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.

Уровень развития технологии

На данный момент (2009), нанороботы находятся в научно-исследовательской стадии создания. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов . Разработке компонентов наноустройств и непосредственно нанороботам посвящен ряд международных научных конференций .

Уже созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчет отдельных молекул в химических образцах . Недавно университет Райса продемонстрировал наноустройства для использования их в регулировании химических процессов в современных автомобилях.

Одним из самых сложных прототипов наноробота является "DNA box", созданный в конце 2008 года международной группой под руководством Йоргена Кьемса . Устройство имеет подвижную часть, управляемую с помощью добавления в среду специфических фрагментов ДНК . По мнению Кьемса, устройство может работать как "ДНК-компьютер", т.к на его базе возможна реализация логических вентилей . Важной особенностью устройства является метод его сборки, так называемый DNA origami, благодаря которому устройство собирается в автоматическом режиме.

Теория нанороботов

Так как нанороботы имеют микроскопические размеры, то их, вероятно, потребуется очень много для совместной работы в решении микроскопических и макроскопических задач. Рассматривают стаи нанороботов, которые не способны к репликации (т. н. «сервисный туман») и которые способны к самостоятельной репликации в окружающей среде («серая слизь » и др. варианты). Нанороботы широко описаны в научной фантастике, так в фильме Терминатор 2: Судный день , робот T-1000 наглядно демонстрирует потенциальные возможности использования нанороботов в военной технике. Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит» , «наноген» и «наномуравей», однако, технически правильным термином в контексте серьезных инженерных исследований все равно остается первоначальный вариант.

Некоторые сторонники нанороботов в ответ на сценарий «серой слизи » высказывают мнение о том, что нанороботы способны к репликации только в ограниченном количестве и в определенном пространстве нанозавода. Кроме того, еще только предстоит разработать процесс саморепликации, который сделает данную нанотехнологию безопасной. Кроме того, свободная саморепликация роботов является гипотетическим процессом и даже не рассматривается в текущих планах научных исследований.

молекулярный мотор

Однако, имеются планы по созданию медицинских нанороботов , которые будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи на наноуровне. Такие нанороботы не могут быть получены в ходе самостоятельного копирования, так как это вероятно приведет к появлению ошибок при копировании, которые могут снизить надежность наноустройства и изменить выполнение медицинских задач. Вместо этого, нанороботов планируется изготавливать в специализированных медицинских нанофабриках.

молекулярный пропеллер

В связи с развитием направления научных исследований нанороботов сейчас наиболее остро стоят вопросы их конкретного проектирования, такие как зондирование, силовые связи между молекулами, навигация, инструментарий для манипуляций, двигательный аппарат, молекулярные моторы и бортовой компьютер, предназначенный для решения медицинских задач. Хотя большая часть этих задач еще не решена и отсутствуют детальные инженерные предложения, создано «Сотрудничество по разработке нанофабрик» , основанное Робертом Фрейтасом и Ральфом Меркле в 2000 году, деятельность которого сосредоточена на разработке практической программы исследований , которая направлена на создание контролируемой алмазной механосинтетической нанофабрики, которая будет способна к производству медицинских нанороботов на основе алмазных соединений.

Потенциальная сфера применений

Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации.

Нанороботы в массовой культуре

Идея нанороботов широко используется в современной научной фантастике.

• Нанороботам посвящена одноименная (Nanobots) композиция группы Re-zone
• Сюжет игр Deus Ex и Deus Ex: Invisible War основан на широком распространении нанороботов в будущем

См. также

Ссылки

• Нанороботы - будущий триумф или трагедия для человечества?

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Нанобот" в других словарях:

Сущ., кол во синонимов: 1 наноробот (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

нанобот - Нанотехнологический робот наномашина (нанит), размеры которого измеряются в нанометрах Тематики биотехнологии EN nanobot … Справочник технического переводчика

нанобот - Nanobot Нанобот (наноробот) Программно управляемое наноразмерное устройство, созданное посредством молекулярной технологии и обладающее достаточной автономностью. Эти гипотетические устройства размером в единицы и десятки нанометров могут… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Кратко о статье: Нанороботы - от гонок графитово-водородных автомобилей по золотой фольге до «серой слизи» Дрекслера, боевых нанороботов Лема и «сервисного тумана» Холла.

