«Врачи-нанороботы» — миф или реальность?
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания» американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека.
Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию.
То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем — совсем другой вопрос.
Около 20 000 лет тому назад человекначал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист.
Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов.
Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются.
Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов [1].
Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.
Наномедицина — что это?
Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов.
Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир.
О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.
По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина — это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств» [2].
Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места» [3].
Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли.
В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.
«Молекулярные машины»
Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию — использование «молекулярных машин».
Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии».
Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов — наномашин для ремонта клеток.
По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики [4].
Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?
До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов.
Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека.
Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений [5].
Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями [7], [8]. Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.
Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место.
Один из таких методов — применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения.
Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.
2. Питание нанороботов
В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. 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.
Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.
3. Передвижение нанороботов
В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор [9]. Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.
Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия).
В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма [10]. Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть.
Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина — 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека.
При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.
Прототипы нанороботов
С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.
1. ДНК-нанороботы
В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology, в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов [11].
Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма.
Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1).
При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов.
Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.
Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» — в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке — скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.
2. Наноробот — морской гребешок
Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2).
Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги.
При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины [15].
Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.
3. «Цинковые наноракеты»
Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм [16].
Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны.
Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка.
Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).
Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а — Механизм работы «цинкового мотора». б — Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в — Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г — Фазы движения нанороботов.
Видео 1. Движение созданного калифорнийскими учеными прототипа наноробота.
Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов.
Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.
4. «Шустрые» наниты
Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде [17]. Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту.
При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля.
Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц.
Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.
Рисунок 4. Скорость магнитных пловцов с различным количеством бусин.
Видео 2. Нанороботы-трансформеры, созданные в Университете Дрекселя, США.
По образу и подобию
Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое.
Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе [18].
Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше.
Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека [3].
- Yamamoto Y., Miura T., Suzuki M., Kawamura N., Miyagawa H., Nakamura T. et al. (2004). Direct observation of ferromagnetic spin polarization in gold nanoparticles. Phys. Rev. Lett. 93, 116801;
- Freitas R.A. Jr. (2005). What is nanomedicine? Nanomedicine. 1, 2–9;
- Feynman R.P. (1960). There’s plenty of room at the bottom. Caltech Engineering and Science. 23, 22-36;
- Дрекслер Э. Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии. М.: Издательство «Энкор Букс», 2009;
- Merkle R.C. and Freitas R.A. Jr. (2003). Theoretical analysis of a carbon-carbon dimer placement tool for diamond mechanosynthesis. J. Nanosci. Nanotechnol. 3, 319–324;
- Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы — названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016;
- Борисенко В.Е. (1997). Наноэлектроника — основа информационных систем XXI века. Соросовский oбразовательный журнал. 5, 100–104;
- Синтетическая жизнь;
- Soong R.K., Bachand G.D., Neves H.P., Olkhovets A.G., Craighead H.G., Montemagno C.D. (2000). Powering an inorganic nanodevice with a biomolecular motor. Science. 290, 1555–1558;
- Schamel D., Mark A.G., Gibbs J.G., Miksch C., Morozov K.I., Leshansky A.M., Fischer P. (2014). Nanopropellers and their actuation in complex viscoelastic media. ACS Nano. 8, 8794–8801;
- Amir Y., Ben-Ishay E., Levner D., Ittah S., Abu-Horowitz A., Bachelet I. (2014). Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nat. Nanotechnol. 9, 353–357;
- ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет;
- Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме;
- Биоинженеры научились получать ДНК-структуры, сборкой и разборкой которых можно управлять;
- Qiu T., Lee T.C., Mark A.G., Morozov K.I., Münster R., Mierka O. et al. (2014). Swimming by reciprocal motion at low Reynolds number. Nat. Commun. 5, 5119;
- Wang J. and Zhang L. (2015). Artificial micromotors in the mouse’s stomach: a step toward in vivo use of synthetic motors. ACS Nano. 8, 117–123;
- Cheang U.K., Meshkati F., Kim H., Lee K., Fu H.C., Kim M.J. (2016). Versatile microrobotics using simple modular subunits. Sci. Rep. 6, 30472;
- Человек на чипе.
Источник: https://biomolecula.ru/articles/vrachi-nanoroboty-mif-ili-realnost
Наниты впервые были использованы на практике!
На протяжении долгого времени в научной фантастике говорилось о том, что в будущем для решения разных проблем будут использоваться крошечные роботы наниты.
Наниты будут способны бороться с вирусными инфекциями, служить курьерами, доставляющими лекарства, помогать врачам проводить соответствующие операции и т. д.
