.

Нанороботы могут делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.

Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и неживым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью нанороботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, нанороботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей - первая половина XXI века.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого наноборобота. Существует несколько многообещающих направлений.

Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомносилового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.

Другой путь к созданию первого наноробота ведет через химический синтез. Возможно спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.

И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными нанороботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов. Эти нанороботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.

Работы по изучению были начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки. Многие полагают, что это будущее медицины.

В Японии ученые разработали «наномозг» - молекулярную структуру, позволяющую управлять нанороботами. В рамках эксперимента с помощью «наномозга» различные наномашины смогли выполнять простейшие команды. «Наномозг» может быть использован при создании суперкомпьютеров.

Сотрудники Международного центра молодых учёных создали сложную молекулярную структуру, которая позволила управлять сразу несколькими наномашинами. Исследователи поставили эксперимент, в рамках которого доказали, что структура из 17 молекул DRQ (состоит из бензоквинона и тетраметила) функционирует аналогично процессору, выполняющему 16 команд за один такт.

17 молекул DRQ могут быть сформированы в молекулярную машину, которая способна закодировать более 4 млрд различных комбинаций. Размер полученной молекулярной структуры - всего 2 нанометра. Это первый в мире работающий образец «наномозга».

Предполагается, что «наномозг» можно будет использовать при создании нанороботов, проекты которых пока находятся в стадии разработки.

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.

Спонсор номинации - .

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 . 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 » . 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 » . 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 .

Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?

До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов. Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека. Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений .

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 » . - 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 , . 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 . 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 . 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

В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology , в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов . Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма. Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1). При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов. Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.

Подробнее метод ДНК-оригами рассматривается в статьях: «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет » , «Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме » и «Биоинженеры научились получать ДНК-структуры, сборкой и разборкой которых можно управлять » . - Ред.

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 .

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 . 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.

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 . 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.

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 .

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

Развиваются всё стремительнее, переходя из чисто экспериментальной сферы в практическую. Идеи, казавшиеся ещё пару десятилетий назад фантастическими грёзами, становятся весомой и осязаемой реальностью. Что привнесёт наномир в природу человека? Войдут ли в нашу жизнь чудеса регенерации и усовершенствования физиологии на основе нанобиотехнологий? Станем ли мы сильнее, быстрее, здоровее и умнее? Приблизимся ли к бессмертию? Оставим эти вопросы футурологам и познакомимся с уже имеющимися разработками наномедицины.

Нанороботы взамен привычных лекарств

Представляете, что взамен таблеток и уколов в ваш организм вводят микророботов – настолько маленьких, что сложнейшие манипуляции на молекулярном уровне для них не проблема? И такие наномашины уже создаются. Сами они размером с молекулы (не более 10 нм). При этом способны свободно передвигаться внутри тела человека, собирать, систематизировать и передавать информацию, выполнять запрограммированные действия. Управляются нановрачи ультразвуком, тепловыми, электромагнитными и иными видами волн.

В перспективе на них могут быть возложены различные функции:

— диагностика болезней;

— разрушение патологических клеток и вредоносных бактерий, что станет новым словом в борьбе с раком и другими болезнями;

— микрохирургия;

— адресная доставка лекарств именно к нуждающимся в них тканям, что значительно уменьшит сильнодействующих синтетических препаратов.

Учёные полагают, что однажды эти крохи-«биофиксики» будут успешно бороться с тромбами и холестериновыми отложениями , останавливать кровотечение , штопая повреждённые сосуды и даже исправляя генетические неполадки в структуре ДНК.

Сегодня нанороботы слушают приказы учёных и врачей в научных лабораториях исследовательских центров. Но, вероятно, не за горами тот день, когда управлять ими сможет каждый обыватель, установив необходимое программное обеспечение на обычный смартфон. И в онлайн-режиме получать подробнейшие сведения о работе собственных органов и систем, а в случае необходимости – контролировать лечебный процесс, осуществляемый нановрачами.

Прорыв в регенеративной медицине

Возможность чинить повреждённые ткани на уровне молекул и клеток открывает путь к вечной молодости и бессмертию. Более того, нанотехнологии в медицине позволили гарвардским учёным изобрести ткань, способную самостоятельно восстанавливаться даже при сильных повреждениях.

