Как будут работать нанороботы

Представьте, что вы идете к врачу, чтобы вылечить постоянную лихорадку. Вместо того, чтобы дать вам таблетку или укол, врач направляет вас к специальной медицинской команде, которая имплантирует крошечного робота в ваш кровоток. Робот определяет причину вашей лихорадки, перемещается в соответствующую систему и доставляет дозу лекарства прямо в зараженную зону.

Удивительно, но мы не так уж далеки от того, чтобы увидеть, как подобные устройства действительно используются в медицинских процедурах. Их называют нанороботами, и команды инженеров по всему миру работают над созданием роботов, которые в конечном итоге будут использоваться для лечения всего, от гемофилии до рака.

Больше не всегда лучше

В 1959 году Ричард Фейнман, инженер Калифорнийского технологического института, бросил всем инженерам вызов. Он хотел, чтобы кто-то построил работающий двигатель, который мог бы вписаться в куб со стороной 1/64 дюйма. Он надеялся, что, спроектировав и построив такой двигатель, инженеры разработают новые методы производства, которые можно будет использовать в развивающейся области нанотехнологий. В 1960 году Билл Маклеллан получил приз, создав работающий двигатель с надлежащими характеристиками. Фейнман получил приз, несмотря на то, что Маклеллан построил двигатель вручную, не изобретая никаких новых методов производства.

Как вы понимаете, перед инженерами стоят огромные задачи. Жизнеспособный наноробот должен быть маленьким и достаточно маневренным, чтобы перемещаться по системе кровообращения человека, невероятно сложной сети вен и артерий. Робот также должен иметь возможность нести лекарства или миниатюрные инструменты. Предполагая, что наноробот не предназначен для того, чтобы оставаться в пациенте навсегда, он также должен быть в состоянии выбраться из носителя.

В этой статье мы узнаем о потенциальных применениях нанороботов, о различных способах перемещения нанороботов по нашим телам, об инструментах, которые они будут использовать для лечения пациентов, о прогрессе, достигнутом командами по всему миру. далеко и что теоретики видят в будущем.

В следующем разделе мы узнаем о состояниях и заболеваниях, которые в будущем будут лечить нанороботы.

Возьми двух ботов и позвони мне утром

Правильно реализованные нанороботы смогут лечить множество заболеваний и состояний. Хотя их размеры означают, что они могут нести только очень небольшую полезную нагрузку лекарств или оборудования, многие врачи и инженеры считают, что точное применение этих инструментов будет более эффективным, чем более традиционные методы. Например, врач может ввести пациенту мощный антибиотик через шприц, чтобы помочь его иммунной системе. Антибиотик разбавляется, пока он проходит через кровоток пациента, в результате чего только часть его достигает очага инфекции. Однако наноробот или команда нанороботов могут отправиться прямо к месту заражения и доставить небольшую дозу лекарства. Пациент потенциально будет страдать от меньшего количества побочных эффектов от лекарства.

Некоторые инженеры, ученые и врачи считают, что применение нанороботов практически безгранично. Некоторые из наиболее вероятных вариантов использования включают:

Лечение атеросклероза: Артериосклероз относится к состоянию, при котором на стенках артерий образуются бляшки. Нанороботы, вероятно, могли бы вылечить это заболевание, срезая бляшку, которая затем попадала бы в кровоток.

