Нанороботы: сегодня и завтра
Как будут работать нанороботы?
16 октября 2017
Представьте, что идете к врачу за лечением постоянной простуды. Вместо того чтобы дать вам таблетку или сделать укол, врач направляет вас к специальной медицинской команде, которая имплантирует крошечного робота в вашу кровь. Робот распознает причину вашей болезни, отправляется в соответствующую систему и обеспечивает дозу лекарства непосредственно в зараженной зоне.
Вы удивитесь, но мы не так уж и далеки от устройств типа такого, которые уже отчасти используются в медицине. Они называются нанороботами, и инженеры по всему миру работают над ними, чтобы они в конечном итоге могли излечить все: от гемофилии до рака.
Как вы можете себе представить, задачи, стоящие перед инженерами, колоссальны. Жизнеспособный наноробот должен быть небольшим и достаточно гибким, чтобы перемещаться по человеческой системе кровообращения, невероятно сложной сети артерий и вен. Робот также должен обладать возможностью переносить медикаменты или миниатюрные инструменты. Если предположить, что наноробот не должен оставаться в теле пациента навсегда, он также должен уметь выходить из него.
В этой статье мы узнаем о потенциальном применении нанороботов, различных способов навигации нанороботов по нашему телу, об инструментах, которые они будут использовать для лечения пациентов, и о прогрессе, который двигают команды по всему миру.
Вот два бота, принимать на ночь вместе с едой
При должном исполнении нанороботы смогут лечить множество заболеваний и состояний человека. В то время как их размер означает, что они могут перенести лишь самую малую порцию медикаментов или оборудования, многие доктора и инженеры полагают, что точное применение этих инструментов будет более эффективным, нежели традиционных. К примеру, вводят мощный антибиотик пациенту через шприц, чтобы помочь его иммунной системе: антибиотик разбавляется кровотоком пациента, и в итоге только часть его достигает пункта назначения. Тем не менее наноботы или целая команда наноботов может добраться прямо до очага инфекции и доставить небольшую дозу лекарств. Пациент будет меньше страдать от побочных эффектов лекарств.
Несколько инженеров, ученых и врачей полагают, что возможные применения нанороботов практически не ограничены. Среди наиболее вероятных применений:
Лечение артериосклероза. Артериосклероз относится к состоянию, когда вдоль стенок артерий выстраиваются бляшки. Нанороботы могут помочь, срезая бляшки, которые затем будут увлекаться кровотоком.
Разрушение тромбов.
Тромбы могут вызывать различные осложнения, от смерти мышцы до инсульта. Нанороботы могут отправиться к тромбу и разбить его. Это применение является наиболее рискованным для нанороботов — робот должен иметь возможность снять блокаду, не уронив ни малейшего кусочка в кровоток, который затем мог бы направить его в другую часть тела и причинить еще больше вреда. Робот должен быть при этом достаточно мал, чтобы не заблокировать сам кровоток.
Борьба с раком.
Врачи надеются использовать нанороботов для лечения онкологических больных. Роботы могут либо атаковать непосредственно опухоли с помощью лазеров, микроволн или ультразвука, либо стать частью химиотерапии, обеспечив доставку лекарств непосредственно к месту рака. Врачи считают, что поставка небольших, но точных доз медикаментов пациенту сведет к минимуму побочные эффекты и потери лекарственной эффективности.
Помощь тромбоцитам.
Один из конкретных видов нанороботов — это клоттоцит, или искусственный тромбоцит. Клоттоцит несет небольшую сетку, которая превращается в липкую мембрану при контакте с плазмой крови. По словам Роберта Фрейтаса, автора идеи клоттоцитов, искусственное свертывание может проходить до 1000 раз быстрее, чем работает природный механизм свертывания организма. Врачи могут использовать клоттоциты для лечения больных гемофилией или пациентов с серьезными открытыми ранами.
Удаление паразитов.
Нанороботы могут вести микровойну с бактериями и мелкими паразитирующими организмами в теле пациента. Чтобы уничтожить всех паразитов, может понадобиться несколько нанороботов, работающих вместе.
Подагра.