Некоторое время назад было объявлено о том, что прототип подобных нанитов уже был представлен шведскими учеными, но этот прототип был несовершенным, им невозможно было управлять.
Наноро́боты, или нанобо́ты — роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.
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» и «наноген», однако, технически правильным термином в контексте серьёзных инженерных исследований все равно остается первый вариант.
Более интересную и работающую версию нанитов создали ученые из Калифорнийского университета. Результатом их исследований стали микроскопические роботы, способные доставлять лекарства внутри организма, не вызывая при этом болевых ощущений или побочных эффектов.
Созданные роботы перенесли на себе частицы лекарственных препаратов, используя в качестве топлива пузырьки газа. Газ, кстати, является продуктом жизнедеятельности живого существа, он образуется внутри желудка. В качестве первого испытателя выступила лабораторная мышь, при этом она не испытывала какие-либо неудобства и осталась цела.
Ученые говорят о том, что такой результат говорит о большом прогрессе в отрасли, ведь созданные ими роботы смогли двигаться в организме со скоростью 60 микрометров в секунду.
Для того чтобы доставить лекарство до пункта назначения (а в этом эксперименте им нужно было добраться до оболочки желудка), пришлось затратить некоторое время, при этом роботы оставались в желудке примерно двенадцать часов, это позволило им точечно впрыснуть лекарство и добиться предельной эффективности его действия.
После того, как наниты побывали в теле мыши, было произведено вскрытие, которое показало, что роботы абсолютно безопасно прошли весь путь и не нанесли повреждения тканям. При этом уровень токсического заражения остался в пределах нормы. Это говорит о том, что ученые добились своей цели и получили роботов, которые будут использоваться в будущем для повышения эффективности от лечения.
Сейчас ученые думают над тем, как увеличить скорость передвижения, а также об альтернативном топливе, так как использование газа может негативно сказаться на состоянии человека.
робототехника
Источник: https://neuronus.com/news-tech/806-nanity-vpervye-byli-ispolzovany-na-praktike.html
Ученые создали нанороботов для очистки сердечно-сосудистой системы
Темпы развития областей нанотехнологий, робототехники и медицины позволяют рассчитывать на то, что в не очень далеком будущем на свет появятся крошечные “умные” машины, нанороботы, которые будут заниматься постоянным поддержанием здоровья людей на должном уровне, действуя внутри человеческого тела. Шагом к реализации этой мечты являются крошечные нанороботы-рыбы, созданные специалистами Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Воспользуйтесь нашими услугами
Эти роботы, функционирующие под управлением внешнего магнитного поля, уже способны выполнять ряд достаточно сложных работ, включая доставку лекарственных препаратов к месту назначения, проведение микрохирургических операций и выполнение других манипуляций с отдельными клетками организма.
Разработанные группой Джинксинга Ли (Jinxing Li) нанороботы, которые в 100 раз меньше крупинки песка, состоят из крошечных золотых и никелевых сегментов, скрепленных друг с другом серебряными перемычками.
Для управления этими роботами используется внешний электромагнит, поле которого воздействует на сегменты из никеля, который является единственным магнитным материалом в конструкции этого наноробота.
Переменное магнитное поле определенной формы, генерируемое магнитом, заставляет тело робота изгибаться, совершая колебательные движения, напоминающие движения тела рыбы в воде. А изменение параметров магнитного поля позволяет контролировать направление и скорость движения этого крошечного “пловца”.
Следует отметить, что данные нанороботы являются далеко не первой подобной разработкой. Но большая часть того, что было создано ранее, по конструкции более напоминает крошечные субмарины, а не рыбу. Такие нанороботы традиционно имеют “хвост”, закрученный в виде штопора, который выполняет роль винта субмарины и идея которого была позаимствована у некоторых видов микроорганизмов.
Ученые из Калифорнийского университета провели испытания созданных ими нанороботов, сравнительный анализ характеристик их движения и возможностей с аналогичными параметрами других подобных нанороботов.
Несмотря на достаточно высокую сложность их изготовления, калифорнийские нанороботы продемонстрировали большую маневренность, большую скорость передвижения и более высокую эффективность, нежели их ближайшие конкуренты.
А сейчас калифорнийские исследователи разрабатывают конструкцию нового наноробота, изготовленную из биоразлагаемых материалов, которая будет растворяться внутри организма человека без следа и не нанося ему вреда после того, как наноробот выполнит поставленную перед ним задачу.
