Малые формы: как нанороботы влияют на здоровье людей

Нанороботы — это микроскопические устройства, предназначенные для манипуляций с атомами и молекулами на уровне наноразмеров. Современные разработки уже позволяют этим миниатюрным механизмам выявлять и уничтожать раковые клетки, бороться с кариесом, доставлять лекарственные препараты, распределять кислород по организму, очищать воду от патогенных бактерий и микропластика. Будущее нанотехнологий обещает нам создание материалов с уникальными свойствами, синтез и клонирование ДНК, а также выполнение сложнейших хирургических операций на таких труднодоступных органах, как мозг и сердце. О нанороботах, их устройстве, методах передвижения по организму и потенциальной угрозе для здоровья рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и телемеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета Игорь Безукладников.

Мал, да удал

Нанороботы представляют собой программируемые структуры, способные выполнять точные манипуляции на уровне наномасштабов, размеры которых колеблются от долей нанометра до нескольких микрометров. Эти масштабы соотносятся с биологическими объектами, такими как вирусы, макромолекулы, составляющие клеточные структуры (например, ДНК), и отдельные виды бактерий. Из-за их невероятно малых размеров нанороботов невозможно увидеть невооруженным глазом.

Точечный контроль

Нанотехнологии стали одним из самых перспективных направлений науки, когда ученые осознали, что с их помощью можно осуществлять манипуляции на уровне отдельных атомов и молекул. Тем не менее еще до появления этих технологий человек умел проводить подобные процессы, используя химические реакции для разрыва и создания молекулярных связей. Но в чем же заключается ключевое преимущество нанороботов?

«Химические реакции позволяют работать с атомами и молекулами, но лишь в масштабах объемных сред. При этом направленно воздействовать на конкретную молекулу практически невозможно. Именно здесь и проявляется принципиальное отличие современных нанотехнологий — в возможности точечного контроля и управления процессами с беспрецедентной точностью», — поясняет ученый.

Незаменимы для медицины

Нанороботы обладают огромным потенциалом в области медицины, обеспечивая доставку лекарственных препаратов непосредственно к пораженным клеткам или тканям, что минимизирует побочные эффекты и повышает эффективность терапии. Эти устройства можно запрограммировать так, чтобы они распознавали раковые клетки и высвобождали противоопухолевые препараты исключительно для них, избегая воздействия на здоровые ткани. Существуют также наномашины, которые уже применяются в хирургии для лечения сложных заболеваний.

Ученые активно разрабатывают технологии, позволяющие нанороботам анализировать биомаркеры в крови и других жидкостях организма, предоставляя информацию о наличии заболеваний, включая онкологические. В будущем эти устройства могут способствовать регенерации тканей и органов, ускоряя заживление повреждений на клеточном уровне.

«Помимо медицинских применений, наноботы используются для создания инновационных материалов и сложных пространственных структур, таких как элементы микроэлектромеханических систем. Они помогают формировать микрозацепы, модифицировать рельефы поверхностей, соединять проводники на уровне современных микрочипов и создавать полупроводниковые структуры с исключительной точностью», — отмечает Игорь Безукладников.

Молекулярный уровень

Современные нанороботы представляют собой крайне простые устройства, часто состоящие всего из нескольких компонентов. Можно утверждать, что привычные нам роботы на уровне наномасштабов пока не существуют. В таких размерах невозможно разместить полупроводниковый процессор — «мозг» робота, а также привычные манипуляторы и другие элементы, которые обычно определяют полноценного робота. Поэтому более корректно называть таких микроскопических ботов наномашинами с дистанционным управлением. Однако определенные базовые функции могут быть заложены в конструкцию нанороботов.

«Например, природная наномашина — жгутик бактерии: это настоящий микроскопический „автомат“ с „электродвигателем“ и „ротором“, обеспечивающими вращение жгутика. Другой пример — молекулярный робот, разработанный биоинженерами, который может перемещаться по цепочке ДНК и выполнять команды, такие как „идти“, „повернуть“ и „остановиться“. То есть поведение наномашин можно задавать программированием. Например, в лаборатории „Молекулярная робототехника и биосенсорные материалы“ университета ИТМО ученые создают наномашины из молекул ДНК, поведение которых программируется с использованием генетического, а не машинного кода», — поясняет ученый Пермского Политеха.

Как работает доставка

Один из самых распространенных методов введения нанороботов в организм — инъекции. С помощью шприца эти устройства попадают в кровоток или непосредственно в пораженную область, где начинают выполнять свои функции. Некоторые исследователи разрабатывают наноботов в виде таблеток, которые должны быть устойчивыми к агрессивным условиям желудочно-кишечного тракта и эффективно работать после попадания в организм.

