Развитие современного мира подталкивает человека на создание все более совершенных разработок в различных сферах деятельности. Изменяется мир, совершенствуются технологии, и мы неизбежно погружаемся в атмосферу удобств и комфорта. Сегодня современного человека уже невозможно представить без мобильной связи, компьютеров и интернета.

Стремление все автоматизировать непременно приводит к тому, что наша роль становится незначительной, все средотачивается в руках «умных» систем, которые с высокой точностью и качеством выполняют свою функцию. В современном мире можно наблюдать многочисленное количество самой разнообразной робототехники – от совсем простых систем до суперсложных комплексов. А возможно ли создать и подчинить себе роботов, которые будут совершенствовать микромир, управляя атомами и молекулами?

В 1959 американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал свою работу, в которой оценивал перспективы минитюаризации. Основные положения он изложил в своей книге «Там внизу – много места» (There’s Plenty of Room at the Bottom). Фейнман дал научное объяснение тому, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет препятствий для того, что бы реализовать конкретную материю прямо из атомов. Так что же мешает из грязи и пыли создать что-то нужное нам? Пока еще это фантастика, но в действительности, создание молекулярных наномашин позволит в полной мере воплотить теорию в реальность.

Ассемблеры и дизассемблеры

Каким же образом можно манипулировать отдельными атомами и молекулами? С появлением туннельного микроскопа эта проблема была решена и с успехом применяется сегодня. Но нас сейчас интересуют наномашины, способные выполнять аналогичную работу сами. Решение такой задачи было предложено Эриком Дрекслером в своей книге «Машины созидания». По описанию автора, функцию манипулирования отдельными атомами и молекулами несут в себе ассемблеры (молекулярные машины, которые могут быть запрограммированы на создание молекулярной структуры любой сложности из более простых химических соединений или отдельных атомом или молекул). Эти устройства должны захватывать элементарные частицы и соединять их между собой в соответствии с заданным алгоритмом. Стоит отметить, что подобные системы существуют и в природе. В качестве примера работы ассемблеров можно привести, например, механизм синтеза белка рибосомой в клетке человека.

Антиподами ассемблеров являются дизассемблеры Их функциональное предназначение заключается в том, что бы разобрать молекулярную систему на отдельные атомы для дальнейшей передачи их ассемблеру. Обеспечив точное размещение каждого атома, ассемблеры смогут производить продукт с высоким показателем идентичности, вплоть до каждого атома.

На данный момент многие научные коллективы ломают голову над созданием первого молекулярного ассемблера. Одни предлагают улучшение сканирующего туннельного микроскопа для достижения более высокой точности захвата и манипуляции атома. Другие – использовать химический синтез, а точнее, разработать химические компоненты, способные выполнять самосборку в растворе. Так же, не исключено, что создание первого ассемблера реализуется через биохимию. Природные наномашины-рибосомы ученые планируют использовать для создания более совершенных нанороботов.

Медицинский наноробот

Какие перспективы имеют молекулярные роботы в медицине? Что будет представлять собой медицинский наноробот будущего? Вступить в борьбу со смертью и старением? Легко устранить раковые клетки? А может быть одной из главных функций устройства будет передвижение в кровеносной системе человека? Все это требует мощную двигательную систему. Для мониторинга окружающей среды, навигации и коммуникации нужно задействовать различные сенсоры. Ликвидировать поврежденные сегменты клетки станет возможным, если у нанороботов будут универсальные сверхгибкие наноманипуляторы.

Так же, для совместимости организма человека с инородными объектами необходим материал, который не вызывает реакцию иммунной системы. Таким материалом может быть, например, алмазоид, представляющий собой мельчайшие кристаллики, из которых состоит микроскопическокий алмаз, полностью повторяющий его тетраэдрическую структуру. Ряд экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоиды вызываю меньшую активность лейкоцитов.

Схема наноробота

Антенны такого робота должны иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса, для приема незатухающих электромагнитных волн, распространяющихся в теле человека. Для надежной управляемости молекулярных роботов необходимо использовать нанокомпьютер. Сформировать навигационную систему и обеспечить связь роботов друг с другом поможет еще один тип наноустройств – коммуноциты, так же выполняющих роль усилительных станций.

Сенсорная и обрабатывающая подсистемы наноробота

Каким образом будет происходить процесс лечения? Для восстановления нормальной работы клетки необходима доставка к ней различных ферментов. Так же, используя ферменты, можно уничтожать различные вирусы, которые вызывают механизм клеточного апоптоза (программируемой клеточной смерти). Если же угроза не слишком велика и нет необходимости проникать внутрь поврежденного участка, достаточно инъекции специального вещества, вызывающего восстановления ДНК и возвращение клетки к нормальной работе.

