Нанотехнологија на микроскопските „ангели“ на иднината
„Нанотехнологија“ е колективен поим за нано скала технолошки развој. Во широка смисла, нанотехнологија е секоја технологија чиј конечен резултат е нанометриски: фини честички, хемиска синтеза, напредна микролитографија итн. Во тесна смисла, нанотехнологија е секоја технологија која се базира на можноста за градење сложени структури со почитување на спецификациите на атомско ниво и користење на механичка синтеза. Нанометриските структури не само што се многу мали, достигнуваат дури и атомска скала во нивниот дизајн, но тие поседуваат некои тотално посебни и неочекувани својства, во споредба со карактеристиките на истата супстанција земена на макроскопско ниво.
Лекарите честопати се соочуваат со проблем со извршување на комплексни операции за микрохирургија за санирање на крвните садови, за трансплантација на ткиво или за повторно прицврстување на отсечените екстремитети. Бидејќи ваквите постапки се многу комплицирани, операцијата ретко е оптимално решение, има премногу инвазивен карактер и многу ограничувања. Наскоро, сепак, медицинскиот систем и особено хируршкиот систем може да го смени својот пристап, свртувајќи се кон нано технологија, која ќе ви овозможи да ги извршите најсинуелните медицински задачи со далечинско управување на ситни роботски механизми, способен да патува низ човечкото тело, да дијагностицира болести и да ги лекува.
На Универзитетот Тонхуку во Јапонија, инженерот Казуши Ишијама и неговата истражувачка група дизајнираа мали електронски ротирачки спирали, способни да пливаат низ течноста на најтенките органски вени. Доколку е потребно, овие уреди можат дури да навлезат во одредени тумори за да ги потиснат и можат да доставуваат медицински супстанции до одредени ткива и органи. Благодарение на неговата мала големина, нано-ботови може да се инјектираат во телото со користење на стандарден шприц за хиподермална игла, откако ќе влезете во системот реагирајќи на импулсите што ги врши магнетното поле и далечинскиот управувач. Ишијама верува дека овие уреди и други слични на нив ќе се покажат исклучително ефикасни од медицинска гледна точка, особено во однос на отстранување на тумори на мозок, кои се многу тешки за работа на класичен начин.
Наместо да се потпрат на употребата на магнетно поле за да ги координираат движењата на нанороботите, други истражувачи создаваат слични уреди за дијагностицирање и лекување на одредени состојби, но се движат низ телото со ситни мотори.
Д-р Jamesејмс Френд и неговиот тим машински инженери на Универзитетот Монаш во Австралија веќе имаат изградено А. воден мотор со големина на кристал сол и спроведете темелно истражување за да добиете помала големина, еквивалентна на дебелината на човечката коса. Принципот на работа на моторот е инспириран од локомоторниот стил на дигестивната бактерија Eschierichia coli (Е коли), која користи мали пипци за пливање низ телото. Така, ротирачкиот мотор ротира мали терминални испакнатини на едниот крај од него (како кружни опашки) кои, кога се наоѓаат во течна средина, се сечат низ него. Брзината на моторот е 100.000 вртежи во секунда.
Но, другите микророботи создадени денес се повеќе од само машини. Неколку истражувачки институти се вклучени во создавање слив помеѓу органско, живо ткиво и неоргански компоненти, за да се создадат хибридни уреди кои се дел машини, дел организми.. Првите такви пронајдоци беа само-собрани микроскопски роботи напојувани од срцев мускул и создадени од инженери на Универзитетот во Калифорнија, Лос Анџелес (UCLA).
Секој робот со микрони е составен од златен мост поврзан со обвивка од срцевиот мускул израснат од клетките на глувчето, кои, кога се ослободуваат во телото, извлекуваат гликоза од крвта за да ја добијат енергијата потребна за движење. За да ги тестираат микроскопските роботи, истражувачите ги потопија во раствор на шеќер и протеини кои ги имитираат внатрешните услови на телото. Како што електричните импулси делуваа на нив како да склучуваат и релаксираат миокард, може да се види како микророботот напредува. Овие хибридни ентитети имаат потенцијал да се користат во микрохирургија, на пример, за отстранување на артериски плаки.. Технологијата, исто така, овозможува создавање на нови екстремитети или прсти за оние кои се ампутирани, дозволувајќи им на младите мускулни клетки да растат над вештачките коски поставени на телото.
Сепак, истражувањето и напредокот сè уште се во пионерска фаза во оваа насока и вклучуваат надминување на многу проблеми. Роботите создадени од научници од UCLA можат да се движат еднонасочно и тешко е да се контролираат. Како такво, експертите во моментов ја истражуваат можноста за користење скелетни мускули наместо миокарден мускул за слободно движење на наноботи: срцевиот мускул се движи со свое темпо и тоа ги ограничува моторните можности на микроскопските уреди.
Користењето електрична енергија за стимулирање на скелетните мускули може да им овозможи на истражувачите да вклучуваат или исклучуваат роботи по своја волја и да ја прошират нивната употреба со мали извори на енергија или електрични мини-генератори, како што се оние што напојуваат компјутерски чипови.
Во случајот на Универзитетот Монаш во Австралија, направените уреди се преголеми за да им се овозможи слободно движење низ човечкото тело, едноставно е премногу долго за безбедно движење низ некои од најтесните вртења на крвните садови, со ризик да ги блокира. Според д-р Френд, идните достигнувања во областа на нанотехнологијата можат да бидат условени од зголемена соработка помеѓу различни дисциплини, како што се инженерството и медицината. „Верувам дека како одминува времето, истражувачите ќе сфатат дека полето на познавање на единствено поле на истражување е недоволно за целосно разбирање на сликата за комплексот феномен во нано скалата, и секако, за секој посеопфатен систем што може да користи нанотехнологија. “, Тврди тој.