Источник: http://integral-russia.ru/2016/10/01/uchenye-sozdali-nanorobotov-dlya-ochistki-serdechno-sosudistoj-sistemy/
Нанотехнологии
- Главная
- Статьи
- Науки о жизни
- Нанотехнологии
06 Ноября 2018
Новые нанороботы помогут в лечении множества глазных заболеваний, от диабетической ретинопатии до глаукомы.
читать19 Октября 2018
Наночастицы предоставляют качественно новые возможности для целей тераностики – терапии и диагностики «в одном флаконе».
читать18 Октября 2018
Метод быстрой детекции низкомолекулярных соединений можно использовать для обнаружения следовых количеств веществ.
читать10 Октября 2018
Защитная оболочка позволяет синтезирующим полезные вещества бактериям выживать в непригодных для их существования условиях.
читать03 Октября 2018
«Биочернила» с химическими наносенсорами позволяют наблюдать за состоянием клеток в трехмерных структурах.
читать24 Сентября 2018
Тонкий пластырь размером с почтовую марку крепится к шее или другим участкам тела и измеряет кровяное давление в аорте.
читать19 Сентября 2018
Наночастицы на основе одного из флавоноидов зеленого чая оказались хорошим вектором для доставки терапевтических РНК в клетки.
читать19 Сентября 2018
Наночастицы на основе иттрия позволяют выявлять размер и положение опухолей и доставлять к ним средства для химиотерапии.
читать04 Сентября 2018
Адсорбирующие наночастицы в оболочках нейтрофилов способны впитывать ответственные за воспалительные процессы белки.
читать03 Сентября 2018
Организм крыс принял имплантат, а опыты с клетками человеческих тканей in vitro также показывают многообещающие результаты.
читать03 Сентября 2018
Учёные создали генетически изменённый штамм вируса, который создаёт из золота полые наноконструкции из шаров и шипов.
читать31 Августа 2018
Наночастицы, выделяющие активные формы кислорода под действием света, убивают устойчивые к антибиотикам бактерии.
читать25 Июля 2018
Ученые показали принципиальную возможность создания нового класса противоопухолевых препаратов на основе «пластиковых антител».
читать25 Июля 2018
Упаковочный материал из хитина и целлюлозы позволит сохранять продукты свежими дольше, чем привычный пластик.
читать23 Июля 2018
Промышленным предприятиям необходимо задуматься о создании систем предупреждения их попадания в окружающую среду.
читать20 Июля 2018
Магнитные нанодиски позволят увеличить чувствительность и информативность МРТ и других методов визуализации органов и тканей.
читать18 Июля 2018
Новая технология позволяет поймать в 10-80 раз больше циркулирующих опухолевых клеток, чем стандартный анализ крови.
читать16 Июля 2018
Создана технология доставки препаратов в опухоли с помощью рентгеновского излучения и липосом с наночастицами золота.
читать16 Июля 2018
Новый тип контрастных агентов для МРТ можно использовать как для диагностики, так и для терапии онкологических заболеваний.
читать11 Июля 2018
Капсулы с наружным слоем из наночастиц диоксида церия защищают препараты от разрушения или здоровые клетки от действия токсичных лекарств.
читать
Источник: http://www.vechnayamolodost.ru/articles/nanotekhnologii/eshche-odna-narorybka/
Нанороботы – технология, которая изменит мир
Еще в 1986 году известный американский инженер Эрик Дрекслер в своей книге «Машина созидания» привел пример роботов, способных строить объекты на молекулярном уровне – атом за атомом.
Они также должны проникать в тело человека и лечить его изнутри, воздействуя непосредственно на пораженные болезнью участки организма.
Все это звучит утопично, но сегодня многие ученые уверены, что появление таких машин – нанороботов – это всего лишь вопрос времени.
Что такое нанороботы?
Четкого ответа на этот вопрос пока не существует – нет единого и универсального толкования термина «наноробот».
В целом же, когда говорят о таких устройствах, обычно имеют в виду крошечных роботов размером с молекулу, способных манипулировать атомами и прочими нанообъектами.
Иными словами, они способны воздействовать на саму основу всего нашего мира, ведь уже доказано, что все вокруг, включая нас самих, состоит из атомов. Это открывает широкие возможности нанороботам и людям, управляющими ими.
Далеко не все ученые верят в то, что нанороботов реально создать, и их сложно винить в скептицизме – все описанное выше действительно звучит слишком фантастично. Но нужно понимать, что каждый из нас жив сегодня благодаря бесчисленным операциям наноботов в триллионах наших клеток.
Люди дают им определенные названия, например, «рибосомы», «кровяные тельца» и т.д., но по своей сути они — запрограммированные машины с функцией. Если мы сможем понять, какую именно «программу» они используют, и сможем ее воссоздать – будущее с нанороботами не заставит себя долго ждать.
