Иллюстрация с сайта Mitre Matters

Группа исследователей из Нью-йоркского Университета сделала очередной прорыв в области нанотехнологий - учёные вплотную подошли к созданию управляемой машины на основе синтетических молекул ДНК.
Исследователи сообщили, что разработанное ими устройство может стать основой для строительства сложных машин молекулярного масштаба, что, в конечном счёте, приведёт к созданию нанороботов, которые будут строить новые молекулы, проводить операции на молекулярном уровне и, таким образом, бороться с заболеваниями.
Наноробот, введённый в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе и очищать его от микробов или зарождающихся раковых клеток, а саму кровеносную систему - от отложений холестерина. Он сможет изучить, а затем и исправить характеристики тканей и клеток.
Руководитель группы исследователей, профессор химии Нэдриан Симан (Nadrian C. Seeman), заявил, что пока удалось лишь ограничить движение ДНК-устройства в молекулярной среде, но в будущем нанороботы станут полностью управляемыми машинами.
Группа работает над тем, чтобы управлять несколькими парами молекул автономно, без воздействия на другие. Таким образом, они хотят запрограммировать молекулы ДНК, чтобы они могли в заданном порядке самоорганизоваться и объединяться с другими молекулами в более крупную структуру.
В процессе исследований учёные внедрили искусственные нити ДНК ("set strands", "fuel strands") в индивидуальные пары молекул. Затем они развернули парные перекрещивающиеся молекулы (paranemic crossover (PX) molecule) вполоборота и, удалив обе искусственные нити, заменили их новыми "set strands". Тем самым, они изменили конфигурацию ДНК-машины.
Созданная учёными ДНК-машина имеет две своеобразные "руки" - молекулы, которыми исследователи вроде бы научились управлять, но что-либо сделать, например, добавить в раствор определённый химикат, устройство не способно: пока раствор воздействует на все молекулы одновременно и равномерно, то есть "достаётся и нашим, и вашим".

Напомним, что нанороботы (или наноботы) - это гипотетические устройства размером в единицы и десятки нанометров (один нанометр - это миллионная доля миллиметра), которые могут самостоятельно манипулировать отдельными атомами. Переставляя атомы, нанороботы смогут самовоспроизводиться, создавать из произвольного материала (земли, воды) любые предметы и так далее: изменениям могут подвергаться практически любые - как органические, так и неорганические вещества. В конечном итоге нанороботы посредством манипуляций с молекулами смогут создать любой предмет или существо.
Нанороботов условно разделяют на два вида: способных конструировать что-либо, например, самовоспроизводиться (ассемблеры), или деконструировать, разбирать (дизассемблеры).
Молекулярные ассемблеры - основной инструмент человека для манипуляций в наномире. Любой вирус в определённом смысле также является ассемблером. Нанороботов нередко так и называют - "искусственные вирусы".

"До сих пор все опыты в наномире были похожи скорее на детские забавы, - считают журналисты "Огонька" Кирилл Журенко и Дмитрий Назаров. - Самая маленькая в мире ручка рисует на поверхности золота круги в несколько атомов шириной, буквы "IBM" высотой в 6-8 атомов выложены с помощью туннельного микроскопа, коробочка с длиной ребра в несколько нанометров, открывающаяся и закрывающаяся от приложенного импульса, одностенные нанотрубки диаметром 1 нанометр и длиной от 100 до 300 нанометров, пропеллерообразная молекула, способная вращаться на медной поверхности...
Проект манипулятора уже достаточно подробно описан. У позиционирующего устройства "руки" будет шесть степеней свободы. Каждая будет управляться своим храповиком, приводимым в действие давлением инертного газа, цилиндрами будут служить углеродные нанотрубки. Всё достаточно просто, однако пока такая "рука" пока не создана.
Еще в октябре 1998 года датские учёные продемонстрировали атомный триггер, состоящий из одного атома кремния и двух атомов водорода. Современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (минимальная единица информации) с помощью одного электрона. А там уже и до искусственного разума рукой подать".
Попробуем разобраться, какую помощь могут оказать людям нанороботы и какую угрозу для человечества они представляют.
Перспективы просто фантастические, иначе не скажешь. Например, за счёт внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и "облагораживающих" ткани организма можно будет достигнуть бессмертия человека, не говоря об оживлении и излечении безнадежно больных и людей, которые были заморожены методами крионики.
В промышленности произойдёт замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет.
Замена произойдёт и в сельском хозяйстве: комплексы из молекулярных роботов придут на смену "естественным машинам" для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.
Биологи смогут "внедряться" в живой организм на уровне атомов и станут возможными и "восстановление" вымерших видов, и создание новых типов живых существ, в том числе биороботов.
Космос будет, наконец, освоен: огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции.