В университете Огайо разработали транспортное устройство, которое может обеспечивать поставки в клетки спецкомплектов генов и белков. Комбинация этих веществ ведёт к перестройке клеточных структур и превращению обычных клеток в стволовые, которые могут размножаться в целях регенерации.

Специалисты Университета Беркли создали трансплантаты из нановолокон, стимулирующие восстановление и рост нервных клеток. Учёные института BioNanotehnologii разработали наноматериал, инъекция которого восстанавливает нейроны спинного мозга, что уже доказано на грызунах. В дальнейшем планируется применение этого для терапии болезни Альцгеймера и паркинсонизма.

Наноимпланты

Возможность конструирования из атомов практически любых объектов с заданными физико-химическими параметрами открывает широчайшие перспективы по созданию наноимплантов. На основе синтетических и биологических материалов создаются полимеры, аналогичные живым тканям. Их высокая биосовместимость и безопасность обусловлены сложной сетчато-ячеистой структурой, способностью распадаться в живой ткани на естественные биологически активные вещества без нарушения естественного обмена веществ и другими свойствами. В частности, такими разработками занимается Курчатовский институт.

Учёные Белгородского университета во главе с Т.В. Павловой исследуют возможности применения нанобиокомпозитов при изготовлении и вживлении имплантов в костную ткань черепа. Типичные проблемы при замещении костной ткани искусственными материалами – их плохая приживаемость, отторжение эндопротеза и некроз.

Эксперименты над грызунами показали, что регенеративно-восстановительные процессы в кости значительно улучшаются при использовании коллаген-декстранового биокомпозита на основе наноструктурированного титана. Это даёт надежду на улучшение результатов при в связи , травмами и операциями на мозге, нарушающими целостность черепа.

и этика

Столь бурное развитие наномедицины ставит перед человечеством массу вопросов этического и юридического характера. Сознание и мировоззрение большинства землян явно отстают от технологических скачков большой науки.

Использование эмбриональных стволовых клеток, селекционный подход к эмбрионам, евгеника, редактирование генетического кода и изменение человеческой природы вплоть до создания биороботов – эти и масса других сложно разрешимых вопросов встают перед обществом. Чего только стоит возможность бессмертия, обрекающего Землю на перенаселение и глобальный кризис…

О дивный наномир! Не окажется ли он Вавилонской башней наоборот – растущей не вверх, а вглубь, внутрь, в микромиры, вторжение в которые таит свои опасности? Покажет время. А современному поколению людей пока едва ли стоит рассчитывать на нановрачей.

Лучше самим позаботиться о продлении активного долголетия. Благо, что природа уже создала массу естественных биостимуляторов, способных предупредить многие недуги и отдалить старение. Это растительные средства: адаптоген левзея сафлоровидная, антиоксидант из лиственницы – , особенно ценимый русским народом иван-чай , полезные для сердца и сосудов боярышник и шиповник , регулятор обменных процессов, защитник печени и суставов и многие другие, зачастую под ногами у нас растущие травы. Не меньшим оздоравливающим потенциалом обладают пчелопродукты: маточное молочко , обножка , и др.

Заметим, что биоактивные вещества этих натуральных средств действуют на наш организм всё на том же микроуровне, что и наномедицина. Вот только риск неожиданных эффектов, побочных реакций и катастрофических сюжетов вроде зомби-апокалипсиса сведён к нулю. Заботьтесь о себе – и будьте здоровы!

ПОЛЕЗНО УЗНАТЬ:

О ЗАБОЛЕВАНИЯХ СУСТАВОВ

Как вы можете себе представить, задачи, стоящие перед инженерами, колоссальны. Жизнеспособный наноробот должен быть небольшим и достаточно гибким, чтобы перемещаться по человеческой системе кровообращения, невероятно сложной сети артерий и вен.

Робот также должен обладать возможностью переносить медикаменты или миниатюрные инструменты. Если предположить, что наноробот не должен оставаться в теле пациента навсегда, он также должен уметь выходить из него.

В этой статье мы узнаем о потенциальном применении нанороботов, различных способов навигации нанороботов по нашему телу, об инструментах, которые они будут использовать для лечения пациентов, и о прогрессе, который двигают команды по всему миру.

