Нанотехнологія мікроскопічних "ангелів" майбутнього

"Нанотехнологія" - це спільний термін для наномасштабні технологічні розробки. У широкому розумінні нанотехнологія - це будь-яка технологія, кінцевим результатом якої є нанометричність: дрібні частинки, хімічний синтез, вдосконалена мікролітографія тощо. У вузькому розумінні, нанотехнологія - це будь-яка технологія, яка базується на здатності будувати складні конструкції, дотримуючись специфікацій на атомному рівні та використовуючи механічний синтез. Нанометричні структури не тільки дуже малі, досягаючи навіть атомних масштабів у своїй конструкції, але вони мають деякі абсолютно особливі та несподівані властивості, порівняно з особливостями тієї ж речовини, взятої на макроскопічному рівні.

Лікарі часто стикаються з проблемою проведення складних мікрохірургічних операцій з відновлення судин, для трансплантації тканин або для повторного кріплення відрізаних кінцівок. Оскільки такі процедури дуже складні, хірургічне втручання рідко виявляється оптимальним рішенням, маючи занадто інвазивний характер і достатньо обмежень. Однак незабаром медична система і особливо хірургічна система можуть змінити свій підхід, звернувшись до нанотехнологія, яка дозволить виконувати найкрутіші медичні завдання за допомогою дистанційного керування крихітними робототехнічними механізмами, здатні подорожувати людським тілом, діагностувати захворювання та лікувати їх.

В університеті Тонхуку в Японії інженер Казуші Ішіяма та його дослідницька група розробили невеликі електронні обертові спіралі, здатні плавати по рідині найтонших органічних вен. За потреби ці пристрої можуть навіть проникати через певні пухлини для їх придушення та доставляти медичні речовини до певних тканин та органів. Завдяки своїм невеликим розмірам, наноботи можна вводити в організм за допомогою стандартного шприца для підшкірної голки, як тільки ви потрапите в систему, реагуючи на імпульси, що діють на магнітне поле та пульт дистанційного керування. Ішіяма вважає, що ці пристрої та подібні до них виявляться надзвичайно ефективними з медичної точки зору, особливо з точки зору видалення пухлин головного мозку, які дуже важко оперувати класичним способом.

Замість того, щоб покладатися на використання магнітного поля для координації рухів нанороботів, інші дослідники створюють подібні пристрої для діагностики та лікування певних станів, але рухаються через тіло крихітними двигунами.

Доктор Джеймс Френд та його команда інженерів-механіків з університету Монаш в Австралії вже створили водний двигун розміром з кристал солі та проведіть ретельні дослідження, щоб отримати менший розмір, еквівалентний товщині людського волосся. Принцип роботи двигуна натхненний руховим стилем травної бактерії Eschierichia coli (E coli), яка використовує маленькі щупальця для плавання по тілу. Таким чином, обертальний двигун обертає на одному його кінці невеликі висновки (як круглі хвости), які, перебуваючи в середовищі з рідиною, пробивають собі шлях через нього. Частота обертання двигуна - 100 000 оборотів в секунду.

Але інші мікророботи, створені сьогодні, - це більше, ніж просто машини. Кілька науково-дослідних інститутів брали участь у створенні злиття між органічними, живими тканинами та неорганічними компонентами, щоб створити гібридні пристрої, які є частиною механізмів, частково організмів.. Першими подібними винаходами були самозбірні мікроскопічні роботи, що працюють від серцевого м’яза і створені інженерами з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA).

Кожен мікронний робот складається із золотого містка, з'єднаного з оболонкою серцевого м'яза, вирощеного з клітин миші, який, потрапляючи в організм, витягує глюкозу з крові для отримання енергії, необхідної для руху. Щоб протестувати мікроскопічних роботів, дослідники занурили їх у розчин цукру та білка, що імітує внутрішні умови організму. Оскільки електричні імпульси діяли на них, як стискаючи та розслабляючи міокарту, можна було помітити, як мікроробот просувається вперед. Ці гібридні сутності можуть бути використані в мікрохірургії, наприклад, для видалення артеріальних бляшок.. Технологія також дозволяє створювати нові кінцівки або пальці для тих, кому ампутували, дозволяючи молодим м’язовим клітинам рости над штучними кістками, встановленими на тілі.

Однак дослідження та прогрес все ще перебувають у початковій фазі у цьому напрямку та передбачають подолання багатьох проблем. Роботи, створені вченими UCLA, можуть рухатися односпрямовано і їх важко контролювати. Таким чином, в даний час експерти досліджують можливість використання скелетних м’язів замість м’язів міокарда для вільного руху наноботів: серцевий м’яз рухається у своєму власному темпі, і це обмежує рухові можливості мікроскопічних приладів.

Використання електроенергії для стимулювання скелетних м’язів може дозволити дослідникам увімкнути або вимкнути роботів за бажанням і розширити їх використання за допомогою невеликих джерел живлення або міні-генераторів, таких як ті, що живлять комп’ютерні чіпи.

У випадку з університетом Монаш в Австралії, побудовані пристрої занадто великі, щоб дозволити їм вільно пересуватися людським тілом, будучи просто занадто довгим, щоб безпечно орієнтуватися через деякі найвужчі повороти судин, з ризиком щоб їх заблокувати. За словами доктора Френда, майбутні досягнення в галузі нанотехнологій можуть бути зумовлені посиленням співпраці між різними дисциплінами, такими як інженерія та медицина. "Я вважаю, що з плином часу дослідники зрозуміють, що галузі знань однієї галузі досліджень недостатньо для повного розуміння образу складного явища в наномасштабі, і, безумовно, будь-якої більш всеохоплюючої системи, яка може використовувати нанотехнології. ", - стверджує він.