В кибернетике произойдёт переход к объёмным микросхемам, а размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится долговременная быстродействующая память на белковых молекулах, ёмкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.
За счёт внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека. На всё это, по разным оценкам, понадобится около 100 лет.
"Однако новые открытия могут иметь и негативные последствия", - пишет в своей статье "Угрозы новых технологий" профессор Евгений Абрамян. - Представим себе, что в устройстве, предназначенном для разборки промышленных отходов до атомов, произойдет сбой, и оно начнёт уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей.
При этом самым неприятным может оказаться то, что это будут нанороботы, способные к самовоспроизводству (саморепликации, размножению).
Как видите, нанороботы, вышедшие из-под контроля могут стать оружием массового поражения.
Можно представить себе и нанороботов, запрограммированных на изготовление уже существующего оружия. Овладев секретом создания подобного робота или каким-то образом достав его, воспроизвести универсального "малыша" в большом количестве сможет небольшая группа людей или даже террорист-одиночка.
Отметим также принципиальную возможность создания устройств, выборочно разрушительных: например, воздействующих на определённые этнические группы или заданные географические районы".
Так или иначе, но главный шаг на пути создания нанороботов группа нью-йоркских учёных, по собственному признанию, уже сделала. Судя по тому, что на создание первой ДНК-машины ушло около 10 лет, первый наноробот появится максимум лет через 5-7.

www.membrana.ru
4 января 2002

Самый быстрый наноробот.

Исследовательская группа, занимающаяся созданием электронных устройств и нанороботов, заявляет о создании роботов размером с монету, которые способны производить десять тысяч движений в минуту.
Проект называется NanoWalker и разрабатывается на базе лаборатории биотехнологий при Институте Технологий Массачусетса (Massachusetts Institute of Technology) под руководством Сильвина Мартеля (Sylvain Martel).
Строго говоря, эти механизмы нанороботами (один нанометр - это миллионная доля миллиметра) называть нельзя - уж больно они велики.
Скорее, это микророботы, но будем пользоваться терминологией авторов проекта, тем более, что роботы эти могут действовать на молекулярном уровне.

Предшественник NanoWalker - Micromotion Robot

По мнению самого Мартеля, его коллеги ближе других "наноконструкторов" подошли к созданию первого эффективного специализированного интеллектуального устройства, уже готового к применению. Более того, Мартель считает, что именно в его лаборатории будут созданы модели, которые позже поставят на поток во всём мире.
Первая и главная особенность этих нанороботов состоит в том, что они уже сейчас способны передвигаться автономно - то есть "бежать и чинить" без проводов. Эта отличительная черта отражена в названии проекта, ведь NanoWalker - это "нанопрохожий, наноходок".
Управление роботами производится посредством инфракрасного датчика, помещённого в их "тела". Камера отслеживает их местоположение и направляет к месту выполнения задания.

Сильвин Мартель: "Медицина будущего - это не ткань под микроскопом, а микроскоп в ткани"

Также автономно NanoWalker может выполнять свою работу: в некоторых моделях используется специальная система позиционирования, которая помогает роботу определить частицу (например, молекулу), с которой предстоят манипуляции.
Некоторые крошечные исследователи оснащены микроскопами, которые позволяют им получать и транслировать изображение атома, над которым предстоит потрудиться (подтолкнуть его, например, тем самым, активизировав какую-то химическую реакцию).
Вторая особенность - это скорость и плоскость перемещения "роботов Мартеля". Большинство существующих нанороботов далеки от совершенства: они не только вынуждены работать там, где их поместили, но, если и передвигаются, то делают это крайне медленно - одно движение в секунду. Новое поколение умеет двигаться в трёх плоскостях.