Мелочи жизни

Нанороботы

Научно-фантастический подход еще не означает, что речь всегда идет о будущем. Это лишь понимание того, что будущее будет другим.

Нил Стивенсон (интервью с Катериной Асаро, 1999 год)

Лень - двигатель прогресса. И это не просто забавный оксюморон. Чего только люди ни придумают, лишь бы не работать! Все изобретения - от палки-копалки до калькулятора - преследуют лишь одну цель: превратить труд в отдых. При этом исповедуется принцип всеобщей миниатюризации. Вспомните размеры первых телевизоров, компьютеров и мобильных телефонов. Сегодня все это можно легко унести в карманах. Ученые предсказывают, что рано или поздно в повседневный обиход войдут микроскопические устройства, собранные из отдельных молекул или даже атомов.

Десятилетия назад фантасты писали о гигантских шагающих роботах и танках размером с дом. В наши дни такая гигантомания - симптом футурологической близорукости. Если завтрашний день принадлежит роботам, то взглянуть на мир будущего можно будет только через микроскоп. Встречайте хозяев наших потомков - великих малышей нанороботов!

Мал мала меньше

Парадоксальный факт - никто не может точно ответить на вопрос, что же такое «нанотехнология». На бытовом уровне она воспринимается как нечто среднее между научной фантастикой и очередной чиновничьей «нанокормушкой» для малопонятной государственной корпорации «Роснано» во главе с легендарным Анатолием Чубайсом. А приставка «нано-« чаще всего используется хитрыми маркетологами для рекламы стирального порошка или машинного масла.

Правда в том, что нанотехнологии до сих пор на 99% теоретическая дисциплина, изучающая лишь перспективы создания вещей с заданной микроструктурой путем манипулирования молекулами или атомами. Практические достижения в этой области скромны и разрознены. Проще говоря, если собрать воедино все доступные для изготовления наноконструкции (нанопорошки, нанотрубки, нанопленки), то не удастся изготовить ни одного мало-мальски полезного микроустройства.

В данный момент нанотехнологии находятся примерно на том же уровне развития, что и космонавтика при Циолковском. Основные открытия еще впереди. А открывать придется много, ведь даже если собрать из атомов механические часы, аналогичные по конструкции полноразмерным, то работать они не будут. При таких масштабах проектирования придется учитывать межмолекулярные взаимодействия и даже квантовые эффекты (к примеру, температура плавления наночастиц очень низка - наночастица олова плавится при 130 градусах вместо обычных 230.

Нанотехнология произведет переворот в химии, медицине и микроэлектронике. Возможность создавать вещества, укладывая атомы слой за слоем, сделает ненужными «старомодные» химические реакции. Уголь и алмазы, песок и микрочипы, рак и здоровая ткань - все они отличаются друг от друга лишь последовательностью комбинации атомов.

Историю нанотехнологии принято отсчитывать от выступления знаменитого физика Ричарда Фейнмана в 1959 году на заседании Американского физического общества. Речь называлась «Там внизу много места» и была посвящена возможности манипулирования одиночными атомами. Согласно мысленному эксперименту Фейнмана следовало создать машину, мастерящую свои собственные копии чуть меньшего размера. Физическим пределом здесь был бы размер атома. В итоге мы бы получили гигантское количество микромашин, способных собирать из атомов любые - даже самые крупные - вещи.

Но Фейнман был неоригинален. Еще 20 годами ранее о том же самом писал друг Корнея Чуковского - писатель и путешественник Борис Степанович Житков. В его рассказе «Микроруки» инженер вначале сделал небольшие манипуляторы, повторявшие движения его рук, с их помощью собрал еще меньшие «руки», потом еще более мелкие - и так далее до тех пор, пока ему не пришлось делать перчатки для микрорук из шкур инфузорий.

Если бы, - говорит, - был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, - говорит, - увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал.

Николай Лесков «Левша»

Слово «нанотехнология» впервые прозвучало в 1974 году - японский ученый Норио Танигути употребил его в том же контексте, что и Фейнман. В 1980-х годах математическим обоснованием этой проблемы занимался инженер Эрик Дрекслер. Он утверждал, что начинать следует с белковых микромашин (уже сейчас компания Eli Lilly продает инсулин, сделанный бактериями), и лишь потом следует переходить к sine qua non* нанотехнологии - ассемблерам, то есть нанороботам, воспроизводящим самим себя.

*«То, без чего нет», необходимое условие.