Сейчас используется несколько способов создания нанороботов. Согласно первому, для этих целей потребуется специальная нанофабрика. Это комплекс устройств, предназначенный для комбинации атомов и создания из них различных связей. Второй метод подразумевает создание наноробота на основе ДНК.
Возможный потенциал нанороботов
Ученые считают, что он практически безграничен. При достаточном уровне развития технологии эти микроскопические устройства смогут в прямом смысле преобразить наш мир. Среди прочего они позволят:
• Лечить все болезни, даже такие опасные, как рак. Врачи смогут внедрять роботов в организм пациента и с их помощью быстро отслеживать пораженные клетки, а затем напрямую лечить их изнутри! Это, в свою очередь, позволит существенно продлить срок человеческой жизни и, возможно, даже обрести бессмертие.
• Изменять организм, улучшая его функции и возможности. Наноботы в данном случае используются как имплантаты. Помещенные внутрь организма, они будут отслеживать его состояние, быстро фиксировать симптомы заболеваний, улучшать физические данные носителя и т. д.
• Подключить мозг к Интернету. Напрямую! Изобретатель Реймонд Курцвел считает, что это станет возможным уже в 2030 году.
• Очищать воды Мирового океана и воздух, высасывая загрязнения на молекулярном уровне.
Это лишь малая часть возможностей нанороботов. При должной фантазии и изобретательности с их помощью можно сделать невероятно много.
Современные нанороботы
Уже создан целый ряд удивительных разработок в данном направлении! Приведем здесь только некоторых из них:
Наноплавники от ETH Zurich и Technion. Устройство представляет собой полипропиловую проволоку. Она способна двигаться в биологической жидкости организма со скоростью 15 микрометров в секунду. Такой «наноплавник» можно использовать для точечной доставки лекарств в пораженный орган.
3D-движущиеся наномашины из ДНК. Такую необычную конструкцию разработали ученые Университета Огайо. Эти боты сконструированы непосредственно из ДНК-клеток и могут выполнять определенные манипуляции.
Еще один вид нанороботов, предназначенный для доставки лекарств в заданные участки, создали ученые Дрексельского Университета. Конструкция представляет собой цепочку из 13 ботов, способных передвигаться по биологической жидкости со скоростью 17,85 микрометра в секунду.
Эти наноботы, конечно, еще не способны лечить все болезни и подключать человеческий мозг к Интернету. И в ближайшее время не смогут. Но очевидно, что все к тому идет, и появление наноботов в повседневной жизни – это не настолько нереально, как может показаться на первый взгляд.
Источник: https://robot-ex.ru/ru/article/nanoroboti-tehnologiya-kotoraya-izmenit-mir-62384
Нанотехнологии
Нанотехнологии – весьма модное нынче слово. Причем, что именно за ним прячется, никто толком и не знает. Все понимают, что дело происходит на атомном уровне, среди молекул, и что рассмотреть происходящее сможет не каждый микроскоп.
У нас нанотехнологиями занимается Сколково. И на этом информация обрывается.
Простым людям приходится довольствоваться тем, что нанотехнология может создавать шестеренки на молекулярном уровне… Но ведь информации об изготовлении атомной бомбы тоже сразу попала в общий доступ.
микрофлюидикананотрубкиквантовая механика1
Команда ученых из института FEMTO-ST (Франция) под руководством Жан-Ив Рауха построила самый необычный и без сомнения самый маленький в мире домик высотой всего 15 мкм из тонких кремнеземных мембран. При его создании были использованы двухлучевой сканирующий электронный микроскоп и фокусированный ионный луч.
В Массачусетском Технологическом Институте разработали технологию, воплощающую фантастические идеи о микроскопических роботах-помощниках в жизнь. Это спрей, который содержит наноботы, пассивные автоматические датчики, настроенные на распознавание конкретных видов угроз. Достаточно распылить аэрозоль в опасном месте и…
Утечки тепла от работающей электроники являются серьезной проблемой. Ученые Калифорнийского университета в Беркли разработали пленку, которая после нанесения на работающие устройства и механизмы будет захватывать и утилизировать отработанное тепло.
На протяжении многих десятилетий ученые мечтали о создании крошечных нанороботов размером в одну молекулу, незримо выполняющих важнейшие функции внутри нашего организма (например, очистку системы кровообращения). Пока еще многое из этого относится к области фантастики, но подвижки в этом направлении уже есть.
