Нанороботы в медицине. Нанотехнологии в медицине: открытия и изобретения, меняющие мир

Введение

Ученые утверждаю, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Прогнозируемый срок реализации - 1-ая половина XXI века.

А пока ученые трудятся над созданием медицинских нанороботов, журналисты и общественность спорят, могут ли наносенсоры повлиять губительно на организм человека? Ведь неизвестно как отреагирует организм на введенные в него чужеродные тела? Как выразился Эрик Дрекслер: «невидимое оружие всемирного переворота, покрывающие землю «серая слизь» (gray goo)». Короче говоря, крохотная причина конца света.

Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых?

Что такое нанотехнологии?

Прежде чем говорить о возможных рисках и перспективах нанотехнологий сначала надо сказать, что же это такое? Для этого понятия не существует исчерпывающего определения. «Нанотехнологии» - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Развитие нанотехнологии ведется в 3-ех направлениях:

Изготовление электронных схем размером с молекулу (атом);

Разработка и изготовление машин;

Манипуляция атомами и молекулами.

Что такое наномедицина?

«Наномедицина» - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас).

В настоящее время наномедицины пока не существует, есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине. Через несколько лет, когда уже, наконец, будет создан первый наноробот, знания накопленные наномедициной воплотятся в жизнь. А тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или избавитесь от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции в органах мы перейдем на операции на молекулах и таким образом стане «бессмертными».

Перспективы развития

Ученые из штата Мичиган утверждают, что с помощью нанотехнологий можно будет встраивать микроскопические датчики в кровяные клетки человека, которые будут предупреждать о признаках радиации или развития болезни. Так в США, по предложению NASA, ведется разработка таких наносенсоров. Джейм Бейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениями так перед стартом астронавт используя шприц для подкожных инъекций, вводят в кроваток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц на время полета он вставляет себе в ухо маленькое устройство (наподобие слухового аппарата). В течение полета это устройство будет использовать маленький лазер для поиска светящихся клеток. Это возможно, т.к. клетки проходят по капиллярам барабанной перепонки. По беспроводной связи информация клеток будет передаваться на главный компьютер космического корабля, а затем обрабатывается. В случае чего будут приниматься необходимые меры.

Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет.

А сейчас, сенсоры тоньше человеческого волоса могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных анализов ДНК. Американские ученые, разработавшие эти наносенсоры, полагают, что врачи смогут проводить целый спектр различных анализов, пользуясь лишь одной каплей крови. Одним из преимуществ этой системы является возможность моментально пересылать результаты анализа на карманный компьютер. Исследователи полагают, что на разработку полностью функциональной модели наносенсора, которым смогут воспользоваться врачи в повседневной работе, понадобиться около пяти лет.

С помощью нанотехнологий медицина сможет не только с любой болезнью, но и предотвращать ее появление, сможет помогать адоптации человека в космосе.

Могут ли влиять «устаревшие нанороботы» на человека?

Когда механизм завершит свою работу, нанодоктора должны будут удалять нанороботов из организма человека. Поэтому опасность того, что «устаревшие нанороботы», оставшиеся в теле человека будут работать неверно, очень мала. Нанороботы должны будут спроектированы так, чтобы избежать сбоев в работе и уменьшить медицинский риск. А как нанороботы будут удалены из тела? Некоторые из них будут способны к самоудалению из организма человека путем естественных каналов. Другие же будут спроектированы таким образом, чтобы их могли удалить медики. Процесс удаления будет зависеть от устройства данного наноробота.

Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами человека?

Считается, что первостепенной опасностью для пациента будет некомпетентность лечащего врача. Но ведь ошибки могут происходить и в неожиданных случаях. Одним из непредвиденных случаев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. Такие неисправности трудно будет определить. Иллюстрацией такого случая может служить работа двух видов нанороботов А и В в организме человека. Если наноробот А будет удалять последствия работы робота В, то это приведет к повторной работе А, и этот процесс будет продолжаться до бесконечности, то есть нанороботы будут исправлять работу друг друга. Чтобы таких ситуаций не возникало лечащий врач должен постоянно следить за работой нанороботов и в случае чего перепрограммировать их. Поэтому квалификация врача является очень важным фактором.

Как будет реагировать организм человека на нанороботы?

