Нанороботы.

[lenoklenka]

Оригинал взят у lexpartizan в Нанороботы.


Обычно я не склонен к фантазиям и пишу о том, что стопроцентно работает и даже существует в прототипах. О тех технологиях, что есть уже сегодня, но им остаётся маленький инженерный шажок или потребность в массовом внедрении, чтобы количественные изменения перешли в качественные. Например, робоманипулятор, если сможет менять головки самостоятельно, то превратится практически фабрикатор. Это не научный, а сугубо инженерный вопрос.

Но сегодня я бы хотел окунуться в мир твёрдой научной фантастики. В то, что теоретически вроде бы и возможно, но на практике до этого крайне далеко. Да и возможность достаточно эфемерна и недоказана. Всё может оказаться не так как кажется.

Итак, сегодня мы будем говорить о нанороботах.
[Spoiler (click to open)]
Если уж речь зашла о фантастике, то лучше всего о перспективах нанороботов описано в одной из моих любимых повестей "Сеть Нанотех". Крайне рекомендую к прочтению, благо повесть небольшая.

А мы попробуем посмотреть на реальные перспективы и оценить, доступны ли эти сногсшибательные возможности. Пока же современные технологии выглядят примерно так:


Поэтому придёться немного включить фантазию, не отрываясь далеко от реальности.

А чтобы не отрываться от реальности, начнём с критики.
Критика:
1. Синтез молекул (химических веществ) - это не совсем тоже самое, что сборка атомов. Молекула - это группа атомов, не просто уложенных в нужном порядке, но еще и соединенных химическими связями. Прозрачная жидкость, в которой на два атома водорода приходится один атом кислорода, может быть водой, а может быть и смесью жидких водорода и кислорода (внимание: не смешивать в домашних условиях!). Предположим, что нам каким-то образом удалось сложить кучку из восьми атомов - двух атомов углерода и шести атомов водорода, изображенную на рисунке. Физику эта кучка представится, наверное, молекулой этана С2Н6, но химик укажет еще как минимум две возможности соединения атомов.

2. Наноробот требует бортовой компьютер. Линейные размеры этого компьютера не должны были превышать 40-50 нм - это как раз размер одного транзистора. Медицинский наноробот максимального размера в 3000 нм, допустимого для прохождения через капилляры. Он вместит в себя всего 60 транзисторов. Если предположить недостижимое - что каждый атом несет один бит информации, то объем этой памяти для робота, размером в 1000 нанометров будет 12,5 мегабайт.

3. Механическое воздействие на атомы невозможно. Манипулятор, «захвативший» атом, соединится с ним навеки вследствие химического взаимодействия. Манипулирование атомами производится другими способами. Что усложнит наноробота-сборщика нанороботов.

4. В наномире свои законы и привычные методы тут не действуют. Начинает играть роль квантовая физика, электроны легко пробивают нанометровый изолятор и тд и тп. Фактически мы придём к физическому барьеру вместе с процессорами. Механика в наномире тоже работает по другому. Нанометровый поршень? Представьте себе трение в системе, где каждый атом имеет значение? Стенка атомов вовсе не гладкая. В общем, с определённых пределов старые методы уже не работают.

5. Объём данных для атомной сборки очень велик. Производительность наноассемблера для макрообъектов под большим сомнением.

Производство нанороботов
Как сделать нанороботов? С помощью электронного микроскопа, например. Ведь это нано3Dпринтер. 1 нанометр? Не вопрос.


Электронные микроскопы производят в Украине, в Сумах. Если ещё на металл не порезали. Кроме того, электронные микроскопы необходимы для электронной промышленности.

Конечно, такой способ не подходит для массового производства ибо слишком долгий и нудный, а роботов надо печатать пачками. Миллиардами. Ибо единичные нанороботы просто неспособны повлиять на организм, например. А стакан нанороботов - это миллиарды рыл. Впрочем, наноботов можно было бы изготавливать, как микросхемы. На подложке. Тем же техпроцессом. Но это тоже слишком долго. Эти способы подходят скорее для экспериментов, чем производства.

Ну и, конечно, священный Грааль нанотехнологий - наноассемблер. Предупреждаю, пока это просто фантастика. Та самая, что описывается в вышеупомянутой повести.
Устройство, позволяющее собирать молекулы из атомов. И конечные устройства из молекул.
То самое устройство, которое позволит заменить химпьютер и фабрикатор.
Основной строительный материал для наноассемблера - углерод. В зависимости от формирования его кристаллической решётки можно получить от мягкого токопроводящего графита до непроводящего алмаза и даже твёрже. Я уж молчу о свойствах углеродных нанотрубок, графена, фаграфена и других.
Существует два подхода к наноассемблеру - это нанофабрика(которая может быть собрана на нанофабрике, конечно) и самовоспроизводящиеся нанороботы-строители.

По нанофабрике дела вкратце таковы:
Ученым удалось создать миниатюрную копию производственной линии, состоящую из системы транспортировки (конвейера), двух площадок для сборки изделий и двигателя,который приводит все это в движение. Производственная линия, созданная учеными из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, размещается на микрофлюидной платформе, главный канал которой имеет диаметр всего 30 микрометров (в три раза тоньше волоса).