Подагра — это состояние, при котором почки теряют способность удалять отходы расщепления жиров в кровотоке. Эти отходы иногда кристаллизуются в точках вблизи суставов вроде коленей и лодыжек. Люди, страдающие от подагры, испытывают интенсивную боль в этих суставах. Нанороботы могут разбить кристаллические структуры в суставах, обеспечивая облегчение от симптомов, хотя и не смогут полностью остановить процесс их формирования.
Разрушение камней в почках.
Камни в почках могут быть очень болезненными — чем больше камень, тем сложнее ему выйти. Врачи разбивают большие камни в почках с помощью ультразвуковых частот, но не всегда эффективно. Нанороботы могут разбить камни в почках, используя небольшой лазер.
Очистка ран.
Нанороботы могут помочь очистить рану от грязи, снизив вероятность заражения. Они будут особенно полезны в случае колотых ран, которые с трудом поддаются лечению с использованием более традиционных методов.
Как нанороботы будут перемещаться по кровеносной системе?
Навигация нанороботов
Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые, изучающие движение нанороботов по телу — навигация, питание и как нанороботы будут двигаться по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов, и у всякого есть положительные и отрицательные стороны. Большинство вариантов можно разделить на две категории: внешние системы и бортовые системы.
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов — использование ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в нужное место назначения. Врачам пришлось бы отправлять ультразвуковые сигналы в тело пациента. Сигналы проходили бы через тело и отражались обратно к источнику сигналов. Нанороботы могут излучать импульсы ультразвуковых сигналов, которые врачи могли бы регистрировать, используя специальное оборудование с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его, обнаруживая его магнитное поле. Врачи и инженеры из Политехнической школы Монреаля несколько лет назад показали, что могли бы обнаружить, отследить, управлять и даже передвигать наноробота с использованием МРТ. Они проверили свои выводы, маневрируя небольшим количеством малых магнитных частиц в артериях свиньи, используя специальное программное обеспечение на устройстве МРТ. Поскольку за рубежом во многих больницах есть МРТ, это может стать промышленным стандартом — больницам не придется инвестировать в дорогостоящие непроверенные технологии.
Врачи также могут отслеживать нанороботов путем введения радиоактивного красителя в кровоток пациента. Затем использовали бы флюороскоп или аналогичное устройство для обнаружения радиоактивного красителя по мере его движения в кровотоке. Сложные трехмерные изображения показали бы, где находятся нанороботы. В качестве альтернативы нанороботы сами могут распылять радиоактивную краску, оставляя след.
Другие методы обнаружения нанороботов включают использование рентгеновских лучей, радиоволн, микроволн или тепла. На данный момент наши технологии, использующие эти методы на наноразмерных объектах, ограничены, так что гораздо более вероятно, что будущие системы будут полагаться на другие методы.
Бортовые системы, или внутренние датчики, также могут сыграть большую роль в навигации. Нанороботы с химическими сенсорами могли бы обнаруживать и следовать по следам конкретных химических веществ для достижения правильного местоположения. Спектроскопический датчик позволил бы нанороботу забирать пробы и образцы окружающей ткани, анализировать их и идти дальше.
Как бы это странно не звучало, нанороботы могут быть оснащены миниатюрной телекамерой. Оператор мог бы управлять устройством во время просмотра живого видео, буквально вручную проводя корабль сквозь тело. Системы видеонаблюдения довольно сложны, поэтому понадобится по меньшей мере несколько лет, прежде чем нанотехнологи смогут создать надежную систему, которую можно будет поместить внутри крошечного робота.
Питание нанороботов
Так же, как о навигационных системах, нанотехнологи раздумывают о внешних и внутренних источниках питания. Некоторые проекты полагаются на нанороботов, использующих собственное тело пациента как способ выработки энергии. Другие проекты включают в себя небольшой источник энергии на борту самого робота. Наконец, некоторые проекты используют силы за пределами тела пациента для питания наноробота.
Нанороботы могут получать энергию непосредственно из кровотока. Наноробот с установленными электродами может сформировать батарею на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию. Наноробот мог бы нести небольшой запас химических веществ, которые станут источником топлива в сочетании с кровью.
