Наноро́боты, или нанобо́ты — структуры, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), с программируемым поведением и используемые для управления отдельными молекулами и атомами.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторамиЭ. Дрекслер. Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии, 1986.. Такие наномашины обоснованы в известном выступлении Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» 1959 года. В 1986 году Эрик Дрекслер, рассматривая возможности их создания в книге «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии», ввёл термин «наноробот».
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 остаётся первый вариант.
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. «утилитарный туман») и которые способны к самостоятельной репликации в окружающей среде («серая слизь» и др. варианты).
Некоторые сторонники нанороботов в ответ на сценарий «серой слизи» высказывают мнение о том, что нанороботы способны к репликации только в ограниченном количестве и в определённом пространстве нанозавода. Кроме того, ещё 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.
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 приведёт к появлению ошибок при копировании, которые могут снизить надёжность наноустройства и изменить выполнение медицинских задач. Вместо этого нанороботов планируется изготавливать на специализированных медицинских нанофабриках.
Конструкция нанороботов В связи с развитием направления научных исследований нанороботов, сейчас наиболее остро стоят вопросы их конкретного проектирования. Одной из инициатив по решению этой проблемы является «Сотрудничество по разработке нанофабрик», основанное Робертом Фрайтасом 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.
Для этого разрабатываются технологии зондирования, управления силовыми связями между молекулами и навигации. Создаются проекты и прототипы инструментария для манипуляций, двигательного аппарата (молекулярные моторы) и «бортового компьютера».
Двигательный аппарат
Молекулярные двигатели — наноразмерные машины, способные осуществлять вращение при приложении к ним энергии. Главной особенностью молекулярных моторов являются повторяющиеся однонаправленные вращательные движения происходящие при подаче энергии. Для подачи энергии используются химический, световой метод, а также метод туннелирования электронов.
Кроме молекулярных двигателей, создаются также наноэлектродвигатели, сходные по конструкции с макроскопическими аналогами, проектируются двигатели, принцип работы которых основывается на использовании квантовых эффектов. Также создаются нанодвигатели, работающие на воде.
Наномобиль Наномобилем называется простейший наноробот, состоящий из однойmembrana.ru 21.10.2005 Построен ездящий одномолекулярный автомобиль или нескольких молекулmembrana.ru 20.01.2010 Химики изготовили гоночный наномобиль , способный самостоятельно передвигаться под воздействием света, нагретой поверхности, иглы электронного микроскопа, а также подаваемого извне электрического токаНаука XXI век. Создан наномобиль на электрической тяге . Первые в истории гонки наномобилей прошли в 2017 году. Главной проблемой наномобилей пока остаётся невозможность передвигаться внутри организма или других сред самостоятельно.
Способы создания
3D-печать 3D-печать это метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. 3D-печать в наномасштабе по сути является тем же самым, но в намного меньшем масштабе. Для того чтобы напечатать структуру в масштабе 5-400 микрометров, точность сегодняшних 3D-принтеров должна быть значительно улучшена.
3D-печать и Лазерная гравировка Методика впервые разработанная в Сеуле, Южная Корея, использует двухэтапный процесс 3D-печати: собственно 3D-печать и лазерную гравировку пластин. Для большей точности на наноуровне в процессе 3D-печати используется машина лазерной гравировки. Эта методика имеет много преимуществ. Во-первых, это повышает общую точность процесса печати. Во-вторых, методика позволяет потенциально создавать сегменты наноробота.
Литография с двухфотонной полимеризацией (TPP) Этот метод позволяет создавать с высокой точностью сложные микро- и наноструктуры. Используется одновременное поглощение двух фотонов для начала полимеризации, что способствует формированию крошечных 3D-структур.
3D-принтер использует жидкий полимер (фоторезист), который затвердевает под воздействием сфокусированного фемтосекундного лазерного луча. В фокальной точке лазера фотоны одновременно поглощаются молекулами фоторезиста в очень маленькой области (нанометрового масштаба). В зоне поглощения фоторезист затвердевает, формируя заданную наноструктуру. Луч лазера, перемещаясь, «рисует» объект слой за слоем.