Другим вариантом является интеграция нанороботов с системами доставки, например, липосомами — фосфолипидными наночастицами, которые являются нетоксичными и биоразлагаемыми. Эти частицы по своей структуре схожи с клеточными мембранами организма, что позволяет им успешно доставлять лекарства точно в целевые зоны.

Кроме того, специалисты исследуют способы распространения нанороботов в нужных областях тела с помощью специализированных устройств. Например, для доставки нанороботов в мозг можно использовать катетеры, что позволит доставить их в самые труднодоступные и важные части организма.

Задавая импульс

Нанороботы могут передвигаться с помощью различных методов, таких как магнитные поля, химические реакции и световое давление. Однако у таких роботов нет собственного интеллекта или устройства для обработки внешней информации — они управляются извне с использованием специальных механизмов.

Медицинский нанобот можно создать из микроскопического магнита, например, самарий-кобальтового, и скрученного жгутика из медной проволоки. Магнит крепится на одном конце жгутика, и, управляя внешним магнитным полем, такой робот может свободно перемещаться по кровеносной системе пациента, выполняя механические операции, такие как уничтожение вредных микроорганизмов или поврежденных клеток.

«Существуют и другие способы передвижения. Например, химическое (топливное) движение, при котором реакции химических веществ вызывают расширение или сжатие элементов, локальное повышение давления и другие эффекты. Также наномеханизмы могут перемещаться с помощью электричества или светового давления. Несмотря на то что свет не имеет массы, он состоит из частиц — фотонов, которые, сталкиваясь с поверхностью, передают свою энергию и импульс», — говорит Игорь Безукладников.

Столкновения без последствий

Когда в организм вводят большое количество нанороботов, они неизбежно будут сталкиваться друг с другом, поскольку механизмы точного управления ими на данном этапе еще не разработаны. Однако для организма это не представляет угрозы. Такое хаотичное движение аналогично столкновениям кровяных телец в потоке крови — это нормальный процесс, который не требует вмешательства врача. В будущем, возможно, будут разработаны системы управления, позволяющие индивидуально контролировать каждый наноробот и предотвращать их столкновения.

«Уже сейчас существуют устройства управления, которые реализуют запрограммированные команды — своего рода „мозг“ нанобота. Эти устройства могут быть аналогичны обычным процессорам, но значительно упрощены из-за ограничений, связанных с размером», — объясняет ученый.

С нами навсегда

Единичные управляемые нанороботы могут быть извлечены из тела человека, если устройство не утрачено и его можно отслеживать с помощью специализированных гаджетов или датчиков. Однако в случае массового использования нанороботов извлечение их становится сложной, а порой и невозможной задачей. Тем не менее, учитывая их малые размеры, химическую инертность (способность не разлагаться с образованием токсичных веществ) и относительно небольшое количество, такие устройства не представляют угрозы для организма.

В чем разница

Микророботы и наноботы, хотя и имеют общие черты, представляют собой разные концепты. Эти два термина пересекаются в определенном диапазоне размеров и могут использоваться как синонимы, однако четкой грани между ними нет. С уменьшением размеров роботов (от микроскопических до наномасштабных) уменьшается количество и сложность их составных частей — вплоть до 1-2 компонентов у самых миниатюрных нанороботов.

«Основное отличие заключается в том, что у крупных микророботов еще можно использовать миниатюрные версии классических механизмов и элементов, знакомых из макромира, например, манипуляторы — механические „руки“ для захвата и перемещения объектов. В нанороботах же, из-за их крайне малых размеров, применяются принципиально другие подходы и методы», — поясняет Игорь Безукладников.

Функции этих двух типов роботов также различаются. Нанороботы предназначены для манипуляций с атомами и молекулами, в то время как микророботы используются для выполнения более сложных микромеханических задач, таких как обработка поверхностей или создание трехмерных структур.

Из-за малых размеров нанороботы до сих пор не нашли широкого применения. Их создание требует высокой сложности, а возможный функционал ограничен. Кроме того, управление каждым роботом индивидуально представляет собой значительную техническую проблему.

Из чего же, из чего же…

Для создания нанороботов часто применяются те же материалы и технологии, что и для производства микроэлектронных устройств, в частности, микросхем. Основными материалами являются различные металлические и кремниевые структуры, которые используются для формирования компонентов наномашин.

Однако перспективным направлением стало использование биологических материалов, таких как молекулы ДНК, для создания нанороботов. ДНК, являясь носителем генетической информации, предлагает уникальные возможности для сборки нанороботов на молекулярном уровне. Такая разработка существенно расширяет потенциал генной инженерии, позволяя создавать биокомпозитные устройства, которые могут работать в живых организмах, взаимодействуя с клетками и молекулами на молекулярном уровне.