Мобильный NanoWalker прилег отдохнуть

Третья особенность роботов - сложность манипуляций: примитивные роботы могут выполнять движения грузчика - в одном месте взял - в другое положил. Элитные "ребята" из Массачусетса умеют выполнять сложные задачи, требующие не только механических усилий.
По словам Мартеля, нынешняя квалификация его подопечных, которые имеют размеры копейки, пока только определяется. Уже созданы модели, которые могут использоваться в фармакологии и осуществлять синтез химических препаратов и лекарств. Кроме того, "маленькие труженики" будут заниматься "инспектированием" работы ДНК.
Учёный считает, что приоритетная сфера применения роботов изменилась - теперь это не автомобильная промышленная, а биология и фармацевтика. Кстати, о перспективах нанотехнологий мы уже писали.
Кроме того, миниатюрная армия Мартеля может делать сложнейшие вычисления и служить, как самые точные измерительные приборы. В ближайшие несколько лет сплочённая беспроводная команда сможет выполнять до 200 тысяч точнейших движений на атомарном уровне.
Инженеры считают, что новая технология меняет сам принцип отношения к медицинской диагностике. Цель проекта NanoWalker - увести медицину от давно устаревшей методики перемещения органа или его фрагмента от одного измерительного инструмента к другому.

Команда нанороботов к высадке на тело готова!

Теперь сам инструментарий миниатюризируется, чтобы стать на время частью органа и провести анализ "на месте", в той среде, в которой болезнь существует.
Лаборатория Мартеля занимается другими, не менее интересными проектами - например, разработкой компьютера размером с зерно, который бы мало стоил, не был энергоёмким, а также был совместим с другими "взрослыми" моделями. Этот проект так и называется The I-Grain Project. Другой проект - создание электронного чипа-имплантанта, способного стимулировать работу отдельных зон мозга.

www.membrana.ru
28 января 2002

Пара нанороботов в компании с кровяными тельцами. Первые заменят вторых? (иллюстрация Vik Olliver).

"Как насчёт того, чтобы заменить кровь человека 500 триллионами роботов?" Этот, казалось бы, безумный вопрос, заданный в 1996 году, лёг в основу научного труда, на который у двух учёных ушло 6 лет. Вкратце ответ таков: через 40-50 лет нанороботы теоретически будут способны заменить нашу кровь.
Вначале следует заметить, что нанотехнологии - едва ли не первая научно-исследовательская область, которая порождает жесточайшую критику прежде, чем, собственно, появляются сами достижения в ней: невидимое оружие всемирного переворота, покрывающая Землю "серая слизь" (gray goo) - термин, введённый пионером нанотехнологий Эриком Дрекслером (Eric Drexler) и так далее. Крохотная причина Конца Света, короче говоря.
Так вот, 14 июня 1996 года бывший студент пионера Дрекслера, некто Крис Феникс (Christopher J. Phoenix), опубликовал на сайте Института предвидения (Foresight Institute) сообщение с вопросом: "А что, если заменить кровь множеством роботов?"

Роберт Фрайтас работает в корпорации Zyvex, а исследования проводит в Институте молекулярного производства (Institute for Molecular Manufacturing).