Как известно, наша иммунная система реагирует на чужеродные тела. Поэтому размер наноробота будет играть важную роль при этом, так же как шероховатость поверхности и подвижность устройства. Утверждается что проблема биосовместимости не очень сложна. Выходом из этой проблемы будет создание роботов на основе алмазоидных материалов. Благодаря сильной поверхностной энергии и алмазоидной поверхности и сильной ее гладкости внешняя оболочка роботов будет химически инертной.

Нанотехнологии, применяемые в медицине в последнее время

Уже сейчас нанотехнологии применяются в медицине. Основными областями ее применения являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплонтанты.

Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях:

У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей.

Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.

Еще одним революционным открытием является биочип - небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Вывод

Перспективы развития нанотехнологий с помощью нанотехнологий очень велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовоспроизводства нанороботов толстый слой «серой слизи» может покрыть всю Землю,- являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными. Как я поняла в процессе написания своей работы, нанотехнология является той областью науки, которая подвергается жесточайшей критике, прежде чем вводит какие-либо новшества. Правдива ли эта критика или нет я судить не могу.

Ученые NASA говорят, что они успешно проводили испытания нанороботов на животных. Но стоит ли этому верить? Каждый решает это сам для себя. Лично я считаю, что использование, например, таких нанотехнологий как наносенсоры может иметь рискованный характер. Ведь любая даже самая простейшая система может давать сбои, что уж тогда говорить о таких передовых технологиях, как нанороботы? И кроме того надо учитывать индивидуальные физиологические особенности каждого человека.

И так, перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Но вот о рисках ученые NASA ничего не говорят. Есть только бесчисленные статьи в желтой прессе о том, что люди под воздействием нанороботов станут неуправляемыми как зомби.

Я думаю, что возможные риски будут сопоставимы с перспективами. Так что общественности надо больше уделять внимания этому вопросу. Чтобы ученые не только рассматривали «обе стороны монеты», но и ставили общество в известность об этом.

По каноническому определению ведущего учёного в данной области Р. Фрайтаса наномедицина это: слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры". В действительности, наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, даст результат. Но научное проектирование и прогнозирование тоже очень важная и нужная вещь. Через несколько десятков лет, когда уже, наконец, будет работать первый ассемблер (наноробот-сборщик), знания, накопленные наномедициной, воплотятся в жизнь.

А тогда...

Представьте себе, что вы подхватили грипп (то есть вы даже еще НЕ знаете, что его подхватили). Тут же среагирует система искусственно усиленного иммунитета - десятки тысяч нанороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внутренней базой данных) вирус гриппа и за считанные минуты ни одного вируса у Вас в крови не будет!

Или...

У Вас начался ранний атеросклероз и искусственные клетки начинают чистить механическим и химическими путями Ваши сосуды.

А потом у Вас...

Началась, из-за дефекта в цепочке ДНК, самая обыкновенная генетическая болезнь - Вы начали... быстро стареть! Тут действует система посложнее - компьютеры, расположенные у Вас в организме начинают анализ информации. Почему Вы стареете? И, если не могут разрешить этого вопроса с помощью своих баз данных и алгоритмов запрашивают Центральный Медицинский компьютер где-то под землей или на ближайшем спутнике. Как только найдена "поломка" в Вашей ДНК и выделен белок, ответственный за старение, начинается глобальная операция - тысячи ДНК-ремонтеров, протягивая Вашу ДНК через свои анализаторы вырезают "ген старения". И старение коснется лишь 2-3 поколений клеток. Не нужно при этом говорить, что совместно с этим происходит полное обновление всех клеток Вашего организма, а Вы всегда выглядите на 20-30 лет.

Так из оборонительной, медицина станет наступательной и даже упреждающей.

Нанороботы будут способны ремонтировать клетки. Снабжённые полным описанием человеческого тела с точностью до атома они смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операций на органах мы перейдём к операциям на молекулах и станем практически бессмертными. Крионированные найдут свое воскрешение – миллионы роботов смогут восстановить разрушенные в процессе замораживания клетки (см. рис. 1).

рис. 1. Нанороботы, восстанавливающие поврежденный синапс.