Серое гу

Из идеи ассемблеров Дрекслер вывел понятие «grey goo» (традиционно переводимое, как «серая жижа» или «серая масса»). Теоретически достаточно лишь одного наноробота, умеющего воспроизводить себя из любых материалов, чтобы через некоторое время вся Земля превратилась в «серую массу» наномашин. Этот сценарий конца света называется «экофагия» (пожирание окружающей среды).

Ассемблеры также могут работать избирательно. К примеру, в игре Deus Ex: Invisible War Чикаго был превращен в серую массу с помощью нанодетонатора. В «Непредвиденном риске» (1962) Кристофера Анвила ученый создал преобразователь почвы, который превратил всю землю в серо-коричневую слизь.

В 2005 году канал Sci Fi транслировал телефильм «Путь уничтожения», по сюжету которого из хранилища компании Stark Corps на Аляске произошел случайный выброс нанороботов. Правительство, как обычно, приняло решение забросать серую массу атомными бомбами. Сериал интересен тем, что в нем показано, как постепенное пожирание планеты нанороботами вызвало мощные экологические изменения.

Чаще всего во всех нанопроблемах виноваты проклятые яйцеголовые ученые. В романе Майкла Крайтона «Рой» корпорация «Ксимос», получившая заказ от Пентагона на разработку нанороботов, не укладывалась в сроки. Для «ускорения» процесса было решено дать нанитам программу самообучения и выпустить их в пустыню Невады. Последствия, ясное дело, были самыми неприятными.

В книге Грегори Бира « Музыка, звучащая в крови» еще один бестолковый ученый попытался украсть из лаборатории нооциты - простейшие биокомпьютеры, созданные из лейкоцитов. Для этого он впрыснул их себе в кровь. Там они быстро развились, обрели разум и ассимилировали экосистему всей Северной Америки, после чего эволюционировали еще дальше и перешли в другое измерение.

Первый репликатор собирает свою копию за одну тысячную секунды, затем уже два репликатора собирают еще два за другую тысячную долю, теперь уже четыре собирают еще четыре, а восемь собирают еще восемь. Через десять часов их уже не тридцать шесть, а 68 миллиардов. Менее чем за день они наберут вес в тонну, менее чем за два дня они будут весить больше, чем Земля...

Эрик Дрекслер «Машины созидания» (1986)

В космосе тоже неспокойно. Одной из самых опасных рас сериала Stargate SG-1 можно назвать репликаторов - небольших кубиков, способных воспроизводить себя из любых материалов и ассимилировать новые технологии. Их нельзя назвать нанороботами в прямом смысле этого слова, однако каждый отдельный блок - сложнейшее устройство, которое поддерживает молекулярное единство с другими блоками репликаторов.

Другая раса сериала - асуранцы - представляет собой истинных нанороботов. Если репликаторы неуязвимы перед энергетическим оружием, но поражаются огнестрельным, то человекоподобные тела асуранцев легко пропускают через себя пули, но распадаются на отдельные наноблоки от плазменного заряда.

В фильме «День, когда Земля остановилась» робот GORT, стреляющий лучами из головы, оказался колонией насекомоподобных нанороботов. Они уничтожили половину Манхэттена и в перспективе сожрали бы весь мир - однако по законам жанра были остановлены мощнейшим электромагнитным импульсом из корабля Клаату. Правда, вместе с нанороботами наступил негарантийный случай и всем земным электроприборам, так что конец фильма вряд ли можно назвать счастливым.

Наконец, во втором сезоне сериала Lexx была предложена интереснейшая идея финала экофагии: самовоспроизводящиеся механические руки переработали всю материю Вселенной. Затем они погнались за главными героями, в результате чего вся масса вселенной собралась воедино и произошел Большой взрыв. Нанороботам на заметку: сожрав весь мир, не скапливайтесь в одном месте.

Экофагия - не всегда зло. Уил Маккарти в романе «Цветение» (1998) описывает переработку всей органики Земли нанороботами «Микора». Уцелели лишь колонисты на нескольких планетах Солнечной системы. Они вынашивают планы мести, однако в финале обнаруживают, что «серая масса» разумна, а поглощенные ей люди лишились физических тел, но сохранили свои индивидуальности и воплотились в новый тип нанообщества.