Мікрокосм підкорює макросвіт

Що стосується чергового "гігантського стрибка" у дослідженні космосу, NASA мислить у невеликому, навіть дуже малому масштабі. У своїх лабораторіях, NASA інтенсивно підтримує процвітаючу науку нанотехнологій. Основна ідея цієї діяльності - навчитися керуванню речовиною в атомних масштабах - можливість контролювати окремі атоми та молекули з метою проектування машин з молекулярними розмірами, вдосконаленого електронного обладнання та "розумних" матеріалів. Якщо глядачі мають рацію, нанотехнологія може призвести до роботів, які поміщаються між складками відбитків пальців, до самовідновлюваних матеріалів, космічні ліфти та інші дивовижні пристрої. Деякі з цих речей можуть зайняти багато років, тоді як інші сьогодні формуються в лабораторіях.

вони мають в 100 разів міцність сталі при розтягуванні, але лише одну шосту їх ваги
вони в 40 разів міцніше графітових волокон
вони мають вищу провідність, ніж мідь
вони можуть бути як провідниками, так і напівпровідниками, залежно від розташування атомів
вони є чудовими теплопровідниками

Значна частина досліджень нанотехнологій у всьому світі зосереджена на цих нанотрубках. Вчені запропонували їх використовувати в широкому діапазоні застосувань, від використання їх як молекулярних проводів для наноелектроніки, до великої потужності та низької ваги кабелів, необхідних для космічного ліфта. Дослідники намагаються отримати від наноматеріалів можливість використання їх для вдосконаленої підтримки життя, при розробці суперкомп'ютерів та мініатюрних датчиків для хімічних речовин. Мініатюрні датчики можуть виявляти до декількох частин мільйона хімічних речовин, таких як отруйні гази, що робить їх корисними як для вивчення космосу, так і для питань національної безпеки.

Якщо ці короткочасні використання нанотехнологій здаються вражаючими, довгострокові можливості справді вражають. Інститут перспективних концепцій NASA (ICA) був спеціально створений для сприяння фантастичним дослідженням космічних технологій, на здійснення яких піде від 10 до 40 років.. Наприклад, ICA заснувала техніко-економічне обґрунтування виробництва наномасштабу - іншими словами, використання великої кількості молекулярно-мікроскопічних машин для отримання будь-якого об'єкта шляхом складання його атом за атомом. Така "наноткань" може виробляти, наприклад, компоненти космічного літака з атомною точністю, кожен атом у кожному об'єкті знаходиться там, де йому належить. Отриманий компонент буде надзвичайно твердим, і його форма буде відхилятися від ідеального дизайну лише з товщиною атома. Надзвичайно дрібні поверхні не потребують полірування або змащування і практично не потерпають від плям або подряпин з часом. Така висока точність і стійкість компонентів літальних апаратів є більш ніж модою, коли йдеться про життя астронавтів.

Однак, натхненний біологією, Константінос Мавроїдіс, директор Лабораторії комп'ютеризованої біонанороботики Північно-Східного університету в Бостоні, вивчає альтернативу нанотехнологічному підходу: замість того, щоб починати з нуля, концепції Мавроїдіса взаємодіють "молекулярно-функціональні машини, вже існуючі, які можна знайти в живих клітинах: молекули ДНК, білки, ферменти тощо.

Утворені еволюцією протягом мільйонів років, ці біологічні молекули вже добре пристосовані до маніпуляцій з речовиною в молекулярному масштабі, саме тому рослина може поєднувати повітря, воду і грунт для отримання червоної і соковитої полуниці, а людське тіло може перетворити вчорашню вечерю на нові еритроцити сьогодні. Перегрупування атомів, що робить це можливим, здійснюється сотнями спеціалізованих білків та ферментів, а ДНК зберігає код для їх виробництва.

Використання цих «заздалегідь побудованих» молекулярних машин або використання їх як відправних точок для нових конструкцій - популярний підхід до нанотехнологій, який називається «біо-нанотехнологія». "Навіщо винаходити колесо?" Природа подарувала нам всю цю чудову та вишукану нанотехнологію в живих організмах, то чому б не використовувати її та не намагатися не вчитися на ній? ", - додає Мавроїдіс.

Конкретне використання біо-нанотехнологій, яке Мавроїдіс пропонує у своєму дослідженні, дуже футуристичне. Ідея стосується отримання своєрідної «павутинки» із трубочок товщиною волосся, зібрані з біо-нанотехнологічними датчиками на тисячах кілометрів суші методом детального картографування навколишнього середовища деяких чужих планет. Інша запропонована концепція - це "друга шкіра" для астронавтів, яку слід носити під скафандрами, яка використовує біо-нанотехнологію, щоб відчувати та реагувати на випромінювання, що проникає в костюм, швидко ущільнюючи подряпини або порушення.

Футуристичний? Звичайно? Можливо? Можливо. Мавроїдіс визнає, що до таких технологій, швидше за все, залишилося десятиліття, і що технологія далекого майбутнього буде сильно відрізнятися від тієї, яку ми уявляємо сьогодні. Однак він вважає важливим почати думати вже зараз про те, що нанотехнології можуть зробити можливим через багато років.