Теперь подробнее о нанороботах – основной лечащей силе наномедицины. Типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота микронного (мкм) размера, собранного из наночастей. Эти части будут варьироваться от 1 до 100 нм (1 нм = 10-9 м), и будут должны составлять работоспособную машину, размерами около 0.5-3 мкм (1 мкм = 10-6 м) в диаметре. Три микрона – максимальный размер для медицинских нанороботов кровотока, т.к. это минимальный размер капилляров.

Невозможно сказать сейчас, как будет выглядеть универсальный наноробот. Нанороботы, предназначенные для путешествий внутри человеческого кровотока, возможно, будут иметь размер 500-3000 нм. Нанороботы, находящиеся в тканях, могут быть размерами от 50 до 100 мкм. А наноустройства, функционирующие в бронхах, могут быть еще больше. Каждый тип медицинского наноробота будет разработан под необходимые условия, и, поэтому, возможны разные их размеры и формы.

Очень простой наноробот, которого разработал Роберт Фрайтас несколько лет назад - искусственная красная кровеносная клетка, названная «респироцитом». Размер респироцита – 1 микрон в диаметре и он просто протекает в кровотоке. Это сферический наноробот, изготовленный из 18 биллионов атомов. Эти атомы, в основном, - углерод, с кристаллической решеткой алмаза, образующие сферическую оболочку механизма (см. рис. 2, 3).

Респироцит, по сути дела, - гидропневмоаккамулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 биллионов молекул кислорода (O2) и молекул диоксида углерода (CO2). Позже, эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер. (Респироциты могут быть изготовлены невоспламеняющимися благодаря оболочке из сапфира, негорючего и материала со свойствами, близкими к алмазоиду).

Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29160 молекулярными сортирующими роторами (E. Drexler, «Nanosystems», стр. 374), которые могут нагнетать и выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, парциальное давление O2 выше, чем CO2, поэтому бортовой компьютер говорит сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO2. Когда устройство определит свое местоположение в тканях, бедных кислородом, произойдет обратная процедура: так как парциальное давление CO2 относительно высокое, а парциальное давление O2 низкое, то роторы будут нагнетать CO2, выпуская O2.

Респироциты подражают естественным функциям эритроцитов, наполненных гемоглобином. Но респироцит может переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Этот наноробот намного более эффективен естественного, благодаря исключительной прочности алмазоида, позволяющего поддерживать внутри устройства высокое давление. Рабочее давление красной кровяной клетки – 0.51 атм, при этом только 0.13 атм доставляется тканям. Таким образом, инъекция 5 см3 дозы 50% раствора респироцитов в кровоток сможет заменить несущую способность 5400 см3 крови пациента (то есть ее всю)!

рис. 3. Респироциты в сравнении с красными кровяными тельцами.

Респироциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменить их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться. Позже, врач может дать команду о включении.

Что будет, если добавить 1 литр респироцитов в ваш кровоток (это максимально безопасная доза)? Вы теперь можете задерживать дыхание на 4 часа, спокойно находясь при этом под водой. Или, если вы спринтер, и бежите на предельной скорости, то можете задержать дыхание на 15 минут до следующего вдоха!

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

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

Когда планы и мечты воплотятся в жизнь?

По-видимому тогда, когда будет создан первый наноманипулятор, полностью управляемый человеком или программируемый компьютером. Пока его создание планируется на 2050 год. Потом на базе наноманипулятора, и уже готового к тому времени нанокомпьютера, можно будет сделать первый наноробот, способный собирать любые вещи. Но первым объектом, который он произведет, будет он сам! Затем эти двое снова скопируют себя, и так далее до тех пор, пока мы не получим достаточное количество нанороботов для создания нами всего задуманного, вообще всего, что не противоречит законам природы. Итак, середина нашего века - время, до которого нам необходимо дожить! Тогда станет возможным почти всё, на что только способно человеческое воображение. Тогда главной проблемой будет понять то, чего же мы на самом деле хотим от человеческой жизни.

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.

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

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

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

Супер наука. Нанотехнологии. Южная Корея

История нанотехнологий

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

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

Нанотехнологии. Невидимая революция

Нанороботы в медицине

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

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

Сейчас в наномедицине приоритетными являются такие направления:

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

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

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

Нанотехнологии для жизни

Нанороботы в третьей мировой войне

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

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

Нанороботы являются одним из краеугольных камней современного фантастического кино и литературы

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