Сергей Лукьяненко в рассказе «Нечего делить» высказал интересную мысль об ограничении свободы нанороботов механизмами квантового уровня. Фемтоботы не существуют в материальном мире и их не волнует, какая форма материи лучше - обычное вещество или «серая слизь». Они пресекают любую попытку бунта нанороботов, ведь с людьми им делить нечего.

Идея «серой слизи» была высказана четверть века назад. В 2004 году ее автор Эрик Дрекслер опубликовал статью «Безопасное экспоненциальное производство», в которой отказался от этой концепции и заявил, что подобные наномашины слишком сложны, чтобы быть созданными в обозримом будущем. Наиболее практичной он считает традиционную «конвейерную» сборку нанороботов. Вместо фантастической экофагии по мнению автора следует опасаться вполне реальной гонки вооружений, когда крупномасштабное производство боевых нанороботов превратит их в оружие более грозное, чем атомное.

Пыль к пыли

Историю обычных нанороботов в фантастике можно условно начать с 1956 года, когда в продажу вышел рассказ Артура Кларка «Соседи». Профессор Такато ставил на уединенном атолле эксперименты над термитами, пытаясь привить им разум. Его главным инструментом был французский микроманипулятор - устройство, позволяющее с помощью понижающих передач выполнять хирургические операции над отдельными живыми клетками. Это, конечно, была не техника наноуровня, но такой манипулятор - «первая ласточка» фантастических нанотехнологий, до разговоров о которых оставалось добрых 20 лет.

Фантасты середины прошлого века привыкли мыслить лишь на микро-, но не на наноуровне. К примеру, главный герой повести Роберта Силверберга «Как это было, когда не стало прошлого» (1969) работал «звуковым скульптором». Он склеивал динамики из специальной «громкоговорящей краски» - миллионов микродинамиков размером с молекулу. В романе «Непобедимый» (1964) Станислав Лем нарисовал картину эволюции самовоспроизводящихся роботов, наиболее удобной формой «жизни» для которых в итоге оказались простейшие миниатюрные мухи с минимумом функций, но зато способные объединяться в непобедимый многомиллиардный рой. Интересно также, что в эссе «Эволюция наоборот» автор утверждает, что главной ударной силой войн будущего будут нанороботы:

Да и что мог поделать самый храбрый и опытный солдат, обвешанный гранатами, вооруженный автоматом, ракетометом и прочим огнестрельным оружием, с микроскопическим и мертвым противником? Не больше, чем врач, который решил бы сражаться с микробами холеры или чумы при помощи молотка или револьвера.

Станислав Лем «Эволюция наоборот» (1983)

До 1970-х нанороботов в фантастике не было, да и после этого они много лет никак не могли прижиться в этом жанре. До сих пор наномеханизмы существуют лишь на бумаге. А в эпоху космического прорыва механизмы атомарного размера и вовсе казались слишком оторванными от реальности - авторов больше интересовали звезды и полноразмерные роботы.

Когда технологии слегка подтянулись к мечтам, о нанороботах заговорили вновь. Оптимисты сразу вспомнили медицину : нанороботы могут двигаться по капиллярам, диагностировать болезни, вводить лекарства локально и даже делать операции. Они способны победить рак, уничтожить вирусы, «чинить» повреждения на уровне клеток и ДНК, обеспечивая человеку физическое бессмертие (см., к примеру, «Трансчеловек» Юрия Никитина»). Теоретически возможно будет даже оживлять людей, замороженных методами крионики.

В 2005 году доктор Джон Холл предложил концепцию «сервисного тумана». Первоначально в его замыслах был лишь наномеханизм, заменяющий автомобильные ремни безопасности. Представьте себе простейших нанороботов с телескопическими «руками», простирающимися во все стороны. Они распределяются вокруг пассажира и сцепляются друг с другом, образуя вентилируемую полупрозрачную оболочку. При аварии «руки» резко сокращаются, превращая полупрозрачный туман в очень твердый материал. Способность «рук» пружинить обеспечит равномерное распределение энергии удара. Нечто подобное («инерционные поля») можно увидеть в сериале «Звездный путь» или рассказе Ларри Нивена «Древнее оружие» (1967).

Другая, еще более умозрительная разновидность сервисного тумана - облако нанороботов с сомкнутыми «руками», способное принимать форму чего угодно. Вместо построения твердого объекта атом за атомом они сразу же становятся им. Иначе говоря, по желанию человека в любой момент из серой дымки, витающей в воздухе, может «сконденсироваться» любой предмет мебели.