Команда исследователей Лондонского Имперского колледжа под руководством профессоров Джошуа Эделя и Алексея Корнышева разработала фильтр, на котором можно регулировать расстояние между наночастицами. Благодаря этому его поверхность может становиться зеркальной, либо прозрачной, как обычное стекло.
0
Ученые-химики Санкт-Петербургского университета ИТМО разработали уникальную технологию формирования люминесцентных наноструктур с помощью струйной печати. На практике она позволяет создавать радужные голограммы с помощью наночастиц специально подготовленных металлов.
5
Существует ли эталон точности часов? По всей видимости, говорить об этом пока рано, но ученые во многих странах мира к этому стремятся. Во Всероссийском НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) созданы оптические часы на холодных атомах.
28-29 апреля во французской Тулузе должны состояться не совсем обычные автогонки – Nanocar Race. Их участники — автомобили, состоящие из нескольких сотен атомов, приводимые в движение электрическими импульсами. Местом 36-часовой гонки станет «автодром» из микроскопического кусочка золота длиной 100 нанометров.
Инженеры компании IBM создали самый крохотный магнит в мире не из творческого интереса, а в практических целях. Они попытались выяснить, в какой минимальный физический объем можно втиснуть единичную ячейку памяти – один бит. И после долгой игры с туннельным микроскопом добрались до уровня одного-единственного атома.
Крошечное автономное устройство может сделать антибиотики более безопасными и эффективными. В некотором смысле, его можно представить как маленькую подводную лодку, которая плавает в человеческом желудке под воздействием его кислоты.
Распутывать затянувшийся узлом шнурок занятие достаточно нудное и требующее спокойствия и терпения. Другое дело, когда речь идет об узлах, состоящих из сотни молекул размером примерно 20 нанометров. Здесь уж точно одного терпения недостаточно. Именно такими структурами в настоящее время занимаются исследователи…
2
Физики Стэндфордского университета сообщили о создании самого тонкого в мире электропровода, используя для этого «диамантоиды» – мельчайшие частицы алмаза. Толщина нанопровода составляет всего три атома.
Установлено, что «адресная» доставка медикаментов к больному органу значительно повышает эффективность лечения, особенно, когда речь идет об опухолях. Сегодня во многих странах мира ученые работают над созданием подобных «средств доставки». Одно из них разрабатывают химики МГУ.
Ученые из Университета Райса (США) и Университета Грац (Австрия) освоили технологию управления «трехколесными» одиночными молекулами с помощью света.
Уже более 10 лет продолжается незримая гонка между специалистами в области микроэлектроники по созданию самого маленького транзистора. На данный момент порогом размера затвора транзистора (электрода, на который подается управляющее напряжение) считались 5 нанометров.
В этом году Нобелевской премии по химии были удостоены Жан-Пьер Саваж (Франция), Джон Фрейзер Стоддарт (США) и Бернард Феринга (Голландия) за исследования в области создания молекулярных двигателей.
Исследователям из Университета Пьера и Мари Кюри удалось создать зеркало молекулярного масштаба, задействовав всего 2000 атомов. Результаты работы были описаны в издании Physical Review Letters.
0
Графен продолжает удивлять ученых все новыми гранями своего «таланта». На сей раз речь идет об использовании сверхпроводимого одноатомного слоя углерода, используемого для создания двухмерных материалов, которые найдут свое воплощение в лазерах, датчиках и электронике нового поколения.
1
С появлением первых персональных компьютеров в далеких 50-х годах прошлого века ученые и инженеры не жалеют усилий по уменьшению размеров носителей информации. Прорывом в этом направлении стала разработка команды Технологического университета города Делфт (Голландия) технологии хранения данных с помощью отдельных…
2
Международная группа исследователей университета Манчестера (Великобритания) и Шаньдунского университета (Китай) под руководством доктора Эрни Хилла разработала наноустройство под названием баллистический выпрямитель, преобразующее тепло выхлопных газов в электричество.
Международная команда ученых во главе с физиком Сав-Вей Хла из Университета Огайо разработала молекулярные двигатели, способные синхронизировать свои движения. Результаты исследований помогут в развитии фотоники и электроники и пригодятся для создания новых компьютеров и наноустройств.
Передача света на большие расстояния уже давно стала повседневностью. Оптоволоконные кабели связи протянулись на десятки тысяч километров, буквально опоясав собой весь мир. Тем не менее, использование всех преимуществ световых сигналов в масштабе компьютеров и микрочипов все еще не нашло применения на практике. Однако…
После масштабной катастрофы в Мексиканском заливе в 2010 году, в результате которой в море вытекло до 100000 баррелей нефти, повсеместно активизировались разработки новых технологий по извлечению нефтепродуктов из воды. Одна из них – многофункциональная ткань, покрытая крошечными полупроводниковыми стержнями.
