Нанотехнология на микроскопичните "ангели" на бъдещето

"Нанотехнологии" е общ термин за наномащабни технологични разработки. В широк смисъл нанотехнологията е всяка технология, чийто краен резултат е нанометричен: фини частици, химичен синтез, усъвършенствана микролитография и др. В тесен смисъл, нанотехнологията е всяка технология, която се основава на способността за изграждане на сложни структури, спазвайки спецификациите на атомно ниво и използвайки механичен синтез. Нанометричните структури са не само много малки, достигайки дори атомния мащаб в своя дизайн, но те притежават някои напълно специални и неочаквани свойства, в сравнение с характеристиките на същото вещество, взети на макроскопично ниво.

Лекарите често се сблъскват с проблема с извършването на сложни микрохирургични операции за възстановяване на кръвоносни съдове, за трансплантация на тъкани или за повторно закрепване на отрязаните крайници. Тъй като подобни процедури са много сложни, хирургията рядко се оказва оптималното решение с твърде инвазивен характер и достатъчно ограничения. Скоро обаче медицинската система и особено хирургичната система биха могли да променят своя подход, като се обърнат към нано технология, която ще позволи изпълнението на най-лъскавите медицински задачи чрез дистанционно управление на малки роботизирани механизми, способни да пътуват през човешкото тяло, да диагностицират заболявания и да ги лекуват.

В университета Тонхуку в Япония инженерът Казуши Ишияма и неговата изследователска група са проектирали малки електронни въртящи се спирали, способни да плуват през течността на най-тънките органични вени. Ако е необходимо, тези устройства могат дори да проникнат в определени тумори, за да ги потиснат и да доставят медицински вещества до определени тъкани и органи. Благодарение на малкия си размер, наноботите могат да се инжектират в тялото с помощта на стандартна спринцовка за подкожна игла, след като влезете в системата, реагирайки на импулсите, упражнявани от магнитно поле и дистанционно управление. Ишияма вярва, че тези устройства и подобни на тях ще се окажат изключително ефективни от медицинска гледна точка, особено по отношение на премахването на мозъчни тумори, които са много трудни за работа по класическия начин.

Вместо да разчитат на използването на магнитно поле за координиране на движенията на нанороботите, други изследователи създават подобни устройства за диагностика и лечение на определени състояния, но задвижвани през тялото с малки двигатели.

Д-р Джеймс Френд и неговият екип от машинни инженери от университета Monash в Австралия вече са изградили воден мотор с размер на кристал сол и проведете задълбочени изследвания, за да получите по-малък размер, еквивалентен на дебелината на човешката коса. Принципът на двигателната работа е вдъхновен от двигателния стил на храносмилателната бактерия Eschierichia coli (E coli), която използва малки пипала, за да плува през тялото. По този начин ротационният мотор върти малки крайни издатини в единия му край (като кръгли опашки), които, когато са в течна среда, прорязват пътя си през него. Оборотите на двигателя са 100 000 оборота в секунда.

Но други микророботи, създадени днес, са нещо повече от машини. Няколко изследователски института са участвали в създаването на сливане между органични, живи тъкани и неорганични компоненти, за да създадат хибридни устройства, които са частични машини, частични организми.. Първите подобни изобретения са самосглобяеми микроскопични роботи, задвижвани от сърдечен мускул и създадени от инженери от Калифорнийския университет в Лос Анджелис (UCLA).

Всеки микронен робот е съставен от златен мост, свързан с обвивка от сърдечен мускул, отглеждан от клетки на мишка, който, когато се освободи в тялото, извлича глюкоза от кръвта, за да получи енергията, необходима за движение. За да тестват микроскопичните роботи, изследователите ги потопиха в разтвор на захар и протеин, който имитира вътрешните условия на тялото. Тъй като електрическите импулси действаха върху тях като свиване и отпускане на миоркарта, микророботът можеше да бъде видян да напредва. Тези хибридни образувания имат потенциал да бъдат използвани в микрохирургията, например за отстраняване на артериални плаки.. Технологията също така позволява създаването на нови крайници или пръсти за тези, които са били ампутирани, позволявайки на младите мускулни клетки да растат над изкуствените кости, монтирани върху тялото.

Въпреки това, изследванията и напредъкът все още са в пионерската фаза в тази посока и включват преодоляване на много проблеми. Роботите, създадени от учени от UCLA, могат да се движат еднопосочно и са трудни за контрол. Като такива, специалистите в момента изследват възможността за използване на скелетни мускули вместо миокарден мускул за свободно движение на наноботове: сърдечният мускул се движи със собствено темпо и това ограничава двигателните възможности на микроскопичните устройства.

Използването на електричество за стимулиране на скелетните мускули може да позволи на изследователите да включват или изключват роботи по желание и да разширят използването им с малки източници на енергия или мини-генератори като тези, които захранват компютърни чипове.

В случая с университета Monash в Австралия, построените устройства са твърде големи, за да им позволят да се движат свободно през човешкото тяло, като са просто твърде дълги, за да се движат безопасно през някои от най-тесните завои на кръвоносните съдове, с риск да ги блокира. Според д-р Френд, бъдещите постижения в областта на нанотехнологиите могат да бъдат обусловени от засилено сътрудничество между различни дисциплини, като инженерство и медицина. „Вярвам, че с течение на времето изследователите ще разберат, че областта на знанието на една-единствена област на изследване е недостатъчна, за да се разбере напълно образа на сложния феномен в нано мащаб и със сигурност тази на всяка по-всеобхватна система, която би могла да използва нанотехнологиите. ", Той твърди.