«Вот два бота, принимать на ночь вместе с едой!»

При должном исполнении нанороботы смогут лечить множество заболеваний и состояний человека. В то время как их размер означает, что они могут перенести лишь самую малую порцию медикаментов или оборудования, многие доктора и инженеры полагают, что точное применение этих инструментов будет более эффективным, нежели традиционных. К примеру, вводят мощный антибиотик пациенту через шприц, чтобы помочь его иммунной системе: антибиотик разбавляется кровотоком пациента, и в итоге только часть его достигает пункта назначения.

Тем не менее наноботы или целая команда наноботов может добраться прямо до очага инфекции и доставить небольшую дозу лекарств. Пациент будет меньше страдать от побочных эффектов лекарств.

Как нанороботы будут перемещаться по кровеносной системе?

Навигация нанороботов

Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые, изучающие движение нанороботов по телу — навигация, питание и как нанороботы будут двигаться по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов, и у всякого есть положительные и отрицательные стороны. Большинство вариантов можно разделить на две категории:

внешние системы и
бортовые системы.

Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов — использование ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в нужное место назначения. Врачам пришлось бы отправлять ультразвуковые сигналы в тело пациента. Сигналы проходили бы через тело и отражались обратно к источнику сигналов. Нанороботы могут излучать импульсы ультразвуковых сигналов, которые врачи могли бы регистрировать, используя специальное оборудование с ультразвуковыми датчиками.

Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его, обнаруживая его магнитное поле. Врачи и инженеры из Политехнической школы Монреаля несколько лет назад показали, что могли бы обнаружить, отследить, управлять и даже передвигать наноробота с использованием МРТ. Они проверили свои выводы, маневрируя небольшим количеством малых магнитных частиц в артериях свиньи, используя специальное программное обеспечение на устройстве МРТ. Поскольку за рубежом во многих больницах есть МРТ, это может стать промышленным стандартом — больницам не придется инвестировать в дорогостоящие непроверенные технологии.

Врачи также могут отслеживать нанороботов путем введения радиоактивного красителя в кровоток пациента. Затем использовали бы флюороскоп или аналогичное устройство для обнаружения радиоактивного красителя по мере его движения в кровотоке. Сложные трехмерные изображения показали бы, где находятся нанороботы. В качестве альтернативы нанороботы сами могут распылять радиоактивную краску, оставляя след.

Другие методы обнаружения нанороботов включают использование рентгеновских лучей, радиоволн, микроволн или тепла. На данный момент наши технологии, использующие эти методы на наноразмерных объектах, ограничены, так что гораздо более вероятно, что будущие системы будут полагаться на другие методы.

Бортовые системы, или внутренние датчики, также могут сыграть большую роль в навигации. Нанороботы с химическими сенсорами могли бы обнаруживать и следовать по следам конкретных химических веществ для достижения правильного местоположения. Спектроскопический датчик позволил бы нанороботу забирать пробы и образцы окружающей ткани, анализировать их и идти дальше.

Как бы это странно не звучало, нанороботы могут быть оснащены миниатюрной телекамерой. Оператор мог бы управлять устройством во время просмотра живого видео, буквально вручную проводя корабль сквозь тело. Системы видеонаблюдения довольно сложны, поэтому понадобится по меньшей мере несколько лет, прежде чем нанотехнологи смогут создать надежную систему, которую можно будет поместить внутри крошечного робота.

Питание нанороботов

Так же, как о навигационных системах, нанотехнологи раздумывают о внешних и внутренних источниках питания. Некоторые проекты полагаются на нанороботов, использующих собственное тело пациента как способ выработки энергии. Другие проекты включают в себя небольшой источник энергии на борту самого робота. Наконец, некоторые проекты используют силы за пределами тела пациента для питания наноробота.

Нанороботы могут получать энергию непосредственно из кровотока. 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. Наноробот мог бы нести небольшой запас химических веществ, которые станут источником топлива в сочетании с кровью.