Наноробот может использовать тепло тела для выработки энергии, но должен быть градиент температур для управления этим процессом. Выработка энергии может быть результатом эффектом Зеебека. Эффект Зеебека возникает, когда два проводника из разных металлов соединены в двух точках, которые обладают разной температурой. Металлические проводники становятся термопарой, то есть создают напряжение, когда стыки находятся в разных температурах. Поскольку трудно рассчитать температурный градиент в теле, едва ли мы увидим нанороботов, использующих тепло тела для генерации энергии.
Поскольку есть возможность создания батарей, достаточно малых для размещения в нанороботах, они обычно не рассматриваются в качестве жизнеспособного источника питания. Проблема заключается в том, что батареи могут хранить относительно небольшое количество энергии, напрямую связанное с их размером и весом, и, таким образом, очень маленькая батарея обеспечит лишь малую часть необходимой нанороботу энергии. Более вероятным кандидатом является конденсатор, который имеет немного лучшее соотношение мощности к весу.
Инженеры работают над созданием небольших конденсаторов, которые смогут стать источником питания для нанороботов.
Еще один возможный источник питания нанороботов — ядерный источник энергии.
Мысль о том, чтобы оснастить крошечного робота ядерной энергии может вызвать ужас у некоторых людей, но имейте в виду, что необходимое количество материала достаточно мало и, по мнению некоторых экспертов, его легко экранировать. Тем не менее общественное мнение по поводу ядерной энергии едва ли позволить сделать нанороботов на ее основе.
Внешние источники питания включают системы, когда нанороботы либо привязаны к внешнему миру, либо контролируются без физического поводка. Привязанная система потребует провода между наноботом и источником питания. Провод должен быть достаточно прочным, но также без проблем проходить сквозь тело человека, не нанося повреждений. Физический трос мог бы поставлять электроэнергию с помощь электричества или оптики. Оптические системы передают свет через оптоволокно, а он затем преобразуется в электричество на борту робота.
Внешние системы, которые не используют провода, могли бы полагаться на микроволны, ультразвуковые сигналы или магнитные поля. Микроволны наименее вероятны к использованию, поскольку могут повредить ткань пациента путем нагревания. Наноробот с пьезоэлектрической мембраной сможет подхватывать ультразвуковые сигналы и преобразовывать их в электричество. Системы, использующие магнитные поля, вроде тех врачей из Монреаля, о которых мы упоминали выше, могут также напрямую управлять нанороботом или индуцировать электрический ток в закрытой проводящей петле внутри робота.
Передвижение нанороботов
Если предположить, что нанороботы не будут привязаны или предназначены для пассивного течения через кровоток, им понадобится средство передвижения через тело. Поскольку им, возможно, придется плыть против течения крови, двигательная установка должна быть относительно мощная для своих размеров. Еще одним важным фактором является безопасность пациента — система должна быть в состоянии продвигать наноробота без ущерба хозяину.
Некоторые ученые наблюдают за микроорганизмами в поисках вдохновения. Парамеция может двигаться через среду, используя крошечные хвостики — реснички. Вибрируя ресничками, парамеция может плавать в любом направлении. Подобно ресничкам работают жгутики, более длинные хвостовые структуры. Организмы бьют жгутиками вокруг, чтобы двигаться в разных направлениях.
Израильские ученые создали микроробота, который всего несколько миллиметров в длину и использует маленькие придатки для захвата и ползания по кровеносным сосудам. Ученые манипулируют его конечностями, создавая магнитное поле за пределами тела пациента. Магнитное поле заставляет конечности робота вибрировать и толкать его по кровеносным сосудам. Ученые отмечают, что, поскольку вся энергия для наноробота берется из внешних источников, нет никакой необходимости оснащать механизм внутренним источником питания. Они надеются, что относительно простой дизайн позволит им сделать в скором времени еще более мелких роботов.
Другие устройства звучат еще более экзотически. Одно использует конденсаторы для генерации магнитных полей, которые бы протягивали проводящие жидкости из одного конца электромагнитного насоса и выстреливали бы их обратно. Наноробот двигался бы как реактивный самолет. Миниатюрные струйные насосы могут даже использовать плазму крови, чтобы подталкивать робота вперед, но, в отличие от электромагнитного насоса, в этих должны быть движущиеся части.
Другой потенциальный способ, которым могли бы передвигаться роботы — использование вибрирующей мембраны. Поочередно затягивая и ослабляя напряженность мембраны, нанороботы могли бы генерировать небольшую тягу. На наноуровне этой тяги может быть достаточно, чтобы стать основным источником движения.