0
Ученые из университета немецкого города Майнц создали двигатель, размером в один атом. Разработанный и построенный командой экспериментальных физиков во главе с Йоханнесом Роснагелем, двигатель работает примерно также, как и двигатель обычного автомобиля − преобразует изменение температуры в механическую энергию. В…
Совместные исследования ученых Германии и Испании показали возможность использования тысяч микроботов, размером с человеческий волос, для очистки сточных вод предприятий от токсичных металлов. Научная работа была опубликована в журнале Американского химического общества.
1
Далеко не каждый может себе представить, что однажды вместо стирки грязную одежду достаточно будет несколько минут подержать на солнце или под лампочкой, чтобы она стала абсолютно чистой.
Некоторые одноклеточные бактерии способны видеть, выступая в качестве микроскопического объектива камеры, фокусирующей свет. К такому выводу пришли учёные университета Фрайбург (Германия) и университета королевы Марии (Лондон) во главе с Конрадом Мулине.
От обычной механической гравировки по стеклу лазерная отличается, прежде всего, методом, точностью, размерами и своим предназначением. Достаточно сказать, что её параметры измеряются в нанометрах, что соответствует примерно одной тысячной толщины человеческого волоса.
Ещё один научно-фантастический проект Голливуда стал реальностью. Речь идет о кинофильме Fantastic Voyage (1966 г.), в котором фигурировали микроскопические средства передвижения. Специалистам лаборатории Университета Райса (Хьюстон, штат Калифорния) под руководством Джеймса Тура удалось создать «подводную лодку»…
2
Технология носит название «Метод зондирования вертикальными токами (ЗВТ)». В ее разработке принимали участие ученые Новосибирского государственного университета во главе с геофизиком профессором Владимиром Могилатовым.
Изучая природные наноструктуры водомерок, некоторых пауков и листьев лотоса, ученые научились создавать гидрофобные поверхности, которые можно будет использовать для создания, к примеру, труб, судов или подводных лодок нового поколения.
Встроенные в одежду дисплеи – быстро развивающееся направление носимой электроники. Однако, все существующие гибкие светодиоды до сих пор представляли собой специальное твердое основание, покрытое люминесцентным слоем. Исследователям Института науки и технологий Кореи (KAIST) удалось создать волокна, являющиеся частью…
Источник: https://www.techcult.ru/tag/nano
Созданный учёными наноробот буравит раковую клетку и убивает её за минуту « Gearmix
Учёные разработали нанороботов, которые проникают в раковые клетки и убивают их всего за одну минуту. Мельчайшие молекулы движутся под воздействием света и так быстро вращаются, что могут пройти сквозь любую клетку.
В ходе испытаний, проводимых учёными Даремского университета, нанороботу понадобилось от 1 до 3 минут, чтобы прорваться сквозь наружную мембрану раковой клетки предстательной железы и мгновенно убить её.
Наномашина представляет собой похожую на ротор цепочку атомов, которая движется в одном направлении и разгоняет молекулу до высоких скоростей вращения.
Роберт Пал из Даремского университета рассказывает: «Мы надеемся использовать активируемых светом нанороботов, чтобы атаковать даже устойчивые к химиотерапии раковые клетки, появляющиеся при опухоли в груди или при меланоме кожи. Метод станет новым шагом в неинвазивном лечении рака, значительно повысит выживаемость среди пациентов и улучшит их состояние».
Учёные, опубликовавшие текст работы в журнале Nature, создали несколько активируемых светом подвижных молекул для атаки определённых клеток.
Специалисты обнаружили, что нанороботам необходимо вращаться с частотой в 2-3 миллиона оборотов в секунду, чтобы преодолеть препятствия на пути и опережать броуновское движение – беспорядочное движение взвешенных в жидкости микроскопических частиц.
Нанороботы могут убивать раковые клетки, а также доставлять лекарственные препараты.
Без воздействия света, необходимого для активации, движущиеся молекулы нацеливаются на клетку и прикрепляются к её поверхности, не нанося вреда.
После активации светом наноробот быстро проходит сквозь мембрану.
Джеймс Тур из американского Университета Райса в Хьюстоне сообщил: «Эти молекулы настолько малы, что на срезе человеческого волоса можно легко разместить 50 тысяч нанороботов.
Но при своих размерах они поддаются активированию и способны определить цель, поэтому их можно использовать для лечения болезни. Исследование показало, что нанороботы способны пробуриться в клетки животных и человека.