Самовоспроизводящиеся же роботы потенциально опасны, так как в случае сбоя смогут бесконтрольно размножаться. Что приведёт к сценарию Серой Слизи. Удержать наноробота на фабрике не представляется возможным даже теоретически, он слишком мал, так что единственным выходом является "не создавать самовоспроизводящихся нанороботов!"
Однако производство нанороботов с помощью нанороботов вполне возможно. Особенно, если этот процесс будет протекать с помощью внешнего источника энергии. Производящие нанороботы не должны иметь своего источника энергии!
Другая опасность любых нанороботов и наночастиц - вред для человеческого организма. Причём любых, не только медицинских. Вы можете вдохнуть промышленные наночастицы, например.
Как эти дети, вдохнувшие углеродные нанотрубки, полезные, как ложка асбеста и вызывающие рак, способные повреждать ДНК. Нанороботы или наночастицы слишком малы, чтобы имунная система их обнааружила и уничтожила. Они могут легко проникать сквозь стенки клеток, убивать их, повреждать ДНК. И их распространение невозможно проконтроллировать. Представьте взрыв на производстве нанотрубок и заполненный нанотрубками воздух.
И это я не говорю о опасности нанотехнологий в плохих руках.

Управление и использование нанороботов.
Так как сейчас встроить более менее серьёзные вычислительные мощности в наноробота невозможно, он не может самоуправляться. Управляют им извне.
В основном с помощью магнитных полей. Есть, конечно, недостаток - невозможно управление отдельными экземплярами. Они все собираются там, куда указывает магнитное поле. Можно управлять синхронно большим количеством нанороботов, но невозможно индивидуальное управление. Однако с помощью матрицы миникатушек эту проблему частично решили.


Похожим образом работает программа Darpa Open Manufacturing, созданная, чтобы найти новые универсальные и дешёвые способы производства. Конечно, это не нанороботы и даже не микророботы, это скорее мини-роботы, но то, как они работают, завораживает.

Click to view

Также, можно создавать пузырьки воздуха и управлять ими с помощью лазера.

Click to view

Больше лучей - больше управляемых пузырьков. Но это возможно только в воде, так что не очень интересно.
Как видно, о самостоятельном поведении роботов пока что речи нет.
В основном для медицинских целей исползуют МРТ в качестве управления. МРТ позволяет как засечь наночастицы, так и управлять ими, используя магнитные поля. Так как МРТ является достаточно стандартным оборудованием больниц, то применение нанолекарств вполне может быть налажено с помощью МРТ.

Но мы продолжим тему использования нанороботов. Итак, даже минироботы могут использоваться в производстве, как мы видели выше. Но что, если вещи делать гибкими? Зачем стул, если не собираешься сидеть? Пусть о пока будет чем-то другим. Такой подход пытается разрабатывать клэйтроника. Теоретически куча микророботов, объединённых в сеть может выстраивать любые поверхности, соединяясь с друг другом, например, с помощью электромагнитов. На практике пока это микророботами не назовёшь, экспериментальные игрушки имеют диаметр около 5 см. Программную организацию данных я вижу в виде дерева вокселей из компьютерных игр, которые тоже собирают объекты из примитивов-вокселей.
Если удасться сделать таких минироботов, то мы получим любое изделие когда хотим и снова превратим его в примитивы, как только перестанем нуждаться.

Но всё же я считаю, что будущее нанороботов скорее за живыми клетками-киборгами, чем за электронно-механическими устройствами.
Живые клетки позволят использовать механизмы матери-природы для эффективного энергоснабжения и передвижения(белки Myosin, Kinesin, Dynein). При этом клетка тратит на движение не более 1% энергии.

Нанороботов(хоть и размерами до сотни микрометров) проще всего делать из ДНК.

ДНК позволяет складывать ДНК-оригами. С помощью компьютера можно рассчитать и создать такое ДНК, которое самособирается в разные фигуры.


Кроме того, есть возможность уже сейчас создать открывающийся контейнер из ДНК, который будет срабатывать от определённой молекулы и выпускать лекарства, например.
ДНК-наноботы представляют собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинают разворачиваться, взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма. Взаимодействие с организмом выражается в высвобождении заключенных в изгибах ДНК частичек определенных химических веществ, которые могут воздействовать на процессы жизнедеятельности клеток организма, оказывать стимулирующее действие или выступать в качестве лекарственных препаратов.
ДНК-наноботы могут самостоятельно перемещаться. Шагающие молекулы ДНК известны довольно давно.
Кроме того, ДНК может хранить информацию.
И может выполнять вычисления. Да, суперкомпьютером ДНК врядли будет, но от неё этого не требуется. От неё требуется работать в живой клетке.
А ещё такая клетка может быть киборгом и иметь внутри электромеханические части. Например лазер. Лазер научились делать из обычной клетки организма довольно давно, ещё в 2011. Его свет был видимым невооружённым глазом. Но он был только зелёного цвета. А в 2015 научились внедрять в клетку любой лазер. Теперь он занимает гораздо меньше места. Удалось внедрить в клетку электро-механический прибор и сделать клетку киборгом.
Впрочем, лазеры, возможно, уже устарели. Недавно изобрели оптическую антенну, увеличивающую интенсивность света от светодиода в 115 раз. Что позволяет заменит лазер менее прожорливым светодиодом, например, толщиной в три атома.

Но и это ещё не всё. С помощью ДНК можно построить печатный нанопресс для золотых наночастиц. То есть, ДНК поможет формировать небиологических нанороботов. Или те же лазеры.

И хотя наноботы из ДНК не смогут путешествовать по капиллярам, так как живая клетка(20-200 мкм) значительно превышает 3 мкм, это всё же самое перспективное направление, как по мне. Живые клетки-киборги. Правда, остаётся ещё одна проблема. Имунная система человека млекопитающего не приемлет и атакует чужую ДНК. Так что впереди ещё много работы. Но учёные считают, что они смогут. Увидим.