Alexander
Nanoroboty: gdzie jesteśmy i dlaczego ich przyszłość ma tak niesamowity potencjał?
Ten wpis prezentuje aktualny status jednego z najpotężniejszych narzędzi jakie ludzkość kiedykolwiek stworzyła: nanotechnologia (albo nanotech).
Jest on pobieżnym zaledwie przeglądem prac prowadzonych w laboratoriach na całym świecie, obejmujących potencjalne zastosowania nanotechnologii w dziedzinie zdrowia, energii, środowiska, inżynierii materiałowej, przechowywania i przetwarzania danych. Sztuczna inteligencja przyciąga ostatnio coraz więcej uwagi, ale w bardzo krótkim czasie zobaczymy i usłyszymy również o niezwykłych przełomach w świecie technologii.
Początki nanotechnologii
Większość historyków przypisuje narodziny koncepcji nanotechnologii fizykowi Richardowi Feynman’owi i jego twierdzeniu z 1959r.: “Jest dużo miejsca na dole.” W swoim wystąpieniu Feynman przedstawił dzień, gdy maszyny będą zminiaturyzowane, a ogromne ilości informacji zakodowane w maleńkich przestrzeniach, utorują drogę dla przełomowych rozwiązań technologicznych.
Jedank dopiero w 1986 w książce „Engines of Creation: Nadchodząca Era Nanotechnologii”, K. Eric Drexler, naprawdę umieścił pomysł ten na mapie czasu. Drexler zakładał ideę samopowielających się nanomaszyn: maszyn, które budują inne maszyny. Ponieważ maszyny te są także programowalne, mogą więc być użyte nie tylko do replikacji samych siebie ale i budowy czegokolwiek tylko chcemy. Budowa odbywa się w skali atomowej, więc nanoboty mogą wykorzystać każdy rodzaj materiału (gleba, woda, powietrze – wszystko jedno co), atom po atomie, by zbudować coś z niczego. Drexler namalował obraz świata, w którym cała Biblioteka Kongresu zmieściłaby się w układzie scalonym o rozmiarach kostki cukru.
Ale zanim zbadamy możliwości nanotechnologii, poznajmy podstawy.
“Nanotechnologia” co to właściwie znaczy?
Nanotechnologia to nauka, technika i technologia prowadzona w nanoskali – tj. około 1 do 100 nanometrów. Zasadniczo, jest to manipulowanie i kontrola materiałów na poziomie atomowym i molekularnym. Dla porównania wizualizacja nanometra:
• 1 nm jest milion razy krótszy niż długość mrówki.
• Arkusz papieru ma grubość około 100 tysięcy nanometrów.
• Czerwona krwinka ma około 7,000-8,000 nanometrów średnicy.
• nici DNA maja 2,5 nanometra średnicy.
Nanorobot jest więc maszyną, która może budować i manipulować materią dokładnie na poziomie atomowym. Wyobraźmy sobie robota, który na tym poziomie usuwa, selekcjonuje i zmienia atomy podobnie jak dziecko bawiące się klockami LEGO i jest w stanie zbudować coś z podstawowych bloków atomowych (C, N, H, O, P, Fe, Ni, itd.). Niektórzy ludzie uważają nanoroboty za przyszłość w stylu science fiction, należy jednak zdać sobie sprawę, że każdy z nas już dzisiaj żyje z niezliczonymi nanobotami działających w każdej z naszych bilionów komórek. Dajemy im biologiczne nazwy jak “rybosomy”, ale są one zasadniczo maszynami zaprogramowanymi na wykonywanie funkcji takich jak np. “czytaj RNA i twórz specyficzne białko.” Mówi się, że ważnym jest, by rozróżniać “mokre” lub “biologiczne” nanotechnologie, które zasadniczo wykorzystują DNA i maszynerię życia, aby stworzyć niepowtarzalne konstrukcje wykonane z białka lub DNA (jako materiał budowlany) i bardziej Drexlerowe nanotechnologie, który obejmują budowę jako swego rodzaju “montaż” – czyli urządzenia, które mogą drukować 3D w nanoskali z atomów i skutecznie tworzyć dowolną konstrukcję, która jest termodynamicznie stabilna. Przyjrzyjmy się kilku różnym typom nanotechnologii, które naukowcy rozwijają.
Różne typy Nanorobotów i Zastosowania
Istnieje wiele różnych typów nanorobotów – tu przedstawiamy kilka z nich.
– Grupa fizyków z Uniwersytetu w Mainz w Niemczech niedawno zbudowała najmniejszy silnik, jaki kiedykolwiek stworzono – z zaledwie jednego atomu. Jak każdy inny silnik, przetwarza on energię cieplną na ruch – ale robi to na mniejszą skalę niż ktokolwiek, kiedykolwiek widział. Atom jest uwięziony w stożku energii elektromagnetycznej, a lasery wykorzystywane są do ogrzewania go i schładzania, co powoduje, że atom, przenosi się tam i z powrotem w stożku jak tłok silnika.
– Inżynierowie mechanicy z Ohio State Uniwersytet zaprojektowali i wykonali złożone w nanoskali części mechaniczne przy użyciu „origami DNA” “- dowodzi to, że te same podstawowe zasady projektowania, które odnoszą się do typowych pełnowymiarowych części maszyn mogą być również stosowane do DNA – i można produkować w ten sposób skomplikowane, sterowane elementy dla przyszłych nanorobotów.