Крошечные инструменты
Современные проверенные микророботы имеют всего несколько миллиметров в длину и около миллиметра в диаметре, но эти цифры уменьшаются ежегодно. По сравнению с наноуровнем, эти цифры просто огромны — нанометр представляет собой одну миллиардную долю метра, в то время как миллиметр — всего одну тысячную. Будущие нанороботы будут настолько малы, что вы сможете увидеть их только в микроскоп. Инструменты нанороботов должны быть еще меньше.
Вот несколько вещей, которые вы можете обнаружить в инструментарии нанороботов:
Полость для медикаментов.
Это пустая секция внутри наноробота, которая будет содержать небольшие дозы лекарств или химических веществ. Робот может высвобождать лекарства непосредственно в месте травмы или инфекции. Нанороботы также могут нести химические вещества, используемые в химиотерапии для лечения рака непосредственно на месте. Хотя количество лекарств будет относительно незначительным, применение их непосредственно к раковой ткани может быть более эффективным, чем традиционная терапия, которая опирается на систему кровообращения как способ перевозки химических веществ в теле пациента.
Зонды, ножи и стамески.
Чтобы удалять блокады и бляшки, нанороботам нужно будет что-то, что сможет хватать и рушить. Также, возможно, понадобится устройство для разрушения тромбов на мелкие кусочки. Если часть тромба вырвется и попадет в кровоток, она может вызвать массу проблем.
Микроволновые излучатели и ультразвуковые генераторы.
Чтобы уничтожать раковые клетки, врачам нужны методы, которые смогут убить клетку, не разрушив ее. Разорванная раковая клетка может выбросить химические вещества, которые спровоцируют дальнейшее распространение рака. Используя точные микроволны или ультразвуковые сигналы, наноробот может разрушить химические связи в раковой клетке, убив ее, не разрушая клеточные стенки. В качестве альтернативы робот может излучать микроволны или ультразвук для нагревания клетки, которого будет достаточно для ее уничтожения.
Электроды.
Два электрода, выступающих из наноробота, смогут убить раковые клетки, генерируя электрический ток и нагревая клетку, пока она не умрет.
Лазеры.
Крошечные мощные лазеры могут выжечь дотла вредные материалы вроде артериальных бляшек, раковых клеток или тромбов в крови. Лазеры буквально испарят это все.
Две самые большие проблемы, которые беспокоят ученых, — это как повысить эффективность этих миниатюрных инструментов и сделать их безопасными. Например, создать небольшой лазер, который будет достаточно мощным для испарения клеток, достаточно сложная задача, но сделать его безопасным для окружающей среды — еще сложнее. В то время как многие научные группы разработали нанороботов достаточно мелких, чтобы они могли попасть в кровеносную систему, это только первые шаги к созданию реально применяемых нанороботов.
Нанороботы: сегодня и завтра
Команды по всему миру работают над созданием первого практичного медицинского наноробота. Роботы от миллиметра в диаметре до относительно громоздких, в два сантиметра длиной, уже существуют, хотя и не испытываются на людях. Возможно, мы всего в нескольких годах от выхода нанороботов на медицинский рынок. Сегодняшние микророботы остаются прототипами, которым не хватает способностей выполнять медицинские задачи.
В будущем нанороботы могут совершить революцию в медицине. Врачи смогут лечить все, от сердечно-сосудистых заболеваний до рака, при помощи крошечных роботов, по размерам сопоставимых с бактериями, намного меньших, чем нынешние нанороботы. Некоторые считают, что полуавтономные нанороботы уже вот-вот будут доступны — доктора смогут имплантировать роботов, способных патрулировать человеческое тело и реагировать на любые проблемы. В отличие от экстренного лечения, эти роботы будут оставаться в теле пациента навсегда.
Другое потенциальное применение нанороботов в будущем — укрепление нашего тела, повышение иммунитета, увеличение силы или даже улучшение интеллекта.
Сможем ли мы в один прекрасный день обнаружить тысячи микроскопических роботов, плывущих по нашим венам и вносящим коррекции и изменения в наши разрушенные тела?
С нанотехнологиями, похоже, все будет возможно.