Этот невинный запрос привёл Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом младшим (Robert A. Freitas Jr.), автором первой книги о медицинском применении нанотехнологий и нанороботов под названием "Nanomedicine". Результатом этой совместной деятельности стал 100-страничный документ, изданный в 2002 году и до сих пор будоражащий умы термином "Roboblood" (робототехническая кровь).
Впрочем, для своей наномашины Феникс и Фрайтас придумали другой термин - "Vasculoid" (vascular - сосудистый; -oid - по всей видимости, от "Android"). "Это единица сложной мультисегментной нанотехнологической медицинской робототехнической системы, способной дублировать все функции крови, включая циркуляцию дыхательных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы.
Данная агрессивная и физиологически навязчивая наноробототехническая система, включающая в себя около 500 триллионов микроскопических наномедицинских устройств общим весом примерно 2 кг, потребляет 30-200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосудов и служит полной заменой естественной крови".

Кристофер Феникс трудится в должности директора по исследованиям в CRN (Center for Responsible Nanotechnology).

Проще говоря, нанороботы образуют кровеносную систему и живут-поживают в ней. Подразумевается, что наноботы будут сделаны из сапфира или подобного алмазу материала (diamondoid nanorobots), а биологическое питание они будут получать из глюкозы и кислорода.
Кстати, производить электроэнергию из глюкозы, содержащейся в крови человека, японцы уже научились.
Ну, ладно, допустим, что это возможно в долгосрочной перспективе - всё-таки 40-50 лет - тот ещё срок. А что в этом хорошего для, скажем так, шести с лишним миллиардов населения Земли?
Среди возможных выгод называются: во-первых, исключение из крови бактерий, вирусов и других паразитов; во-вторых, тотальное уничтожение болезней сосудов, вроде атеросклероза; в-третьих, более быстрая обработка кислорода приведёт к улучшению физической выносливости человека - нанороботы укрепят вены и артерии, защитят их от повреждений. Остальное можно дофантазировать самостоятельно. В том числе и ужасы.

Так представляет деятельность наноробота в организме художник Том Херцберг (Tom Herzberg).

Кстати, об ужасах. Первое место здесь, пожалуй, занимает самокопирование нанороботов, ведь именно из-за этого бесконечного процесса самовоспроизводства толстый слой серой слизи может покрыть Землю.
В ответ на это Фрайтас заявляет, что нанороботы самокопироваться не должны, а если и вдруг будут, то исключительно в краткие периоды их ограниченного срока эксплуатации. По идее, роботов будут делать за пределами организма, а потом вводить-выводить их по мере необходимости. Если же какой-то бот и останется внутри, то самокопироваться он не будет:
"Ни один серьёзный учёный никогда не предложит ввести в организм репликаторов, - заявил серьёзный учёный Фрайтас. - Мы и так уже имеем вирусы, бактерии, и других паразитов, которые могут копироваться внутри нас, и это - достаточно неприятно. Зачем нам их ещё больше?"

Наномедицина в представлении художника Тима Фонсека (Tim Fonseca).

В заключение следует подчеркнуть, что Феникс и Фрайтас считают свою 100-страничную работу не более, чем "предварительной технической экспертизой идеи", ответом на "потребность в детальном анализе". Это, одним словом, ни что иное, как теория.
Также авторы допускают, что имеющихся у них знаний биологических о функциях кровеносной системы может быть недостаточно. Скромничают. Кроме того, материал не предназначен для представления какого-либо проекта или наномедицинского изделия будущего. Чего же хотят Фрайтас и Феникс? Аргументированной дискуссии.

www.membrana.ru
11 августа 2003

Новые технологии позволят ремонтировать ДНК внутри клеток человека (иллюстрация с сайта uic.edu).

Астронавт подносит к глазам небольшой прибор. Короткий анализ сетчатки глаза и вердикт - лучевое повреждение организма превышает условленный порог. Он берёт шприц и делает себе инъекцию наночастиц, которые тотчас принимаются за ремонт ДНК в его клетках.
Именно так должен выглядеть результат проекта, разрабатываемого под эгидой NASA.
Ведёт исследования группа учёных из трёх университетов США под управлением лидера команды - Джеймса Лири (James Leary) из медицинского отделения университета Техаса (University of Texas Medical Branch).
Мы уже рассказывали о том, как NASA пытается определить воздействие на астронавтов космической радиации в условиях длительных экспедиций. И о том, как агентство создаёт новые материалы для защиты космических путешественников от галактических лучей.
Однако на этом аэрокосмическое агентство не останавливается. Последние достижения нанотехнологий должны помочь астронавтам, организмы которых уже поражены излучением.
Заметим, нанотехнологи США уже разрабатывают метод лечения рака с помощью микроскопических магнитных сфер, вводимых в кровоток пациентов. Нынешняя работа во многом перекликается с той, но во многом - оригинальна.
Если учёные из компании Triton BioSystems ограничились задачей уничтожения повреждённых клеток с помощью нагрева, то подрядчики NASA задумали научить наночастицы латать дыры в живых клетках, пробитых галактическими лучами.