Нанороботы могут лечить такие заболевания, как атеросклероз, физически удаляя бляшки вдоль стенок артерий.
Разрушение тромбов: Тромбы могут вызывать осложнения, начиная от мышечной гибели и заканчивая инсультом. Нанороботы могут добраться до тромба и разрушить его. Это приложение является одним из самых опасных применений нанороботов - робот должен быть в состоянии устранить закупорку, не теряя мелких частиц в кровотоке, которые затем могут перемещаться в другие части тела и вызывать больше проблем. Робот также должен быть достаточно маленьким, чтобы он сам не блокировал поток крови.
Борьба с раком: Врачи надеются использовать нанороботов для лечения больных раком. Роботы могут либо атаковать опухоли непосредственно с помощью лазеров, микроволн или ультразвуковых сигналов, либо они могут быть частью химиотерапевтического лечения, доставляя лекарство непосредственно в место рака. Врачи считают, что, вводя пациенту небольшие, но точные дозы лекарств, побочные эффекты будут сведены к минимуму без потери эффективности лекарства.
Помощь сгустку крови: Одним из видов нанороботов являетсяклотоцит, или искусственный тромбоцит. Сгусток несет мелкую ячеистую сетку, которая растворяется в липкую мембрану при контакте с плазмой крови. По словам Роберта А. Фрейтаса-младшего, человека, который сконструировал тромбоцит, свертывание может происходить в 1000 раз быстрее, чем естественный механизм свертывания крови в организме. Врачи могли бы использовать тромбоциты для лечения больных гемофилией или пациентов с серьезными открытыми ранами.
Удаление паразитов: Нанороботы могут вести микровойну с бактериями и мелкими паразитическими организмами внутри пациента. Чтобы уничтожить всех паразитов, может потребоваться совместная работа нескольких нанороботов.
Подагра: Подагра - это состояние, при котором почки теряют способность выводить отходы расщепления жиров из кровотока. Эти отходы иногда кристаллизуются в точках вблизи суставов, таких как колени и лодыжки. Люди, страдающие подагрой, испытывают сильную боль в этих суставах. Наноробот мог бы разрушить кристаллические структуры в суставах, облегчив симптомы, но не смог бы полностью изменить состояние.
Дробление камней в почках: Камни в почках могут быть очень болезненными - чем крупнее камень, тем труднее его вывести. Врачи разрушают большие камни в почках с помощью ультразвука, но это не всегда эффективно. Нанороботы могут разрушать камни в почках с помощью небольшого лазера.

Нанороботы могут нести небольшие генераторы ультразвуковых сигналов для передачи частот непосредственно к камням в почках.
Очистка ран: Нанороботы могут помочь удалить мусор из ран, уменьшая вероятность заражения. Они были бы особенно полезны в случае колотых ран, которые трудно вылечить более традиционными методами.

В следующем разделе мы увидим, как нанороботы будут перемещаться по кровеносной системе.

Навигация нанороботов

Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые, изучая нанороботов, движущихся по телу:навигация,сила и как наноробот будет двигаться по кровеносным сосудам. Нанотехнологи ищут разные варианты для каждого из этих соображений, каждый из которых имеет положительные и отрицательные стороны. Большинство опций можно разделить на две категории: внешние системы и бортовые системы.

Внешние навигационные системы могут использовать различные методы, чтобы направить наноробота в нужное место. Один из этих методов заключается в использованииультразвуковых сигналов для определения местоположения наноробота и направления его в нужное место. Врачи направляли ультразвуковые сигналы в тело пациента. Сигналы будут либо проходить через тело, либо отражаться обратно к источнику сигналов, либо и то, и другое. Наноробот мог излучать импульсы ультразвуковых сигналов, которые врачи могли регистрировать с помощью специального оборудования с ультразвуковыми датчиками. Врачи могли отслеживать местонахождение наноробота и перемещать его в нужную часть тела пациента.

Фото предоставлено НАСА. Некоторые ученые планируют управлять нанороботами и управлять ими с помощью устройств МРТ, подобных этому.

Используя устройство магнитно-резонансной томографии (МРТ), врачи могли обнаруживать и отслеживать нанороботов, определяя их магнитное поле. Врачи и инженеры Политехнической школы Монреаля продемонстрировали, как они могут обнаруживать, отслеживать, контролировать и даже приводить в движение нанороботов с помощью МРТ. Они проверили свои выводы, проведя небольшую магнитную частицу через артерии свиньи с помощью специального программного обеспечения на аппарате МРТ. Поскольку во многих больницах есть аппараты МРТ, это может стать отраслевым стандартом - больницам не придется вкладывать средства в дорогие, непроверенные технологии.

Врачи также могут отслеживать нанороботов, вводя радиоактивный краситель в кровоток пациента. Затем они будут использовать флюороскоп или подобное устройство для обнаружения радиоактивного красителя, когда он перемещается по кровеносной системе. Сложные трехмерные изображения укажут, где находится наноробот. В качестве альтернативы наноробот может испускать радиоактивный краситель, создавая путь позади себя, когда он движется по телу.

