Наноробототехника
Нанороботика (англ. nanorobotics), также нередко называемая наноидной робототехникой, — это новая область технологий, связанная с созданием машин и роботов (называемых нанороботами, наноботами, наноидами, нанитами, наномашинами и наномитами), компоненты которых имеют размеры около одного нанометра (10−9 метра)[1][2][3]. Более конкретно, нанороботика (в отличие от микророботики) относится к инженерной дисциплине нанотехнологии, занимающейся проектированием и сборкой нанороботов из устройств размером от 0,1 до 10 микрометров, изготовленных из наноразмерных или молекулярных компонентов[4][5]. Подобные устройства сегодня преимущественно находятся на стадии исследований и разработок[6], однако уже опробованы простейшие молекулярные машины и наномоторы. Предполагается, что первые практически полезные применения наномашин будут связаны с наномедициной[7], например, для идентификации и уничтожения раковых клеток[8].
Существует и более формальное определение: наноробот — это робот, обеспечивающий высокоточные манипуляции с объектами на наноуровне или способный позиционироваться с наноразрешением[9]. С такой точки зрения, даже атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботизированным инструментом при соответствующей конфигурации.
История и развитие идеи
«Проглотить хирурга»
Согласно Ричарду Фейнману, именно его бывший аспирант и соавтор Альберт Хиббс около 1959 года впервые предложил медицинское применение гипотетических микромашин Фейнмана (см. биологическая машина): Хиббс допустил возможность, что однажды машины можно будет уменьшить настолько, что станет возможно (как выразился Фейнман) «проглотить хирурга»[10]. Эта идея вошла в его эссе «Там, внизу, полно места» (1959).
В научной фантастике и обсуждениях «серого слизи» часто фигурируют сценарии, где нанороботы могут самостоятельно размножаться или действовать коллективно (так называемые «рои нанороботов»). Современные исследователи-нанотехнологи, учитывая опасения по поводу неконтролируемого размножения, отмечают, что разрабатываемые ими системы, как правило, не предусматривают это свойство[11][12].
Детальный теоретический разбор проблем нанороботики в медицинских приложениях — в том числе вопросов сенсорики, питания, навигации, локомоции и вычислений на борту — представлен Робертом Фрейтасом[13][14].
Правовые и этические вопросы
Открытые технологии
В адрес Генеральной Ассамблеи ООН был направлен документ с предложением развивать нанобиотехнологии на принципах открытого проектирования, аналогично аппаратному обеспечению с открытым исходным кодом и программному обеспечению[15].
Гонка нанороботов
Так же, как ранее исследования и разработки приводили к гонке вооружений и космической гонке, сегодня развернулась гонка за совершенствование нанороботов[16]. Крупные корпорации, такие как General Electric, Hewlett-Packard, Synopsys, Northrop Grumman и Siemens, инвестируют в исследования нанороботики[17]. Ведущие университеты получают государственное финансирование на медицинские приложения нанотехнологий, а банковский сектор вкладывает средства в ожидаемые коммерческие права. Правовые аспекты и патентные споры вокруг нанороботов уже проявились на практике[18].
Подходы к изготовлению
Создание наномашин из молекулярных компонентов — чрезвычайно сложная инженерная задача. Для её решения применяются мультидисциплинарные методы, среди которых:
Биочипы
Объединение достижений наноэлектроники, фотолитографии и современных биоматериалов позволяет создавать устройства для применений в хирургии, диагностике и доставке лекарств[19]. С 2008 года подобные методы используются в электронной промышленности.
Нуботы
Нуклеиновый робот («нубот») — органическая молекулярная машина на наноуровне. Структура ДНК позволяет формировать двумерные и трёхмерные нано-устройства и машины, активируемые взаимодействиями с другими молекулами[20].
Привязанные к поверхности системы
Есть примеры закрепления синтетических молекулярных моторов на поверхностях, что позволяет создавать конвейерные наноустройства[21].
Позиционная наносборка
Проект Nanofactory Collaboration, основанный Робертом Фрейтасом и Ральфом Меркле, занимается разработкой позиционно-управляемой механосинтезы из алмазоидов, включая медицинские устройства из них.
Биогибриды
Био-гибридные наносистемы используют как биологические, так и синтетические компоненты (например, ДНК, белки, наноструктурированные детали) для робототехнических и биомедицинских задач[22].
На основе бактерий
Некоторые проекты используют лабораторную модификацию бактерий (например, Escherichia coli) в качестве микродвигателей, управляемых электрическими или магнитными полями[23].
На основе вирусов
Некоторые работы используют ретровирусы для доставки генетического материала внутрь клеток — данный процесс применяется, например, в ретровирусной генной терапии.
Магнитные винтовые нанороботы
Исследования привели к созданию винтовых наночастиц, покрытых магнитным материалом и управляемых вращающимся магнитным полем[24]. Такие нанороботы способны двигаться по крови и применять свои свойства для доставки лекарств нацелено.
3D-печать
Микро- и наноструктуры для нанороботов могут изготавливаться с помощью трёхмерной печати с использованием фотополимерных смол и точечной лазерной полимеризации, что позволяет создавать сложные трехмерные формы с подвижными частями[25].
Трудности конструирования нанороботов
При проектировании и сборке наномашин с движущимися частями приходится преодолевать целый ряд проблем: необходимы инструменты и манипуляторы с высочайшим разрешением, а также учёт специфики адгезии и трения на наноуровне — масштабирование макроскопических механизмов часто неприменимо из-за того, что узлы просто прилипают друг к другу[26].
Несмотря на бурное развитие, нанороботы, разрабатываемые для доставки лекарств, всё ещё далеки от коммерческого применения[27][28].
Потенциальные применения
Наномедицина
Области применения нанороботики в медицине включают раннюю диагностику и адресную доставку лекарств при раке[29], разработку новых средств инструментальной хирургии, мониторинг диабета, фармакокинетику и контроль дозирования, а также лечение инфекций и воспалительных процессов[8]. Так, наночастицы с прикреплёнными РНК-цепями, наполненные химиопрепаратом, могут адресно атаковать опухолевые клетки[30].
Впервые работоспособность искусственного наномотора в живом организме была продемонстрирована в 2014 году сотрудниками Калифорнийского университета в Сан-Диего[31]. Существенные успехи связаны с дистанционно управляемыми наночастицами для мониторинга и/или адресной терапии[32].
Магнитные нанороботы демонстрируют перспективы борьбы с трудноустранимыми бактериальными инфекциями, включая дезинфекцию корней зубов.
В культуре
Нанороботы и наноботы фигурируют во множестве произведений массовой культуры — от сериалов («Таинственный театр 3000 года», «Странные странствия», «Звёздный путь», «Звёздные врата») до видеоигр («Destiny», «Metal Gear», «Deus Ex»), где используются сценарии автономных нанорепликаторов, наномедицины и управления организмом на молекулярном уровне.
См. также
Примечания
Литература
- Haken, Hermann. Synergetic Agents: From Multi-Robot Systems to Molecular Robotics / Hermann Haken, Levi Paul. — Weinheim, Germany : Wiley-VCH, 2012. — ISBN 978-3-527-41166-5.