Наноробот может использовать тепло тела для выработки энергии, но должен быть градиент температур для управления этим процессом. Выработка энергии может быть результатом эффектом Зеебека. Эффект Зеебека возникает, когда два проводника из разных металлов соединены в двух точках, которые обладают разной температурой. Металлические проводники становятся термопарой, то есть создают напряжение, когда стыки находятся в разных температурах. Поскольку трудно рассчитать температурный градиент в теле, едва ли мы увидим нанороботов, использующих тепло тела для генерации энергии.

Поскольку есть возможность создания батарей, достаточно малых для размещения в нанороботах, они обычно не рассматриваются в качестве жизнеспособного источника питания. Проблема заключается в том, что батареи могут хранить относительно небольшое количество энергии, напрямую связанное с их размером и весом, и, таким образом, очень маленькая батарея обеспечит лишь малую часть необходимой нанороботу энергии. Более вероятным кандидатом является конденсатор, который имеет немного лучшее соотношение мощности к весу.

Инженеры работают над созданием небольших конденсаторов, которые смогут стать источником питания для нанороботов.

Еще один возможный источник питания нанороботов — ядерный источник энергии. Мысль о том, чтобы оснастить крошечного робота ядерной энергии может вызвать ужас у некоторых людей, но имейте в виду, что необходимое количество материала достаточно мало и, по мнению некоторых экспертов, его легко экранировать. Тем не менее общественное мнение по поводу ядерной энергии едва ли позволить сделать нанороботов на ее основе.

Внешние источники питания включают системы, когда нанороботы либо привязаны к внешнему миру, либо контролируются без физического поводка. Привязанная система потребует провода между наноботом и источником питания. Провод должен быть достаточно прочным, но также без проблем проходить сквозь тело человека, не нанося повреждений. Физический трос мог бы поставлять электроэнергию с помощь электричества или оптики. Оптические системы передают свет через оптоволокно, а он затем преобразуется в электричество на борту робота.

Внешние системы, которые не используют провода, могли бы полагаться на микроволны, ультразвуковые сигналы или магнитные поля. Микроволны наименее вероятны к использованию, поскольку могут повредить ткань пациента путем нагревания. Наноробот с пьезоэлектрической мембраной сможет подхватывать ультразвуковые сигналы и преобразовывать их в электричество. Системы, использующие магнитные поля, вроде тех врачей из Монреаля, о которых мы упоминали выше, могут также напрямую управлять нанороботом или индуцировать электрический ток в закрытой проводящей петле внутри робота.

Передвижение нанороботов

Если предположить, что нанороботы не будут привязаны или предназначены для пассивного течения через кровоток, им понадобится средство передвижения через тело. Поскольку им, возможно, придется плыть против течения крови, двигательная установка должна быть относительно мощная для своих размеров. Еще одним важным фактором является безопасность пациента — система должна быть в состоянии продвигать наноробота без ущерба хозяину.

Некоторые ученые наблюдают за микроорганизмами в поисках вдохновения. Парамеция может двигаться через среду, используя крошечные хвостики — реснички. Вибрируя ресничками, парамеция может плавать в любом направлении. Подобно ресничкам работают жгутики, более длинные хвостовые структуры. Организмы бьют жгутиками вокруг, чтобы двигаться в разных направлениях.

Израильские ученые создали микроробота, который всего несколько миллиметров в длину и использует маленькие придатки для захвата и ползания по кровеносным сосудам. Ученые манипулируют его конечностями, создавая магнитное поле за пределами тела пациента. Магнитное поле заставляет конечности робота вибрировать и толкать его по кровеносным сосудам. Ученые отмечают, что, поскольку вся энергия для наноробота берется из внешних источников, нет никакой необходимости оснащать механизм внутренним источником питания. Они надеются, что относительно простой дизайн позволит им сделать в скором времени еще более мелких роботов.

Другие устройства звучат еще более экзотически. Одно использует конденсаторы для генерации магнитных полей, которые бы протягивали проводящие жидкости из одного конца электромагнитного насоса и выстреливали бы их обратно. Наноробот двигался бы как реактивный самолет. Миниатюрные струйные насосы могут даже использовать плазму крови, чтобы подталкивать робота вперед, но, в отличие от электромагнитного насоса, в этих должны быть движущиеся части.

Другой потенциальный способ, которым могли бы передвигаться роботы — использование вибрирующей мембраны. Поочередно затягивая и ослабляя напряженность мембраны, нанороботы могли бы генерировать небольшую тягу. На наноуровне этой тяги может быть достаточно, чтобы стать основным источником движения.