Молекулы прикрепляются к поверхности клетки, и когда на них попадает свет, начинают просверливать мембрану. Долгое время я считал, что использовать нанороботов в медицине не получится, так как они слишком крошечные – гораздо меньше клеток.
Но благодаря недавнему исследованию я изменил мнение, и на мой взгляд, эта технология станет новым способом лечения. С помощью нанороботов можно будет не только уничтожать раковые клетки, но и лечить больные».
Учёные опробовали новую технологию на микроорганизмах и мальках и надеются вскоре перейти к испытаниям на грызунах, а в случае успеха – к клиническим испытаниям с участием людей.
Похожие записи
© Gearmix 2013 Права на опубликованный перевод принадлежат владельцам вебсайта gearmix.ru Все графические изображения, использованные при оформлении статьи принадлежат их владельцам. Знак охраны авторского права распространяется только на текст статьи.
Использование материалов сайта без активной индексируемой ссылки на источник запрещено.
Источник: http://gearmix.ru/archives/37738
Революция в медицине: микророботы заработали в живом организме
Четверг, 22 Января 2015, 12:39
Торпеды с лекарствами, шагающие молекулы, электронные морские гребешки избавят человечество от рака и других смертельных заболеваний
За последние несколько лет микроробототехника существенно продвинулась вперед. Только за последние пару месяцев в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.
Лечебные торпеды
Ученые из Калифорнийского Университета в Беркли произвели революцию в сфере наномедицины. Впервые в истории микроскопические двигатели заработали в живом организме, доставив медицинские препараты точно в слизистую желудка. Результаты работы опубликованы в свежем номере журнала ACS Nano.
Применение нанороботов обещает перевести медицину на кардинально новый уровень.
Перемещаясь не только по крупным артериям, но и по относительно узким кровеносным сосудам, они позволяют проводить сложные виды лечения без травматического хирургического вмешательства.
Но в первую очередь они будут полезны при терапии рака, целенаправленно доставляя лекарство прямо к злокачественному образованию. Это принципиально важно, ведь при химиотерапии препараты подаются через капельницу, нанося сильнейший удар по всему организму.
Разработка Калифорнийского Университета в Беркли представляет особую ценность, поскольку впервые вышла за рамки испытаний на культурах клеток и образцах тканей.
На сей раз ученые впервые протестировали нанороботов на живом организме, пусть и на мышином.
Микроскопические двигатели, доставили медицинские препараты точно в слизистую желудка грызунов, причем никаких побочных эффектов терапии выявлено не было.
Нонороботы, созданные специалистами Калифорнийского Университета в Беркли — это тончайшие, покрытые цинком полимерные трубки длинной всего в двадцать микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. В желудке цинк вступает в реакцию с кислотой, в результате чего образуются пузырьки водорода.
Газ вырывается из расширенного конца трубок, превращая их в крошечные торпеды, которые плывут в желудочном соке, пока не достигнут стенок желудка. Хотя скорость машин довольно низкая — около 60 микрометров в секунду, этого достаточно, чтобы в конце пути врезаться и застрять в слизистой.
Там трубки растворяются под действием ферментов и выпускают помещенное внутри лекарство.
https://www.youtube.com/watch?v=j26yPBNJZ4w
Немаловажное преимущество технологии состоит в том, что для производства нанороботов используется нетоксичный полимер, тогда как раньше в большинстве движущихся микромашин применяли небезопасные для организма химикаты.
Методику будут использовать для лечения многих заболеваний, включая самые сложные болезни желудка и рак. Точная доставка повысит эффективность лекарств и предотвратит их распространение по организму.
Молекулы научились ходить
А чуть раньше химики из Оксфордского университета создали способные самостоятельно передвигаться молекулы-нанороботы.
Они настолько крошечные, что их невозможно рассмотреть даже в самый мощный микроскоп. Тем не менее, роботы потихоньку передвигаться.
Это первый в истории современной науки случай, когда серия крошечных шагов, сделанных молекулой-нанороботом, была зафиксирована в режиме реального времени.
Движение регистрировалось по следу, оставляемому роботом на так называемых нанопорах — отверстиях очень малого диаметра, заполненных определенных химическим веществом. Эти нанопоры основаны на новой технологии «упорядочивания ДНК», разработанной учеными Bayley Group и специалистами их дочерней компании Oxford Nanopore Technologies.
Для того чтобы роботы не отрывались от поверхности, исследователи снабдили их химически активными «ногами», атомы которых образуют химические связи с материалом поверхности, по которой передвигаются молекулы.