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.
Ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клеткиДоставка лекарств Биомедицинский инструментарий Хирургия Фармакокинетика Наблюдение больных диабетом Производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам Военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия. Потенциальные возможности использования нанороботов в качестве оружия демонстрируются в некоторых фантастических произведениях («Терминатор 2: Судный день», «Терминатор: Генезис», «День, когда остановилась Земля», «Бросок кобры», «Превосходство»). Космические исследования и разработки (например, зонды фон Неймана)
Уровень развития технологии По состоянию нанороботы находятся в научно-исследовательской стадии создания. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов. Разработке компонентов наноустройств и непосредственно нанороботам посвящён ряд международных научных конференций.
Уже созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчёт 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», так как на его базе возможна реализация логических вентилей. Важной особенностью устройства является метод его сборки, так называемый , благодаря которому устройство собирается в автоматическом режиме.
В 2010 году были впервые продемонстрированы нанороботы на основе ДНК, способные перемещаться в пространстве.
Летом 2016 года учёным из Дрексельского университета удалось создать нанороботов для скорейшей доставки лекарств по венам. При помощи электромагнитного поля специалисты смогли развить высокую скорость у мельчайших роботов. Новая разработка облегчит отправку лекарственных средств по кровеносным сосудам организма. Свои выводы и детали изобретения были отражены в статье издания Scientific Reports. Электромагнитное поле воздействует на роботов, заставляя их вращаться. Соединённые в цепочку 13 нанороботов способны развивать скорость до 17,85 микрометра в секунду. Учёные в ходе наблюдений выявили особенность, которая выражалась в способности разделяться на более мелкие цепочки при достижении максимальной скорости. Нанороботов можно даже направить в различные стороны при изменении направления магнитного поля.
Проблемы проектирования нанороботов Основные сложности в проектировании и создании нанороботов включают в себя множество технических, экономических, этических и других аспектов.
Создание механизмов, датчиков, двигателей и систем управления нанометрового размера требует принципиально новых материалов и технологий. Традиционная микроэлектроника здесь неприменима из-за ограничений масштабирования. При проектировании нанороботов критической проблемой становится нелинейное масштабирование физических явлений. В наномасштабе силы адгезии и статического трения доминируют над инерционными силами, что приводит к слипанию подвижных элементов. Это связано с высокой поверхностной энергией наноструктур, которая стремится минимизировать свободную площадь, делая традиционные механические конструкции неработоспособными. Все контактирующие части будут слипаться, следуя принципу минимизации энергии, что приводит к необходимости проектировать подвижные структуры с минимальной площадью контакта. Наноструктуры легко деформируются под действием даже слабых внешних сил, что требует использования сверхпрочных материалов. Ограниченная ёмкость нанобатарей. Из-за размеров невозможно применить традиционные химические источники энергии, такие как литий-ионные батареи. Сложность управления и позиционирования. В динамических средах (например, в кровотоке) нанороботы будут сталкиваться с турбулентными потоками жидкости и различными клеточными барьерами. Сложности с выведением нанороботов из организма, а также их повторное использование или уничтожение при необходимости. Не существует методик оценок степени риска и безопасности воздействия нанороботов на организм человека. Элементы, из которых состоят нанороботы, могут провоцировать воспаление и быть токсичными. Неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Наночастицы обладают исключительно высокой способностью к абсорбции по сравнению с обычными молекулами. Их сверхмалые размеры позволяют проникать в атмосферу и попадать в источники питьевой воды. Современные системы фильтрации не способны их эффективно улавливать из-за недостаточной селективности и ограничений в размерах пор фильтрующих материалов. Риски неконтролируемой репликации в случае использования ДНК-шаблонов или мутаций в организме. Психологические аспекты, связанные с невозможностью прогнозирования реакции психики человека, у которого в организме функционируют множество инородных частиц.
В искусстве