Новые нанороботы по размерам будут меньше клеток крови, но смогут прекрасно понимать их сигналы (иллюстрация с сайта uic.edu).

"Это новый тип терапии. Наночастицы будут заходить внутрь клеток и восстанавливать их или, если имеется слишком большое повреждение, избавляться от этих клеток", - объясняет Лири.
Его группа разрабатывает частицы размером меньше бактерии и даже - меньше длины волны видимого света. Простая инъекция может выпустить миллионы этих капсул в кровоток человека.
И вот здесь начинается то, что кажется фантастикой - наночастицы использует в своих интересах естественную систему передачи сигналов между живыми клетками, чтобы найти те из них, что повреждены радиацией.
Триллионы клеток в человеческом теле общаются друг с другом посредством сложных молекул, вложенных в их, клеток, внешние мембраны.
Эти молекулы действуют как химические "флаги" для того, чтобы обраться к другим клеткам или как химические "ворота", которые управляют входом в клетку ряда молекул из кровотока (например, гормонов).

Здесь показана последовательность захвата нанокапсулами молекул различных препаратов. Такие "танкеры" для кровотока могут быть сделаны из полимеров или из полупроводников типа теллурида кадмия (иллюстрация с сайта science.nasa.gov).

Когда клетки повреждены радиацией, они производят специфические белковые маркеры, называемые CD-95 и размещают их на своих внешних оболочках. Так клетки "кричат": "Я ранена, я ранена" (кстати, недавно учёные научили бактерии "говорить" на новом языке).
Учёные подбирают соответствующие молекулы, которые можно было бы закрепить на поверхности наночастиц (своеобразных нанороботов) и которые (молекулы) соединялись бы с CD-95, как только окажутся поблизости от повреждённой клетки.
Если лучевое повреждение велико, наночастицы должны войти внутрь клетки и выпустить из своих "запасов" ферменты, запускающие механизм самоубийства клетки.
Если "рана" клетки не слишком велика - нанороботы делают "инъекцию" других ферментов, которые должны способствовать восстановлению ДНК и возвращению клетки к нормальной работе.

В распоряжении учёных есть такие удивительные машины, как наноманипуляторы, построенные на базе атомного силового или туннельного микроскопа. Они позволяют видеть на большом экране объекты молекулярного размера и передвигать их в реальности, при помощи фантомной "руки", снимающей движение кисти человека и передающей эти сигналы на силовой микроскоп (фото с сайта cs.unc.edu).

Такие целебные ферменты уже известны, нужно лишь научиться доставлять их точно в цель.
Команда Лири также изучает способы применить в этой технологии флуоресцентные молекулы, также размещённые на внешней поверхности нанороботов.
Эти "светлячки" могли бы передавать людям информацию о степени лучевого повреждения организма, меняя интенсивность своего свечения и даже цвет - в зависимости от стадии заболевания.
А как же люди могли бы увидеть эти послания? Сравнительно просто - снимая в темноте изображение сетчатки глаза, наполненной кровеносными сосудами.
Джеймс Лири подчёркивает, что практически все составляющие этой грандиозной задумки, в том или ином виде, известны и опробованы в лабораториях. Нужно лишь совместить всё это в работоспособный комплекс.
Никто не готов предсказать, сколько лет уйдёт на эту работу, но не исключено, что учёные поспеют к первому полёту человека на Марс.

www.membrana.ru
27 февраля 2004