– ETH Zurich i badacze Technion opracowali elastyczny nanoswimmer polipirolowy (PpY) nanodrut o około 15 mikrometrów długości (milionowych części metra) i 200 nanometrów grubości, który może poruszać się środowiskach płynów biologicznych prawie 15 mikrometrów na sekundę. Nanoswimmers mogą być użyte do dostarczania leków i jako magnetycznie sterowane wpływać w krwioobiegu docelowo do komórek nowotworów.
– Naukowcy z Cambridge University opracowali mały silnik o parametrach siły na jednostkę ciężaru prawie 100 razy wyższych niż w jakimkolwiek silniku lub mięśniach. Nowe nanosilniki mogłyby napędzać nanoroboty wystarczająco małe, by wejść do żywych komórek do walki z chorobami. Profesor Jeremy Baumberg z Cavendish Laboratory, który prowadził badania, nazwał je “nanotransducers” – urządzeniami uruchamiającymi. Dysponują one olbrzymią siłą w stosunku do własnej wagi.
– “Zespół naukowców z University of Twente (Holandia) i niemieckiego uniwersytetu w Kairze (Egipt) opracował mikroroboty inspirowane plemnikami i sterowane przez oscylujące słabe pola magnetyczne, mają one być wykorzystane w kompleksowej mikro manipulacji i zadaniach ukierunkowanej terapii.
– Inżynierowie Drexel University opracowali metodę z wykorzystaniem pól elektrycznych pomocy mikroskopijnym robotom napędzanym bakteriami w wykrywaniu przeszkód w ich środowisku i omijaniu ich. Zastosowania obejmują m.in. dostarczanie leków, manipulowanie komórkami macierzystymi, kierowanie ich wzrostem lub budowę mikrostruktur.
– Kilka grup badaczy niedawno zbudowało szybką, zdalnie sterowaną wersję rakiety w nanoskali przez połączenie nanocząstek z cząsteczkami biologicznymi … Naukowcy mają nadzieję rozwijać je dzięki czemu mogłyby znaleźć zastosowanie w każdym środowisku, np. w podawania leków do obszaru docelowego organizmu.
Główne zastosowania nano i mikro-maszyn są prawie nieograniczone.
• Leczenie Raka: Identyfikacja i niszczenie komórek nowotworowych dokładniej i skuteczniej.
• Mechanizm Dostarczania Leków: Ukierunkowane mechanizmy precyzyjnego dostarczania leków zwalczających choroby i zapobiegające im.
• Obrazowanie Medyczne: Tworzenie nanocząsteczek, które gromadząc się w niektórych tkankach pozwoliłyby na identyfikację takich problemów chorobowych po zeskanowaniu ciała rezonansem magnetycznym (MRI).
• Nowego Rodzaju Sensory: Nowe możliwości konfigurowania nanorobotów odblokowują również nowe możliwości wykrywania które możemy zintegrować z systemami monitoringu i mierzenia świata wokół nas.
• Magazynowanie Informacji: Inżynierowie i genetycy z Wyss Institute Uniwersytetu Harvarda z powodzeniem upakowali 5,5 petabitów danych – tj. około 700 terabajtów – w jednym gramie DNA, bijąc tym samym poprzedni rekord gęstości danych DNA ponad tysiąc razy.
• Systemy „New Energy”: Nanoroboty mogą odgrywać rolę w rozwoju bardziej wydajnego systemu energii odnawialnej. Pozwolą na bardziej efektywnie wykorzystanie obecnych urządzeń tak, że ich zapotrzebowanie na energię do wykonania tej samej co dotychczas pracy będzie mniejsze.
• Bardzo Wytrzymałe Metamateriały: Istnieje wiele badań nad metamateriałami. Zespół z Caltech opracowali nowy rodzaj materiału, składający się z rozpórek w nanoskali, krzyżujących się podobnie jak w wieży Eiffla. Są one jednymi z najmocniejszych i najlżejszych materiałów w historii.
• Inteligentne Okna i Ściany: Elektrochromiczne urządzenia, dynamicznie zmieniające kolor, są szeroko badane pod kątem zastosowania w inteligentnych energooszczędnych oknach, mogących kontrolować temperaturę wewnątrz pomieszczenia oraz samooczyszczających się.
• Mikrogąbki Sprzątające Ocean: Gąbka z nanorurek węglowych będące w stanie oczyszczać wodę z zanieczyszczeń takich jak nawozy, środki ochrony roślin i farmaceutyki itp.
• Replikatory: Znane również jako “Molekularni monterzy ang. Molecular Assembler,” – urządzenia będące w stanie prowadzić reakcje chemiczne poprzez pozycjonowanie reaktywnych cząsteczek z atomową dokładnością.
• Czujniki Zdrowia: Mogą one monitorować skład naszej krwi i powiadamiać nas, gdy coś jest nie w porządku, lub wykrywać zepsutą żywność czy stany zapalne w organizmie.
Tak naprawdę to jednak dopiero początek, ale nieograniczone i jeszcze nie do końca wyobrażalne możliwości są już blisko.
Wg Peter Diamandis
Singularity Hub