Для создания сложной функционирующей наносистемы необходимо провести достаточное количество кропотливых расчетов, разработать экспериментальную модель, знать молекулярный состав до каждого атома и реакцию системы в зависимости от внешних факторов. Но остается проблема: конструирование многочисленных прототипов влечет за собой большие финансовые затраты.

Сейчас возможности высоких технологий позволяют с легкостью избежать этого и создать виртуальную модель будущего устройства. Одним из главных достоинств современных программ, использующихся для описания сложных наноструктур, вплоть до нанороботов, можно выделить то, что с их помощью можно моделировать влияние на систему магнитных и электрических полей, давления, гамма-излучения, температуры и многого другого.

Виртуальные модели наносистем

Так же можно моделировать внешний вид виртуальной материи, словно вы исследуете её через атомно-силовой микроскоп. Как бы точно мы сами не располагали атомы относительно друг друга, компьютер, решая уравнения квантовой механики, сделает это точнее. Если созданная виртуальная материя не противоречит законам природы, то ее можно попробовать воплотить в реальность. Развитие информационных технологий позволит более точно и детально разработать самые разные наносистемы и воплотить виртуальные наномашины в реальных функционирующих нанороботов.

Нанороботы на основе молекул ДНК

В качестве материала для создания нанообъектов могут выступать не только белки, но и молекулы ДНК. Ярким примером такого объекта можно назвать «шагающего» наноробота: если соединить две молекулы ДНК, то, несмотря на то, что сами молекулы являются «мягкими», можно получить достаточно устойчивую структуру. Такой наноробот передвигается, используя довольно оригинальный принцип: в качестве «ног» робота выступают фрагменты ДНК, которые он поочередно то присоединяет, то отсоединяет обратно от базовой молекулы. Длина каждого такого фрагмента молекулы составляет 36 нуклиотидов. 

Сверху молекулярных ног располагается еще одна упругая часть ДНК, которая связывает обе «ноги» вместе. Такой робот может передвигаться в специальной жидкости (денатурационном буфере) препятствующей сворачиванию цепей ДНК.

Почему исследователи использовали именно молекулу ДНК? Цепи ДНК легко соединить друг с другом, образуя комплементарные пары, поэтому на основе них можно создавать более сложных ДНК-роботов в больших количествах.

Двигатели для нанороботов

Невозможно представить молекулярную машину без надежного двигателя. На сегодняшний день реализовано несколько достойных примеров, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор . Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле. Электроды такого двигателя – нанотрубки. Расстояние между электродами составляет 10 нм, подаваемое напряжение 1 В. Обратите внимание на рисунок, видно, что нанотрубки-электроды образуют статор, а наночастица в центре – ротор. Как только мы подаем переменное напряжение, то частица начинает вращаться.

Диэлектрофорезный наномотор

Так же имеет место мотор на основе нанотрубок и золотых электродов.  Ротор изготовлен из золота, закрепленного на многослойной нанотрубке. Два заряженных статора так же из золота, скорость вращения составляет 30 оборотов в секунду.

Двигатель на основе золотых электродов и электрический наномотор

Еще одним примером является электрический наномотор, состоящий из двух концентрических графитовых цилиндров. К ротору диаметрально противоположно присоединены два заряда. Движение происходит благодаря переменному воздействию двух лазеров.

Заключение

Различные наноустройства уже сейчас пытаются применять на практике, например для детектирования молекул. Данный принцип базируется на устройстве, которое вы можете наблюдать на фотографии. Две золотые нанонити разделяются пространством, расстояние между которыми сопоставимо с одной молекулой. Нанонити выполняют функцию электродов, присутствие молекул можно определять, измеряя ток, протекающий между ними.

Детектор молекул. Риснки : Д. Нательсон, Университет Райса.

Развитие науки предоставляет нам уникальную возможность не только исследовать микромир, но и внедрять в него устройства, способных быстро и качественно изменить нашу жизнь к лучшему. Молекулярные машины смогут обеспечить быстрое и надежное, а самое главное, безопасное лечение сложных заболеваний, замедлить старение и возвратить человека к жизни после анабиоза. Нанороботы смогут бороться с болезнетворными бактериями, чистить сосуды, предотвращать болезни типа атеросклероза, варикозного расширения вен и тд.

Время стремительно толкает нас к вершинам новых побед и открытий, нанороботы не являются исключением, все только в начале пути, а нам остается только наблюдать, как молекулярные наномашины будут изменять жизнь вокруг нас.