Наноробот

Наноро́боты, или нанобо́ты, — роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Нано-шестерня

Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами[1][2]. Такие наномашины обоснованы в известном выступлении Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» 1959 года. В 1986 году Эрик Дрекслер, рассматривая возможности их создания в книге «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии», ввёл термин «наноробот».

Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.

Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит»[3] и «наноген», однако, технически правильным термином в контексте серьёзных инженерных исследований все равно остается первый вариант.

Теория нанороботов

Так как нанороботы имеют микроскопические размеры, то их, вероятно, потребуется очень много для совместной работы в решении микроскопических и макроскопических задач. Рассматривают стаи нанороботов, которые не способны к репликации (т. н. «утилитарный туман») и которые способны к самостоятельной репликации в окружающей среде («серая слизь» и др. варианты).

Некоторые сторонники нанороботов в ответ на сценарий «серой слизи» высказывают мнение о том, что нанороботы способны к репликации только в ограниченном количестве и в определённом пространстве нанозавода. Кроме того, ещё только предстоит разработать процесс саморепликации, который сделает данную нанотехнологию безопасной. Кроме того, свободная саморепликация роботов является гипотетическим процессом и даже не рассматривается в текущих планах научных исследований.

Однако, имеются планы по созданию медицинских нанороботов, которые будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи на наноуровне. Такие нанороботы не могут быть получены в ходе самостоятельного копирования, так как это вероятно приведет к появлению ошибок при копировании, которые могут снизить надежность наноустройства и изменить выполнение медицинских задач. Вместо этого нанороботов планируется изготавливать на специализированных медицинских нанофабриках.

Конструкция нанороботов
молекулярный пропеллер

В связи с развитием направления научных исследований нанороботов, сейчас наиболее остро стоят вопросы их конкретного проектирования. Одной из инициатив по решению этой проблемы является «Сотрудничество по разработке нанофабрик»[4] , основанное Робертом Фрайтасом и Ральфом Меркле в 2000 году, деятельность которого сосредоточена на разработке практической программы исследований[5], которая направлена на создание контролируемой алмазной механосинтетической нанофабрики, которая будет способна к производству медицинских нанороботов на основе алмазных соединений.

Для этого разрабатываются технологии зондирования, управления силовыми связями между молекулами и навигации. Создаются проекты и прототипы инструментария для манипуляций, двигательного аппарата (молекулярные моторы) и «бортового компьютера».

Двигательный аппарат
Основная статья: Молекулярные моторы
молекулярный мотор

Молекулярные двигатели — наноразмерные машины, способные осуществлять вращение при приложении к ним энергии. Главной особенностью молекулярных моторов являются повторяющиеся однонаправленные вращательные движения происходящие при подаче энергии. Для подачи энергии используются химический, световой метод, а также метод туннелирования электронов.

Кроме молекулярных двигателей, создаются также наноэлектродвигатели, сходные по конструкции с макроскопическими аналогами[6], проектируются двигатели, принцип работы которых основывается на использовании квантовых эффектов[7]. Также создаются нанодвигатели, работающие на воде[8].

Наномобиль

Наномобилем называется простейший наноробот, состоящий из одной[9] или нескольких молекул[10], способный самостоятельно передвигаться. Источником энергии служит подаваемый извне электрический ток[11]. Первые в истории гонки наномобилей прошли в 2017 году[12].

Способы создания

3D-печать

3D-печать это метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. 3D-печать в наномасштабе по сути является тем же самым, но в намного меньшем масштабе. Для того чтобы напечатать структуру в масштабе 5-400 микрометров, точность сегодняшних 3D-принтеров должна быть значительно улучшена.

3D-печать и Лазерная гравировка

Методика впервые разработанная в Сеуле, Южная Корея, использует двухэтапный процесс 3D-печати: собственно 3D-печать и лазерную гравировку пластин. Для большей точности на наноуровне в процессе 3D-печати используется машина лазерной гравировки. Эта методика имеет много преимуществ. Во-первых, это повышает общую точность процесса печати. Во-вторых, методика позволяет потенциально создавать сегменты наноробота.

Двухфотонная литография

3D-принтер использует жидкую смолу, которая затвердевает в точно правильных местах с помощью сфокусированного лазерного луча. Фокальная точка лазерного луча направляется через смолу с помощью подвижных зеркал и оставляет линию твердого полимера всего несколько сотен нанометров в ширину. Это разрешение позволяет создавать скульптуры размером с песчинку. Эта методика достаточно быстрая по меркам 3D-нанопечати.

Потенциальная сфера применений

Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации.

Уровень развития технологии

По состоянию на 2016 год нанороботы находятся в научно-исследовательской стадии создания. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов[23][24][25][26][27]. Разработке компонентов наноустройств и непосредственно нанороботам посвящён ряд международных научных конференций[28][29].

Уже созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчёт отдельных молекул в химических образцах[30]. Недавно Университет Райса продемонстрировал наноустройства для использования их в регулировании химических процессов в современных автомобилях.

Одним из самых сложных прототипов наноробота является «DNA box», созданный в конце 2008 года международной группой под руководством Йоргена Кьемса[31]. Устройство имеет подвижную часть, управляемую с помощью добавления в среду специфических фрагментов ДНК. По мнению Кьемса, устройство может работать как «ДНК-компьютер», так как на его базе возможна реализация логических вентилей. Важной особенностью устройства является метод его сборки, так называемый ДНК оригами, благодаря которому устройство собирается в автоматическом режиме.