Микрокосмосът завладява макрокосмоса

Що се отнася до следващия "гигантски скок" в изследването на космоса, НАСА мисли в малък, дори много малък мащаб. В лабораториите му, НАСА усилено подкрепя процъфтяващата наука за нанотехнологиите. Основната идея на тази дейност е да се научи управлението на материята в атомен мащаб - способността да се контролират отделни атоми и молекули, за да се проектират машини с молекулни размери, усъвършенствано електронно оборудване и "интелигентни" материали. Ако зрителите са прави, нанотехнологиите могат да доведат до роботи, които пасват между гънките на пръстовия отпечатък, до саморегенериращи се материали, космически асансьори и други невероятни устройства. Някои от тези неща могат да отнемат много години, докато други се оформят в лаборатории днес.

те имат 100 пъти якостта на опън на стомана, но само една шеста от теглото си
те са 40 пъти по-здрави от графитните влакна
те имат по-висока проводимост от медта
те могат да бъдат както проводници, така и полупроводници, в зависимост от разположението на атомите
те са отлични топлопроводници

Голяма част от изследванията на нанотехнологиите по целия свят се фокусират върху тези нанотръби. Учените са предложили използването им в широк спектър от приложения, от използването им като молекулярни проводници за нано електроника, до голямата мощност и ниското тегло на кабелите, необходими за космически асансьор. Изследователите се опитват да получат от наноматериали възможността да ги използват в напреднала подкрепа на живота, в разработването на суперкомпютри и миниатюрни сензори за химикали. Миниатюрните сензори могат да открият до няколко части от милион химикали, като токсични газове, което ги прави полезни както за изследване на космоса, така и за националната сигурност.

Ако тези краткосрочни приложения на нанотехнологиите изглеждат впечатляващи, дългосрочните възможности са наистина смайващи. Институтът за усъвършенствани концепции на НАСА (ICA) е създаден специално за насърчаване на визионерско изследване на космическите технологии, което ще отнеме 10 до 40 години, за да се осъществи.. Например ICA основава проучване за осъществимост на производството на наномащаби - с други думи, използването на голям брой молекулярно-микроскопични машини за производство на всеки обект чрез сглобяването му атом по атом. Такава „нанофабрика“ може да произвежда например космически компоненти на летателния апарат с атомна точност, като всеки атом във всеки обект се намира там, където му е мястото. Полученият компонент би бил изключително твърд и формата му би се отклонила от идеалния дизайн само с дебелина на атома. Ултра фините повърхности не биха изисквали полиране или смазване и не биха понели на практика никакви петна или драскотини с течение на времето. Такава висока точност и устойчивост на компонентите на самолета са повече от мода, когато животът на астронавтите е заложен.

Вдъхновен от биологията, Константинос Мавроидис, директор на Лабораторията за компютъризирана бионанороботика в Североизточния университет в Бостън, проучва алтернатива на нанотехнологичния подход: вместо да започне от нулата, концепциите на Мавроидис се ангажират "предварително съществуващи молекулярни функционални машини, които могат да бъдат намерени в живите клетки: ДНК молекули, протеини, ензими и др.

Образувани от еволюция в продължение на милиони години, тези биологични молекули вече са добре адаптирани към манипулирането на материята в молекулярен мащаб, поради което растението може да комбинира въздух, вода и почва, за да произведе червени и сочни ягоди и човешкото тяло може да превърне снощната вечеря в новите червени кръвни клетки днес. Пренареждането на атомите, което прави тези неща възможно, се извършва от стотици специализирани протеини и ензими, а ДНК съхранява кода за тяхното производство.

Използването на тези „предварително изградени“ молекулярни машини или използването им като отправна точка за нови проекти е популярен подход към нанотехнологиите, наречен „био-нанотехнологии“. „Защо да преоткриваме колелото?“ Природата ни е дала цялата тази прекрасна и изискана нанотехнология в живите организми, така че защо да не я използваме и да не се опитаме да се поучим от нея? ”, Добавя Мавроидис.

Специфичните приложения на бионанотехнологиите, които Мавроидис предлага в своето изследване, са много футуристични. Идеята се отнася до получаване на един вид „паяжина“ от тръби с дебелината на косъма, сглобени с био-нанотехнологични сензори върху хиляди километри земя, по метод за подробно картографиране на околната среда на някои извънземни планети. Друга предложена концепция е "втора кожа", която астронавтите да носят под космически костюми, която би използвала био-нанотехнологии, за да усети и реагира на радиация, проникваща в костюма, като бързо запечатва всякакви драскотини или пробиви.

Футуристичен? Със сигурност? Възможен? Може би. Мавроидис признава, че подобни технологии най-вероятно са на десетилетия и че технологията от далечното бъдеще ще бъде много по-различна от тази, която си представяме днес. Той обаче смята, че е важно да започнем да мислим за това, което нанотехнологиите биха могли да направят възможно след много години.