Другие методы обнаружения нанороботов включают использование рентгеновских лучей, радиоволн, микроволн или тепла. В настоящее время наша технология, использующая эти методы для наноразмерных объектов, ограничена, поэтому гораздо более вероятно, что будущие системы будут больше полагаться на другие методы.

Бортовые системы или внутренние датчики также могут играть большую роль в навигации. Наноробот с химическими датчиками может обнаруживать определенные химические вещества и отслеживать их, чтобы добраться до нужного места. Спектроскопический датчик позволит нанороботу брать образцы окружающих тканей, анализировать их и следовать по пути правильной комбинации химических веществ.

Как ни трудно себе представить, нанороботы могут включать в себя миниатюрную телевизионную камеру. Оператор на консоли сможет управлять устройством во время просмотра прямой видеотрансляции, перемещая его по телу вручную. Системы камер довольно сложны, поэтому может пройти несколько лет, прежде чем нанотехнологи смогут создать надежную систему, которая поместится внутри крошечного робота.

В следующем разделе мы рассмотрим энергосистемы нанороботов.

Включение нанороботов

Как и в случае с навигационными системами, нанотехнологи рассматривают как внешние, так и внутренние источники питания. Некоторые конструкции полагаются на нанороботов, использующих собственное тело пациента как способ выработки энергии. Другие конструкции включают в себя небольшой источник питания на борту самого робота. Наконец, в некоторых конструкциях для питания робота используются силы вне тела пациента.

Нанороботы могут получать энергию прямо из кровотока. Нанороботы с установленными электродами могут формировать батарею, используя электролиты, содержащиеся в крови. Другой вариант - создать химические реакции с кровью, чтобы сжечь ее для получения энергии. Наноробот будет содержать небольшой запас химикатов, которые в сочетании с кровью станут источником топлива.

Наноробот мог бы использовать тепло тела пациента для создания энергии, но для управления им необходим градиент температур. Выработка электроэнергии будет результатомэффекта Зеебека Эффект Зеебека возникает, когда два проводника из разных металлов соединяются в двух точках, которые поддерживаются при двух разных температурах. Металлические проводники становятся термопарой, а это означает, что они генерируют напряжение, когда точки соединения находятся при разных температурах. Поскольку трудно полагаться на температурные градиенты внутри тела, маловероятно, что многие нанороботы будут использовать тепло тела для получения энергии.

Хотя можно создать батареи, достаточно маленькие, чтобы поместиться внутри наноробота, обычно они не рассматриваются как жизнеспособный источник энергии. Проблема в том, что батареи обеспечивают относительно небольшое количество энергии по сравнению с их размером и весом, поэтому очень маленькая батарея обеспечит только часть энергии, необходимой нанороботу. Более вероятным кандидатом является конденсатор, который имеет немного лучшее отношение мощности к весу.

Инженеры работают над созданием конденсаторов меньшего размера, которые будут питать такие технологии, как нанороботы.

Еще одна возможность получить энергию нанороботов - использовать ядерный источник энергии. Мысль о крошечном роботе, работающем на ядерной энергии, вызывает у некоторых людей желание, но имейте в виду, что количество материала невелико и, по мнению некоторых экспертов, его легко защитить. Тем не менее, общественное мнение относительно ядерной энергетики делает такую возможность в лучшем случае маловероятной.

Внешние источники питания включают системы, в которых наноробот либо привязан к внешнему миру, либо управляется без физической привязки. Привязанным системам потребуется провод между нанороботом и источником питания. Проволока должна быть прочной, но она также должна легко проходить через человеческое тело, не вызывая повреждений. Физический трос может обеспечивать питание либо электричеством, либо оптическим путем. Оптические системы используют свет через оптоволокно, которое затем необходимо преобразовать в электричество на борту робота.

Пьезоэлектрический эффект

Некоторые кристаллы приобретают электрический заряд, если к ним приложить силу. И наоборот, если вы приложите электрический заряд к одному из этих кристаллов, в результате он будет вибрировать, испуская ультразвуковые сигналы. Кварц, пожалуй, самый известный кристалл с пьезоэлектрическими эффектами.