Микрокосмосот го освојува макрокосмосот
Кога станува збор за следниот „џиновски скок“ во истражувањето на вселената, НАСА размислува од мал, дури и многу мал обем. Во неговите лаборатории, НАСА интензивно ја поддржува процветаната наука за нанотехнологија. Главната идеја на оваа активност е да научиме управување со материјата од атомска скала - можност за контрола на одделни атоми и молекули со цел да се дизајнираат машини со молекуларни димензии, напредна електронска опрема и „паметни“ материјали. Ако гледачите се во право, нанотехнологијата може да доведе до роботи што се вклопуваат меѓу наборите на отпечаток од прст, до материјали за саморегенерирање, вселенски лифтови и други неверојатни уреди. Некои од овие работи може да траат многу години за да се постигнат, додека други денес се формираат во лабораториите.
- тие имаат 100 пати поголема јачина на истегнување од челик, но само една шестина од нивната тежина
- тие се 40 пати посилни од графитните влакна
- тие имаат поголема спроводливост од бакарот
- тие можат да бидат и спроводници и полупроводници, во зависност од распоредот на атомите
- тие се одлични топлински спроводници
Голем дел од истражувањата за нанотехнологија низ целиот свет се фокусираат на овие наноцевки. Научниците предложија нивна употреба во широк спектар на апликации, од нивна употреба како молекуларни жици за нано-електроника, до голема моќност и мала тежина на каблите потребни за вселенски лифт. Истражувачите се обидуваат да добијат од наноматеријалите можност за нивно користење во напредната поддршка на животот, во развојот на суперкомпјутери и минијатурни сензори за хемикалии. Минијатурни сензори можат да откријат до неколку делови од милион хемикалии, како што се токсични гасови, што ги прави корисни и за истражување на вселената и за национална безбедност.
Ако овие краткорочни употреби на нанотехнологијата изгледаат импресивно, долгорочните можности се навистина збунувачки. Институтот за напредни концепти на НАСА (ИЦА) е специјално создаден за промовирање на визионерско истражување на вселенската технологија, за да се реализираат 10-40 години.. На пример, ИЦА основа физибилити студија за производство на нано скала - со други зборови, употреба на голем број молекуларни микроскопски машини за производство на кој било објект со собирање на него атом по атом. Таквата „нанофабрика“ може да произведе, на пример, космички компоненти на авиони со атомска прецизност, секој атом во секој објект да се наоѓа таму каде што припаѓа. Резултирачката компонента би била исклучително тврда, а нејзината форма би отстапувала од идеалниот дизајн со само дебелина на атомот. Ултра фините површини не бараат полирање или подмачкување и нема да претрпат буквално никакви дамки или гребнатини со текот на времето. Таквата висока точност и одржливост на компонентите на авионите е повеќе од мода кога се загрозени животите на астронаутите.
Сепак, инспириран од биологијата, Константинос Мавроидис, директор на лабораторијата за компјутеризирана бионанороботика на североисточниот универзитет во Бостон, истражува алтернатива на нанотехнолошкиот пристап: наместо да започне од нула, концептите на Мавроидис се вклучуваат "веќе постоечки молекуларни функционални машини што можат да се најдат во живите клетки: ДНК молекули, протеини, ензими итн.
Формирани од еволуцијата во текот на милиони години, овие биолошки молекули се веќе добро прилагодени на манипулацијата со материјата во молекуларна скала, поради што едно растение може да комбинира воздух, вода и почва за да произведе црвени и сочни јагоди, а човечкото тело може да ја претвори синоќешната вечера во новите црвени крвни клетки денес. Преуредувањето на атомите, што ги овозможува овие работи, го вршат стотици специјализирани протеини и ензими, а ДНК го складира нивниот код за производство.
Користењето на овие „однапред изградени“ молекуларни машини или нивното користење како почетни точки за нови дизајни е популарен пристап кон нанотехнологијата, наречена „био-нанотехнологија“. „Зошто повторно да го измислиме тркалото? Природата ни ја даде целата оваа прекрасна и рафинирана нанотехнологија во живите организми, зошто да не ја користите и да не се обидете да научите од неа? “, Додава Мавроидис.
Специфичните употреби на био-нанотехнологијата, кои Мавроидис ги предлага во својата студија, се многу футуристички. Идејата се однесува на добивање на еден вид „пајакова мрежа“ од цевки со дебелина на влакната, собрани со био-нанотехнолошки сензори преку илјадници километри земја, во метод на детално мапирање на околината на вонземјаните планети. Друг предложен концепт е „втора кожа“ за астронаутите што треба да ја носат под вселенски одела, што би ја користело био-нанотехнологијата за да насети и одговори на зрачењето што продира во костумот, брзо запечатувајќи ги сите гребнатини или пробиви.
Футуристички? Сигурно? Можно? Можеби. Мавроидис признава дека ваквите технологии најверојатно се оддалечени со децении и дека технологијата од далечната иднина ќе биде многу поразлична од онаа што ја замислуваме денес. Сепак, тој верува дека е важно да се започне да се размислува за тоа што нанотехнологијата може да го направи возможно за многу години од сега.