«Сервисный туман» также может стать следующей ступенью нашей эволюции. В киберпанковском комиксе «Трансметрополитен» есть раса «фоглетов» (foglets - нечто вроде «туманники»), представители которой научились переселять свой разум в облако нанороботов. Оно может быть невидимым, а может сгущаться в розовый туман с очертаниями лица фоглета.

С недавних пор в литературе появился жанр «нанопанк». Нил Стивенсон называл эру нанотехнологий «Алмазным веком» (в каменный век основным конструкционным материалом был камень, а в алмазный - углерод). Одноименный роман 1995 года описывает такие чудеса нанотехники, как генераторы материи, бесплатно снабжающие людей едой и одеждой, а у городов есть «иммунные системы» из облаков летающих нанороботов.

Годом позже к теме нанопанка обратился Пол Ди Филиппо (сборник «Рибофанк »). Его нанороботы, названные «силикробами», угнездились в земной коре, захватили всю планету, а потом воссоздали мир в том же виде, сохранив воспоминания его обитателей и даже дав им некоторую свободу (нанооблако желало поглотить другие планеты, а люди всегда стремились в космос).

В российской фантастике к нанопанку можно отнести произведения Александра Тюрина («Боятся ли компьютеры адского пламени?», «Киберозойская эра», «Отечественная война 2012 года» и т. д.), а также книгу Александра Лазаревича «Сеть «Нанотех».

Умные вещи

К сегодняшнему дню работу нанотехнологий можно увидеть воочию лишь в нескольких случаях, и чаще всего речь идет о графите. Ученые уже умеют выращивать углеродные нанотрубки - тончайшие цилиндры свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей длиной до нескольких сантиметров. Хотя сейчас нанотрубки стоят несколько сотен долларов за 1 грамм, им прочат будущее тросов для космических лифтов.

В 2004 году был получен графен (кристаллическая решетка из атомов углерода), который может заменить кремний в нано-микросхемах. В 2005 году компания Altair Nanotechnologies заявила о разработке наноматериала для электродов литиевых аккумуляторов. Последние обещают сделать электромобили не сказкой, а былью. Intel намеревается сделать процессор со структурными элементами в 5 нм.

Уже можно записывать данные на диски с атомарной плотностью информации, уже есть наноантенна-осциллятор, молекулярные роторы, молекулярные пропеллеры... В конце 2008 года потребителю было доступно около 800 товаров с наноматериалами - клейкая лента, антисептическая одежда и фольга для пищи, крема от загара и т. п. Каждый месяц появляется до 5 простейших «нанопродуктов», раздувающих маркетинговый «нанопузырь». Что такое нанотехнологии - очередные малореальные грезы о разумных роботах или инструмент прогресса вроде компьютеров и интернета? Время покажет.

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.

Встречаются наивные люди, утверждающие, что за миллиарды лет эволюции природа так и не изобрела колесо. Если бы они уменьшились до наноуровня и совершили путешествие внутрь живой клетки, то увидели бы не только колесо, но и электродвигатели, конвейеры, сборочные линии и даже шагающих роботов.

Алексей Ржешевский

По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины. А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.

Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.

Жгутик бактерии

Известный российский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал движение бактерий одним из самых поразительных явлений природы: «Его исследование нанесло сокрушительный удар по нашему высокомерному снобизму вроде того, что биологическая эволюция, имея в своем распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо».

Экспертное мнение

Александр Марков, биолог, популяризатор науки, профессор МГУ: «В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность. Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей. Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант».

Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул. Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью — 100−150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз. Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!

Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.

Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.

Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».

Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя — выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп. Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».

АТФ-синтаза

Протонная АТФ-синтаза — самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.

АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии. Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.

Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.

Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. Там протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).

Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу. Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1». АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика. К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ. Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.

Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии — в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.

Кинезин

Кинезин — это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов — полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.

Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» — глобулярные головки размером 7,5 х 4,5 нм. При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.

Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире!

Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке.

Искусственные наномашины

Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.

Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок — синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания используют ротаксан — искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.

«Наномашина», «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.

Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку — мяч возвратится назад.

Инженерные сооружения наномасштабов подчиняются химическим реакциям в большей степени, нежели законам ньютоновской механики. Многообразие их применений простирается от медицинских роботов до компьютерной памяти.