Внешние системы, не использующие тросы, могут полагаться на микроволны, ультразвуковые сигналы или магнитные поля. Микроволны наименее вероятны, поскольку их облучение пациента приведет к повреждению тканей, поскольку тело пациента будет поглощать большую часть микроволн и в результате нагреваться. Наноробот с пьезоэлектрической мембраной может улавливать ультразвуковые сигналы и преобразовывать их в электричество. Системы, использующие магнитные поля, подобные той, с которой врачи экспериментируют в Монреале, могут либо напрямую манипулировать нанороботом, либо индуцировать электрический ток в замкнутом проводящем контуре внутри робота.

В следующем разделе мы рассмотрим двигательные установки нанороботов.

Передвижение нанороботов

Если предположить, что наноробот не привязан и не предназначен для пассивного плавания в кровотоке, ему потребуется двигатель, чтобы перемещаться по телу. Поскольку ему, возможно, придется двигаться против потока крови, двигательная установка должна быть относительно мощной для его размера. Другим важным соображением является безопасность пациента - система должна иметь возможность перемещать наноробот, не причиняя вреда хозяину.

Некоторые ученые ищут вдохновение в мире микроскопических организмов. Парамеции перемещаются в окружающей среде с помощью крошечных хвостообразных конечностей, называемыхресничкамиВибрируя реснички, парамеции могут плавать в любом направлении. На реснички похожижгутики, которые представляют собой более длинные структуры хвоста. Организмы взмахивают жгутиками по-разному, чтобы передвигаться.

Разработчики нанороботов иногда смотрят на микроскопические организмы в поисках вдохновения для движения, например, на жгутик этой клетки кишечной палочки.

Ученые в Израиле создалимикроробот, робота длиной всего несколько миллиметров, который использует небольшие придатки, чтобы захватывать и ползать по кровеносным сосудам. Ученые манипулируют руками, создавая магнитные поля вне тела пациента. Магнитные поля заставляют руки робота вибрировать, проталкивая его дальше по кровеносным сосудам. Ученые отмечают, что, поскольку вся энергия для наноробота поступает из внешнего источника, нет необходимости во внутреннем источнике питания. Они надеются, что относительно простая конструкция позволит легко создавать роботов еще меньшего размера.

Другие устройства звучат еще экзотичнее. Можно было бы использовать конденсаторы для создания магнитных полей, которые протягивали бы проводящие жидкости через один конецэлектромагнитного насосаи выбрасывали бы его из заднего конца. Наноробот будет двигаться как реактивный самолет. Миниатюрныеструйные насосы могут даже использовать плазму крови, чтобы толкать наноробота вперед, хотя, в отличие от электромагнитного насоса, должны быть движущиеся части.

Еще один потенциальный способ передвижения нанороботов - использование вибрирующей мембраны. Попеременно сжимая и ослабляя натяжение мембраны, наноробот может генерировать небольшую тягу. В наномасштабе эта тяга может быть достаточно значительной, чтобы выступать в качестве жизнеспособного источника движения.

В следующем разделе мы рассмотрим инструменты, которые нанороботы могут использовать для выполнения своих медицинских задач.

Teeny, Tiny Tools

Фото предоставлено Garrigan.net

Инструменты нанороботов должны быть достаточно маленькими, чтобы манипулировать такими клетками, как эти эритроциты.

Современные микророботы имеют длину всего несколько миллиметров и диаметр около миллиметра. По сравнению с наномасштабом это огромно - нанометр составляет всего одну миллиардную часть метра, а миллиметр - одну тысячную метра. Будущие нанороботы будут такими маленькими, что вы сможете увидеть их только с помощью микроскопа. Инструменты нанороботов должны быть еще меньше. Вот несколько предметов, которые вы можете найти в наборе инструментов наноробота:

Полость для лекарств - полая секция внутри наноробота может содержать небольшие дозы лекарств или химикатов. Робот может выбрасывать лекарство прямо в место травмы или инфекции. Нанороботы также могут нести химические вещества, используемые в химиотерапии для лечения рака, непосредственно на месте. Хотя количество лекарства относительно невелико, нанесение его непосредственно на раковую ткань может быть более эффективным, чем традиционная химиотерапия, которая опирается на кровеносную систему организма для переноса химических веществ по всему телу пациента.
Щупы,ножиистамески - для удаления засоров и налета наноробот будет нужно что-то, чтобы захватить и сломать материал. Им также может понадобиться устройство для дробления сгустков на очень мелкие кусочки. Если частичный тромб отрывается и попадает в кровоток, это может вызвать дополнительные проблемы в системе кровообращения.
Микроволновые излучателиигенераторы ультразвуковых сигналов - для уничтожения раковых клеток врачам нужны методы, которые убивают клетку, не разрывая ее. Разорвавшаяся раковая клетка может высвободить химические вещества, которые могут привести к дальнейшему распространению рака. Используя точно настроенные микроволны или ультразвуковые сигналы, наноробот может разорвать химические связи в раковой клетке, убивая ее, не разрушая клеточную стенку. В качестве альтернативы робот может излучать микроволны или ультразвуковые сигналы, чтобы нагреть раковую клетку до такой степени, чтобы она разрушилась.
Электроды - два электрода, выступающие из наноробота, могут убивать раковые клетки, генерируя электрический ток, нагревая клетку до тех пор, пока она не умрет.
Лазеры - крошечные мощные лазеры могут сжигать вредные материалы, такие как артериальные бляшки, раковые клетки или сгустки крови. Лазеры буквально испарят ткань.

Две самые большие проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются ученые в отношении этих небольших инструментов, - сделать их эффективными и сделать их безопасными. Например, создание небольшого лазера, достаточно мощного для выпаривания раковых клеток, является большой проблемой, но разработка его таким образом, чтобы наноробот не повреждал окружающие здоровые ткани, делает задачу еще более сложной. Хотя многие научные группы разработали нанороботов, достаточно маленьких, чтобы проникнуть в кровоток, это только первый шаг к тому, чтобы сделать нанороботов настоящим медицинским приложением.

В следующем разделе мы узнаем, где технология нанороботов сегодня и где она может быть в будущем.

Нанороботы: сегодня и завтра

Команды по всему миру работают над созданием первого практичного медицинского наноробота. Роботы размером от миллиметра в диаметре до относительно внушительных двух сантиметров в длину уже существуют, хотя все они все еще находятся в стадии разработки и еще не использовались на людях. Вероятно, через несколько лет мы увидим появление нанороботов на медицинском рынке. Сегодняшние микророботы - это всего лишь прототипы, которым не хватает способности выполнять медицинские задачи.

Йошиказу Цуно/AFP/Getty Images

Хотя этот двухсантиметровый робот является впечатляющим достижением, будущие роботы будут в сотни раз меньше.

В будущем нанороботы могут произвести революцию в медицине. Врачи могли бы лечить все, от сердечно-сосудистых заболеваний до рака, используя крошечных роботов размером с бактерию, что намного меньше, чем сегодняшние роботы. Роботы могут работать в одиночку или в команде, чтобы искоренить болезни и лечить другие заболевания. Некоторые считают, что полуавтономные нанороботы уже не за горами - врачи будут имплантировать роботов, способных патрулировать тело человека, реагируя на любые возникающие проблемы. В отличие от неотложной помощи, эти роботы навсегда останутся в теле пациента.

Еще одно потенциальное применение технологии нанороботов в будущем - перестроить наши тела, чтобы они стали устойчивыми к болезням, увеличили нашу силу или даже улучшили наш интеллект. Доктор Ричард Томпсон, бывший профессор этики, писал об этических последствиях нанотехнологий. Он говорит, что самым важным инструментом является коммуникация, и что для сообществ, медицинских организаций и правительства крайне важно говорить о нанотехнологиях сейчас, когда эта отрасль все еще находится в зачаточном состоянии.

Будут ли когда-нибудь тысячи микроскопических роботов, носящихся в наших венах, вносящих исправления и залечивающих наши порезы, синяки и болезни? С нанотехнологиями кажется, что все возможно.