Каждый раз «нога», входя в контакт с поверхностью, прилипает к ней, образуя химическую связь.
Для «ног» молекул выбрано такое вещество, которое позволит им передвигаться по множеству различных поверхностей, включая организм человека.
Передвигающиеся нанороботы — значимый шаг на пути создания функционирующих в живом организме крошечных двигателей. В будущем специалисты Оксфордского университета на базе нынешней технологии планируют разработать универсальную нанотранспортную сеть, которую можно развернуть в любом месте и по которой нанороботы будут переносить лекарства.
Целебные гребешки
Интересную разработку представили и ученые из немецкого Института интеллектуальных систем Макса Планка. Они создали необычного микроскопического робота в форме морского гребешка, который стремительно передвигается по жидкостям тела человека. Его конструкция отличается от всех предыдущих прототипов и, как уверяют создатели, является наилучшей для выполнения подобного рода задач.
Принцип движения робота тоже позаимствован у двустворчатого моллюска. Наноустройство умеет хлопать створками своей раковины и перемещаться за счет возникающей при этом реактивной тяги.
Это позволяет ему легко плыть в жидкостях с разной плотностью.
Авторы разработки говорят, что такой способ передвижения весьма экономичен с точки зрения энергозатрат: для работы используется энергия внешнего электромагнитного поля, что позволяет обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины.
Источник: http://www.dsnews.ua/future/revolyutsiya-v-meditsine-mikroroboty-zarabotali-v-zhivom-organizme-22012015094900
Нанороботы, подобные живым клеткам, очищают кровь от бактерий и токсинов
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) разработали крошечных роботов, которые могут плавать в крови под действием ультразвука, удаляя вредные бактерии вместе с токсинами, которые те производят.
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) разработали крошечных роботов, которые могут плавать в крови под действием ультразвука, удаляя вредные бактерии вместе с токсинами, которые те производят. С помощью нанороботов ученые в будущем смогут предложить безопасный и эффективный способ детоксикации биологических жидкостей. Результаты опубликованы в журнале Science Robotics.
Наноробот представляет собой провод из золота длиной менее двух нанометров, покрытый мембраной-гибридом: он создана из мембран тромбоцитов и эритроцитов.
Это гибридное покрытие позволяет крошечным роботам выполнять функции сразу двух разных клеток: тромбоцитов, которые борются с патогенами, такими как бактерии MRSA (устойчивый к антибиотикам штамм золотистого стафилококка), и эритроцитов, которые поглощают и нейтрализуют продуцируемые этими бактериями токсины. Золотое тело нанороботов реагирует на УЗИ, что дает им возможность быстро плавать без химического топлива. Эта мобильность помогает нанороботам и эффективно бороться со их противниками (бактериями и токсинами) в крови, и ускорять детоксикацию. Покрытие также защищает нанороботы от процесса, известного как «биологическое обрастание», когда белки собираются на поверхность чужеродных объектов и не позволяют им нормально работать.
Для своей разработки инженеры объединили технологии, впервые созданные Джозефом Вонгом (Joseph Wang) и Лянгфангом Чжан (Liangfang Zhang), профессорами Департамента нанотехнологий в инженерной школе Джейкобса при Калифорнийском университете Сан-Диего. Команда Вонга разработала нанороботы с ультразвуковым воздействием, а команда Чжана изобрела технологию нанесения естественной клеточной мембраны на наночастицу.
Исследователи создали гибридную оболочку, предварительно отделив целые мембраны от тромбоцитов и эритроцитов. Затем они применили высокочастотные звуковые волны для слияния мембран. Поскольку мембраны были взяты из живых клеток, они содержат все их исходные функции мембранных белков.
Нанороботы примерно в 25 раз тоньше человеческого волоса. Они могут перемещаться со скоростью до 35 микрометров в секунду в крови под воздействием ультразвука.
В тестах исследователи использовали нанороботов для лечения образцов крови, зараженных штаммом золотистого стафилококка MRSA и его токсинами.
Через пять минут в этих образцах крови было в три раза меньше бактерий и токсинов, чем в необработанных образцах.
Работа все еще находится на ранней стадии. Исследователи отмечают, что конечной целью является не использование нанороботов специально для лечения инфекций MRSA, а в более общем плане для детоксикации биологических жидкостей. Будущая работа включает тесты на живых животных. Команда также планирует в будущем использовать вместо золота биоразлагаемые материалы.
Источник: https://scientificrussia.ru/articles/nanoroboty-podobnye-zhivym-kletkam-ochishchayut-krov-ot-bakterij-i-toksinov
Загрузка...