Крошечные инструменты

Современные проверенные микророботы имеют всего несколько миллиметров в длину и около миллиметра в диаметре, но эти цифры уменьшаются ежегодно. По сравнению с наноуровнем, эти цифры просто огромны — нанометр представляет собой одну миллиардную долю метра, в то время как миллиметр — всего одну тысячную. Будущие нанороботы будут настолько малы, что вы сможете увидеть их только в микроскоп. Инструменты нанороботов должны быть еще меньше. Вот несколько вещей, которые вы можете обнаружить в инструментарии нанороботов:

Полость для медикаментов. Это пустая секция внутри наноробота, которая будет содержать небольшие дозы лекарств или химических веществ. Робот может высвобождать лекарства непосредственно в месте травмы или инфекции. Нанороботы также могут нести химические вещества, используемые в химиотерапии для лечения рака непосредственно на месте. Хотя количество лекарств будет относительно незначительным, применение их непосредственно к раковой ткани может быть более эффективным, чем традиционная терапия, которая опирается на систему кровообращения как способ перевозки химических веществ в теле пациента.
Зонды, ножи и стамески. Чтобы удалять блокады и бляшки, нанороботам нужно будет что-то, что сможет хватать и рушить. Также, возможно, понадобится устройство для разрушения тромбов на мелкие кусочки. Если часть тромба вырвется и попадет в кровоток, она может вызвать массу проблем.
Микроволновые излучатели и ультразвуковые генераторы. Чтобы уничтожать раковые клетки, врачам нужны методы, которые смогут убить клетку, не разрушив ее. Разорванная раковая клетка может выбросить химические вещества, которые спровоцируют дальнейшее распространение рака. Используя точные микроволны или ультразвуковые сигналы, наноробот может разрушить химические связи в раковой клетке, убив ее, не разрушая клеточные стенки. В качестве альтернативы робот может излучать микроволны или ультразвук для нагревания клетки, которого будет достаточно для ее уничтожения.
Электроды. Два электрода, выступающих из наноробота, смогут убить раковые клетки, генерируя электрический ток и нагревая клетку, пока она не умрет.
Лазеры. Крошечные мощные лазеры могут выжечь дотла вредные материалы вроде артериальных бляшек, раковых клеток или тромбов в крови. Лазеры буквально испарят это все.

Две самые большие проблемы, которые беспокоят ученых, — это как повысить эффективность этих миниатюрных инструментов и сделать их безопасными. Например, создать небольшой лазер, который будет достаточно мощным для испарения клеток, достаточно сложная задача, но сделать его безопасным для окружающей среды — еще сложнее. В то время как многие научные группы разработали нанороботов достаточно мелких, чтобы они могли попасть в кровеносную систему, это только первые шаги к созданию реально применяемых нанороботов.

Нанороботы: сегодня и завтра

Команды по всему миру работают над созданием первого практичного медицинского наноробота. Роботы от миллиметра в диаметре до относительно громоздких, в два сантиметра длиной, уже существуют, хотя и не испытываются на людях. Возможно, мы всего в нескольких годах от выхода нанороботов на медицинский рынок. Сегодняшние микророботы остаются прототипами, которым не хватает способностей выполнять медицинские задачи.

В будущем нанороботы могут совершить революцию в медицине. Врачи смогут лечить все, от сердечно-сосудистых заболеваний до рака, при помощи крошечных роботов, по размерам сопоставимых с бактериями, намного меньших, чем нынешние нанороботы. Некоторые считают, что полуавтономные нанороботы уже вот-вот будут доступны — доктора смогут имплантировать роботов, способных патрулировать человеческое тело и реагировать на любые проблемы. В отличие от экстренного лечения, эти роботы будут оставаться в теле пациента навсегда.

Другое потенциальное применение нанороботов в будущем — укрепление нашего тела, повышение иммунитета, увеличение силы или даже улучшение интеллекта. Сможем ли мы в один прекрасный день обнаружить тысячи микроскопических роботов, плывущих по нашим венам и вносящим коррекции и изменения в наши разрушенные тела? С нанотехнологиями, похоже, все будет возможно.