В 2010 году были впервые продемонстрированы нанороботы на основе ДНК, способные перемещаться в пространстве[32][33][34].

Летом 2016 года учёным из Дрексельского университета удалось создать нанороботов для скорейшей доставки лекарств по венам. При помощи электромагнитного поля специалисты смогли развить высокую скорость у мельчайших роботов. Новая разработка облегчит отправку лекарственных средств по кровеносным сосудам организма. Свои выводы и детали изобретения были отражены в статье издания Scientific Reports. Электромагнитное поле воздействует на роботов, заставляя их вращаться. Соединённые в цепочку 13 нанороботов способны развивать скорость до 17,85 микрометра в секунду. Учёные в ходе наблюдений выявили особенность, которая выражалась в способности разделяться на более мелкие цепочки при достижении максимальной скорости. Нанороботов можно даже направить в различные стороны при изменении направления магнитного поля[35][36].

В искусстве

Кино

См. также

Примечания
  1. Э. Дрекслер. Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии, 1986.
  2. Джон Роберт Марлоу: война с репликаторами | Нанотехнологии Nanonewsnet
  3. Нанороботы — будущий триумф или трагедия для человечества? — Нано Дайджест (недоступная ссылка). Дата обращения: 13 июля 2008. Архивировано 11 июня 2008 года.
  4. Nanofactory
  5. Positional Diamondoid Molecular Manufacturing
  6. Rotational actuators based on carbon nanotubes : Article : Nature
  7. Элементы — новости науки: Предложена модель атомного квантового двигателя
  8. Ученые создали нанодвигатель на воде. РИА Новости (20200914T1802). Дата обращения: 20 февраля 2022.
  9. membrana.ru 21.10.2005 Построен ездящий одномолекулярный автомобиль (недоступная ссылка)
  10. membrana.ru 20.01.2010 Химики изготовили гоночный наномобиль (недоступная ссылка)
  11. Наука XXI век. Создан наномобиль на электрической тяге
  12. Роман Фишман. Гонки на молекулах // Популярная механика. — 2017. — № 7. — С. 52—53.
  13. Нанотехнологии о раке
  14. Технология борьбы с раком
  15. Доставка лекарств
  16. Проектирование медицинских устройств (недоступная ссылка)
  17. Neurosurgery
  18. Крошечные роботы для использования в хирургии (недоступная ссылка). Дата обращения: 19 мая 2021. Архивировано 29 ноября 2014 года.
  19. Целевые лекарства (недоступная ссылка). Дата обращения: 20 июля 2008. Архивировано 28 декабря 2017 года.
  20. Нанороботы в терапии диабета
  21. Nanorobotics for Diabetes
  22. Wellness Engineering, Nanorobots, Diabetes
  23. Двуногая молекула самостоятельно ходит по плоскости. Membrana.ru (27 октября 2005). Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 8 сентября 2012 года.
  24. Одномолекулярный автомобиль получил мотор. Membrana.ru (13 апреля 2006). Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 12 сентября 2012 года.
  25. Построен ездящий одномолекулярный автомобиль. Membrana.ru (26 октября 2005). Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 8 сентября 2012 года.
  26. Мелких ходоков научили таскать молекулярные тяжести (недоступная ссылка). Membrana.ru (19 января 2007). Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 26 февраля 2009 года.
  27. Нанотехнологи изобрели колёсную пару. Membrana.ru (30 января 2007). Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 3 сентября 2012 года.
  28. Workshop «Trends in nanomechanics and nanoengineering». 24-28, August, 2009 (англ.). Conferences of SibFU. Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 23 июля 2012 года.
  29. XX юбилейная международная научно-техническая конференция «Экстремальная робототехника. Нано-, микро- и макророботы» ЭР-2009. Информационное сообщение (недоступная ссылка). ЦНИИ Робототехники и Технической Кибернетики. Дата обращения: 15 апреля 2009. Архивировано 17 апреля 2009 года.
  30. Постгеномные технологии и молекулярная медицина. Доклад академика РАМН A. M. Арчакова (doc). Российская академия наук. — «Вестник Российской академии наук», том 74, № 5, 2004. Дата обращения: 23 октября 2018.
  31. Ebbe S. Andersen et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid (англ.) // Nature : научный журнал. — London: Nature Publishing Group, 2009. — Vol. 459. — P. 73–76. — ISSN 0028-0836.
  32. Ученые создали на основе молекул ДНК четырехногого робота, РИА Новости (14 мая 2010). Дата обращения 23 октября 2018.
  33. Hongzhou Gu, Jie Chao, Shou-Jun Xiao and Nadrian C. Seeman. A proximity-based programmable DNA nanoscale assembly line (англ.) // Nature. — 2010. — Vol. 465. — P. 202–205. — ISSN 0028-0836.
  34. Kyle Lund et al. Molecular robots guided by prescriptive landscapes (англ.) // Nature. — 2010. — Vol. 465. — P. 206–210. — ISSN 0028-0836.
  35. Литвиненок Роман. Ученые создали нанороботов для скорейшей доставки лекарств по венам. Planet-Today.ru (1 августа 2016). Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 1 августа 2016 года.
  36. Ученые создали нанороботов для скорейшей доставки лекарств по венам (50). Яндекс.Новости. Дата обращения: 23 октября 2018. Архивировано 1 августа 2016 года.

Литература

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.