В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК. В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться». По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.

В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы — органеллы, находящиеся в наших клетках. Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства. Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.

Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» — отметил профессор Лей.

Нанороботы — это научный прогресс, который относится к созданию новейших технологий. Эти микроскопические машины способны выполнять определённые действия, на которые они запрограммированы в процессе создания. Также, продумали создание нанороботов способных размножаться и назвали их репликаторами.
Но существует и иная противоречивая точка зрения, которая значительно сужает круг работы нанороботов. То – есть каждый экземпляр выполняет определённую цель. В основном суть таких устройств заключается в воздействии на молекулярном уровне.
Но это только планы, которые скоро претворятся в жизнь. А на данный момент неизвестно ни одного случая взаимодействия с нанороботами, так как точное время доработки проектов и создания наноробов удовлетворяющих требованиям пока не известно.
Радует и то, что прототипы данного устройства заняли лидирующее место в определённой сфере науки. Речь идёт о специальных датчиках, которые ведут учёт молекул в образцах, но и они не нашли столь широкого применения в наше время.

В недалёком 2008 году команда учёных создала робот, которым можно управлять с помощью дезоксирибонуклеиновой кислоты. Этот робот собирается самостоятельно. Используя его возможности можно создавать компьютеры для работы с генами и выполнения логических операций. После, в 2010 году были созданы первые наномашины, которые работают на основе ДНК. То — есть, если DNA box работают на фрагментах ДНК, то тут ДНК полностью обеспечивают работу наномашин.

По типу нанороботы различаются способностью и неспособностью репликации. Даже некоторые учёные бьют тревогу, рассматривая способность машин к саморазмножению. Они считают, что этот тип может представить серьёзную опасность всему человечеству. Но это скорее зависит от интенсивности размножения. Да и сторонники саморазмножающихся машин гарантируют, что определённый момент размножения будет запрограммирован согласно среде производства. Поэтому делать выводы пока рано, тем более можно нарваться на двоякое спорное мнение по этому поводу.

Большие надежды возлагают на машины, учёные – медики. Но и они отрицают производство нанороботов способных к репликации, так как это может привести к возможным ошибкам и недостоверной информации о состоянии здоровья больных. Выход – создание отдельных фабрик для производства нанороботов используемых в медицинской сфере.

Производство и разработка конструкций

Вместе с задумками и детальной разработкой машин учёными, само собой появляется вопрос о реализации устройств. Это направление не оставили без внимания компании, которые создали «сотрудничество по разработке нанофабрик» где изучается возможность создание машин из различных материалов. И именно они нашли способ в использовании алмазов для создания конструкции нонороботов. На нанофабрики направлены основные усилия, ведь там разрабатывают не только основные компоненты машин, но и учитывается функциональное предназначение каждого вида и их количество.
К созданию основных компонентов машин относится разработка молекулярных моторов, которые имеют способность перерабатывать в кинетическую энергию различные типы существующих энергий. За счёт этого, они смогут вращаться в одном направлении.
Способов производства нанороботов два. К ним можно отнести:
3D печать;
двухфотонную литографию.

3D печать используется для создания физических предметов, используя чертежи, или лазерную гравировку. Выглядит 3D печать, созданная с помощью чертежей, как полноценная трёхмерная модель. Но производить наноустройства таким способом можно при условии высокой точности современных принтеров, дабы не упустить, ни одну деталь. Поэтому гравировка с использованием лазера позволяет добиться более высокоточных результатов. А принтер, использующий этот способ, может даже создавать составляющие части машин.
Если говорить о двухфотонной литографии, то следует отметить, что тут не отвергается использование 3D принтеров. Просто печать производится путём лазерного луча, отправляющего на точку фотоны. Этот способ тоже хорош тем, что создаёт высокоточную конструкцию или часть конструкции. Какой использовать способ пока не определились, но все они изучаются очень тщательно.

Если производители добьются своей цели и создадут нанороботы, то сфер применения их будет множество. Во-первых, как мы уже и говорили выше, медицина возлагает большие надежды на наномашины . Помимо контроля за состоянием здоровья больных, особенно в послеоперабельный период и страдающих сахарным диабетом, их планируют использовать для выявления и уничтожения раковых клеток, которые находятся в различных стадиях.
В военной отрасли, нанороботы могут быть инструментом для разведывательных операций и даже для устранения противников.

Видео: