Материалы для внеклассного занятия "Нанороботы и их применение"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа поселка свх. Агроном»

Лебедянского муниципального района Липецкой области

Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ с международным участием «Десять в минус девятой»

Реферативная работа

Тема «Нанороботы»

Выполнил: Зимин Арсений Александрович

Класс: 7

Город: п. свх. Агроном Лебедянского муниципального района Липецкой области

Научный руководитель: Фамилия И.О.

Должность:

Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ с международным участием

«Десять в минус девятой», 2021

Содержание

I Вступление

II Основная часть

1. Нанороботы собственно что это?

2. Система нано роботов

3. Степень становления технологии

4. Доктрина нанороботов

5. Конструкция нанороботов

6. От каких источников энергии будут работать нано роботы?

7. Вероятная область использования

7.1 Применение в медицине

7.2 Использование в промышленности и сельском хозяйстве

7.3 Использование для изучения и освоения космоса

7.4 Чистая планета

8. Из каких химических элементов будет состоять медицинские нанороботы

9. Могут ли жидкости, находящиеся в человеческом теле, проникать в нанороботов?

10. Как можно будет связаться с этими машинами, когда они завершат свою работу?

11. Какое будет физическое самочувствие человека, которому ввели внутрь медицинских нанороботов?

12. Могут ли «Устаревшие нанороботы», содержащиеся в человеческом теле, создавать проблемы, если они, в конечном счете, откажут?

13. Как нано роботы будут удалены из тела?

14. Будут ли нано роботы, находящиеся внутри тела, атакованы иммунной системой?

15. Как будут химические агенты транспортироваться и доставляться к определённой клетке?

16. Какая была бы выгода для человечества в использовании наномедицины?

17. Что нужно, для того чтобы простроить нано фабрику?

18. От чего зависит строительство первых флотов нанороботов?

19. Сложность создания нанороботов

III Заключение

Источники

Введение

В настоящее время немногие понимают, что такое нанотехнология, но за этой наукой стоит будущее. Сейчас все основные вселенские державы развивают новые направления научных изучений, в основе которых лежат нано технологии. Это полное внедрение нанотехнологий повлечёт за собой значительное улучшение качества и увеличение общей продолжительности жизни людей, резвое внедрение новых технологий в индустрию, перераспределение ресурсов, понижение общественной напряжённости, становление экологических систем, то есть случится высококачественная перемена финансовой, политической жизни мира.

Объект исследования: нанороботы

Цель: ознакомление с нанороботами

Задачи:

1) Изучить доктрину нанороботов;

2) Изучить конструкцию нано роботов;

3) Проанализировать вероятную область исследования;

4) Определить использование нано роботов в глобальной культуре;

5) Сделать выводы.

Методы:

1) Использование дополнительной литературы.

2) Просмотр видеороликов о применение нанороботов во всевозможных сферах работы

Актуальность данной темы заключается в том, что проблема развития и внедрения нано технологий в производственный процесс различных отраслей хозяйства является сейчас очень важной и актуальной, а также нано технология активно развивается, нередко освещается в СМИ, считается известной темой в обществе.

Ученые, которые достигли сегодня высоких отметок в области нанотехнологий, во многом обязаны двум изобретениям конца прошлого века. В 1981 году физики Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из исследовательской лаборатории IBM создали сканирующий туннелирующий микроскоп, который позволил им увидеть отдельные атомы.

В 1986 году он был модернизирован Гердом Биннигом и позволил не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Оба научных работника за свои революционные труды были удостоены Нобелевской премии. В 1990 году увидела свет эпохальная статья двух исследователей из той же лаборатории IBM - Айглера и Швейцера, под названием «Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа», и многим стало ясно, что пророчество Фейнмана сбылось - весь мир обошла «нано фотография» удивительной мозаики, образующей символику компании IBM, «выгравированная» отдельными атомами ксенона на поверхности никелевого монокристалла с немыслимой ни в какие времена атомарной точностью.

Нанороботы собственно, что это?

Человечество во все эпохи стремилось сделать лучше условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди воспользовались всевозможными орудиями труда, несколько позднее они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому обществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Сейчас основная масса из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Грядущим шагом в данном развитии будет освоение нанотехнологий, а в частности систем довольно мелкого объёма, способных выполнять команды людей. Таких покорных существ именуют нанороботами.

Впервые понятие наноробота или молекулярного ассемблера было замечено в книге Эрика Дрекслера (Eric Drexler) из Массачусетского технологического института «Машины созидания: наступление эры нано технологий» (1986 г.). По мнению Дрекслера, будущее молекулярной технологии и нанотехнологии состоит в создании функциональных структур и приборов методом их поатомной сборки с помощью программируемых роботов, а также в разработке самих молекулярных роботов, способных «строить» из атомов всевозможные объекты. Конструирование таких машин предполагалось осуществлять методом формирования химических связей за счёт механического сближения электронных оболочек атомов. Возможности отдельного робота, оказываются весьма ограничены, в связи с его малыми размерами, что, по мнению Дрекслера, настоятельно просит создания наномашин, способных к самовоспроизводству, то есть размножению или репликации. В основе идей о самореплицирующихся структурах лежит доктрина фон Неймана (1940 г.), согласно которой репликация считается почвой природных механизмов развития, а сам процесс репликации применяется как в клеточной инженерии, так и при воспроизводстве живых организмов. Дрекслер сам же обрисовал угрозу сотворения таких систем: выход из-под контроля процесса репликации по причине возникновения ошибки в программе отдельного робота-репликатора, может привести к техногенной аварии. Идеи Дрекслера вызвали волну неприязни к нанотехнологиям со стороны населения. Полуфантастические мониторинги оказались противоречащими законам термодинамики, а технологический прогресс продолжил перемещение вперёд.

Рисунок 1 – Система нанороботов

Степень становления нано роботов

По состоянию на 2016 год нанороботы присутствуют в научно-исследовательской стадии сотворения. Некоторыми учёными утверждается, что уже сделаны некоторые составляющие нанороботов. Разработке компонент наноустройств и именно нано роботам посвящён ряд интернациональных научных конференций.

Уже сделаны некоторые примитивные макеты молекулярных машин. К примеру, датчик, имеющий переключатель в пределах 1,5 нм, способный производить подсчёт отдельных молекул в химических образцах. Не так давно Институт Райса показал наноустройства для применения их в регулировке химических процессов в передовых автомобилях.

Одним из самых трудных прототипов наноробота считается «DNA box», разработанный в конце 2008 г. интернациональной группой под управлением Йоргена Кьемса. Прибор содержит подвижную долю, управляемую с поддержкой прибавления в среду своеобразных фрагментов ДНК. По мнению Кьемса, прибор имеет возможность трудиться как «ДНК-компьютер», так как на его основе вероятна осуществление закономерных вентилей. Необходимой особенностью прибора считается способ его сборки, например именуемый ДНК оригами (англ.), благодаря которому прибор собирается в автоматическом режиме.

В 2010 году были в первый раз продемонстрированы нанороботы на базе ДНК, способные передвигаться в пространстве.

Летом 2016 г. учёным из Дрексельского института получилось сделать нанороботов для скорейшей доставки медицинских препаратов по венам. При поддержке электрического поля знатоки сумели развить высшую скорость у малейших ботов. Свежая разработка облегчит отправку фармацевтических средств по кровеносным сосудам организма. Собственные выводы и подробности изобретения были отражены в заметке издания Scientific Reports. Электрическое поле влияет на ботов, заставляя их вертеться. Соединённые в цепочку 13 нанороботов готовы развивать скорость до 17,85 микрометра в секунду. Учёные в ходе исследований выявили индивидуальность, которая выражалась в возможности делиться на более маленькие цепочки при достижении наибольшей скорости. Нанороботов можно, в том числе и направить во всевозможные стороны при изменении направления магнитного поля.

Доктрина нанороботов

Так как нанороботы имеют микроскопичные габариты, то их понадобится большое количество для общей работы в решении микроскопичных и макроскопических задач. Оценивают стаи нанороботов, которые не готовы к репликации (так, например, «утилитарный туман») и которые готовы к самостоятельной репликации в находящейся вокруг среде («серая слизь» и другие варианты).

Некоторые приверженцы нанороботов в ответ на сценарий «серой слизи» высказывают соображение о том, что нанороботы готовы к репликации лишь только в ограниченном числе и в определённом пространстве нанозавода. Кроме этого, ещё только предстоит создать процесс саморепликации, который устроит эту нанотехнологию неопасной. Кроме того, свободная саморепликация ботов считается гипотетичным ходом и в том числе и не рассматривается в текущих намерениях научных изучений.

Есть намерения по созданию медицинских нанороботов, которые станут впрыскиваться в больного и исполнять роль беспроводной связи на наноуровне. Эти нанороботы не могут быть получены в ходе автономного копирования, так как это приведёт к выходу в свет промахов при копировании, которые могут понизить надёжность наноустройства и поменять выполнение медицинских задач. Вместо этого, нанороботов планируется изготавливать на предназначенных медицинских нанофабриках.

Конструкция нанороботов

В связи с развитием направленности научных изучений нанороботов, в данный момент более остро стоят вопросы их определённого проектирования. Одной из инициатив по заключению данной трудности считается «Сотрудничество по разработке нанофабрик», основанное Робертом Фрайтасом и Ральфом Меркле в 2000 г. Работа сконцентрирована на разработке практической программки изучений, которая ориентирована на создание контролируемой алмазной механосинтетической нанофабрики, которая станет способна к производству медицинских нанороботов на базе алмазных соединений. Для этого разрабатываются технологии зондирования, управления силовыми связями между молекулами и навигации. Формируются планы и макеты инвентаря для манипуляций, двигательного аппарата (молекулярные моторы) и «бортового компьютера».

Молекулярные движки — наноразмерные машины, способные осуществлять вращение при приложении к ним энергии. Ключевой особенностью молекулярных моторов считаются повторяющиеся однонаправленные вращательные перемещения, происходящие при подаче энергии. Для подачи энергии применяются химический, световой способ, а еще способ туннелирования электронов.

Кроме молекулярных движков, формируются ещё наноэлектродвигатели, подобные по системы с макроскопическими аналогами, задумываются движки, принцип работы которых базируется на применении квантовых эффектов.

Рисунок 2 – Молекулярные движки        Рисунок 3 – Квантовый эффект

От каких источников энергии будут работать нанороботы?

Одной из ранних догадок Эрика Дрекслера в «Двигателях создания» было использовать локальные припасы глюкозы и аминокислот в теле человека (in vivo). Таким образом, наноустройство сможет при поддержке механохимических реакций получать энергию из метаболизма О2 и глюкозы. Другая возможность - получение акустической энергии снаружи, что наиболее удобно при клиническом использовании.

Вероятная область использования

Применение в медицине

Одной из первых областей, где найдут применения таланты нанороботов, будет наномедицина. Наноробот, введённый в организм человека, может автономно передвигаться по кровеносной, лимфатической и нервной системам, не нанося при движении вреда организму. На своём пути он сможет изменить характеристики тканей и клеток, истребить бактерии и молодые раковые клетки. Так, в Монреальском университете под управлением профессора С. Мартеля был создан образец системы управления и слежения за нанороботом в живом организме. В качестве модели бота они использовали металлический шарик диаметром в полтора миллиметра, который испытывали в артерии живой свиньи. Для управления сферой канадцы разработали изящный способ: они заставили управлять «роботом» прибор, одновременно контролирующий передвижение сферы по телу животного, — обычный магниторезонансный томограф. Учёные аккуратно провели шарик по кровеносным сосудам со скоростью до 10 см/с.

Наноробот будет обустроен наружным пространством, которое будет контактировать с брутальными средами организма (например, с кровью) и внутренним вакуумным пространством, которое будет применяться для анализа и забора материалов. Нанороботы смогут возобновить обычный баланс веществ в организме и таким образом быстро излечивать организм от инфекций. Восстановление кожи будет протекать несколько медлительнее, так как в данном случае будет необходимо восстанавливать клеточные структуры.

Нанодоктора XXI века будут удалять терапевтических нанороботов из тела больного, когда механизмы завершат свою работу. Поэтому угроза того, что «устаревшие нанороботы», оставшиеся в теле больного, будут работать неправильно, мало. Также нанороботы будут спроектированы с высочайшим уровнем статической неопределимости для того, чтобы избежать сбоев в работе прибора и устранить тем самым медицинский риск. Какие подсистемы должен иметь медицинский наноробот? Так как главная функция наноробота – перемещение по кровеносной системе человека, то он должен иметь мощную навигационную систему. Устройству необходимо иметь несколько типов всевозможных сенсоров для прогноза находящейся вокруг нас среды, навигации, коммуникации и работы с отдельными молекулами.

Нанороботу важна мощная транспортная система, доставляющая отдельные атомы и молекулы от хранилищ к наноманипуляторам, и назад. Для работы с пораженными структурами прибор будет оборудован набором телескопических нано манипуляторов разного применения. Материал, из которого будет изготовлен наноробот–алмазоид или же сапфироид. Это обеспечит биосовместимость человека и большого количества нано машин. Также нужно присутствие приёмопередаточных устройств, позволяющих нано роботам связываться друг с другом. И наконец, для удержания больших объектов важны телескопические захваты. Врач, практикующий нано медицины, будет предлагать больному инъекцию особый тип нано роботов, которые ищут раковые клетки и уничтожать их, рассеивая заболевания у источника, оставляя здоровые клетки нетронутыми. Уровень проблемы для больного будет по сути дела, укол в руку.

Использование в промышленности и сельском хозяйстве

В индустрии произойдёт замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов употребления именно из атомов и молекул. Вплоть до индивидуальных синтезаторов и копирующих приборов, позволяющих изготовить любой предмет. Замена произойдёт и в сельском хозяйстве: комплексы из молекулярных ботов придут на смену «естественным машинам» для изготовления еды (растений и животных) их искусственными аналогами. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, более кратким и эффективным путем.

Строительство. Благодаря возможности нанороботов создавать всевозможные предметы из атомов, они легко освоят построение жилых и нежилых зданий.

Утилизация отходов. В самом неотдалённом будущем в мире не  будет мусора и свалок, обещают учёные государств – ведущих создателей нано роботов. Нанотехнологии дают возможность быстро расщеплять мусор до мельчайших частиц, что поможет в борьбе с массовой проблемой загрязнения находящейся вокруг среды.

Сборка конструкций. Новейшие технологии могут быть использованы с целью сборки любых предметов и конструкций из атомов, заменив при этом обычный заводской конвейер. Из атомов нанороботы способны собрать нужные предметы, как выполняется их сборка из деталей на заводе.

Использование для изучения и освоения космоса

Космос будет дальше осваиваться: большое войско роботов-молекул будет выпущено в околоземное галактическое пространство и подготовит его для заселения человеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) галактические станции.

Чистая планета

Нанороботы смогут, наконец, решить  одну  из  самых трудных экологических проблем нашего времени — прекратить загрязнение планеты, на которой проживает человек. Новая разработка считается безотходной. Вышедшие из строя устаревшие вещи не выбрасываются, а элементарно разбираются нано роботами на атомы. Прототипы грядущих совершенных нано роботов начинают защищать природу Земли. Американский  Национальный научный фонд подчеркнул лаборатории молекулярной робототехники университета Южной Калифорнии 1,5 миллиона долларов на создание нано роботов для контроля над загрязненностью морской воды. Эти работы проводятся уже несколько лет, и уже изготовлены одноэлектронные приборы, которые станут служить составными частями для более сложных нано структур. Когда работа будет завершена, целый рой микроскопических роботов предполагается выпустить в океан. Каждый из них будет определять чистоту воды в своей акватории и передавать информацию на спутник, вращающийся на высочайшей орбите. На очереди создание аналогичных нано датчиков и для определения экологического состояния земной атмосферы.

Из каких химических элементов будут состоять медицинские нано роботы?

Обычное врачебное наноустройство будет представлять собой бота микронного (мкм) объёма, созданного из нано частей. Величина частей нано робота будет изменяться от 1 до 100 нм (1 нм = 10(-9) м), а самого робота -0.5-3 мкм (1 мкм = 10(-6) м) в диаметре. Три микрона - наибольший размер для медицинских наноботов кровотока, так как это наименьший размер капилляров. Углерод будет главным компонентом, составляющим основу медицинских нанороботов, вполне вероятно в форме алмаза или алмазоидных нанокомпозитов из-за огромной прочности алмазоида и его химической инертности. Практически все остальные элементы, например, водород, сера, кислород, азот, фтор, кремний и другие, будут применяться для особых целей в нанометрических редукторах и других компонентах. В настоящее время уже предложены или разрабатываются составные части нано роботов: 1) Навигационные системы (для определения местонахождения и определения маршрута передвижения). 2) Наносенсоры (для прогноза находящейся вокруг среды, участия в навигации и коммуникации при работе с отдельными молекулами). 3) Нано манипуляторы (наноактюаторы для выполнения непосредственных действий с объектом). 4) Приборы приема и передачи информации. Осталось только их совместить…

Могут ли жидкости, находящиеся в человеческом теле, проникать в нанороботов?

C медицинской точки зрения имело бы значение обрисовать наноробота как прибор, имеющее два разделенных пространства - внутреннее и внешнее. Вправду, внешнее пространство наноробота будет беззащитным перед всем разнообразием химических веществ, входящих в состав организма человека, а внутреннее пространство наноробота полностью организовано (возможно, что это будет вакуум), и при обычной работе прибора в него не попадают посторонние жидкости, не считая тех, с которыми непосредственно работает нано робот. Конечно, в процессе работы наноробот может пропускать внутрь себя жидкости для химического анализа или для других целей. Но важно, что этот прибор будет водонепроницаем и воздухонепроницаем, следовательно, жидкости, которые находятся в теле человека, не смогут попасть внутрь нанобота, не считая жидкостей, которые специально нагнетаются механизмом.

Как можно будет связаться с этими машинами, когда они завершат свою работу?

Для этого есть большое количество способов. Самый простой путь состоит в распространении тестовых акустических сигналов внутри тела, которые нанороботы in vivo будут принимать на себя. Прибор, наподобие ультразвукового датчика, будет декодировать акустические сигналы с частотой около 1-10 МГц. Следовательно, доктор, проводящий лечение, может без труда посылать новые команды нанороботу, находящемуся в теле человека. У любого наноробота имеется самостоятельный источник энергии, компьютер, набор сенсоров, и поэтому он может принимать акустические  сигналы, декодировать их и посылать соответствующий ответ. Существует и вторая половина процесса передачи данных - от нано роботов к врачу. Эти данные тоже можно передавать акустически. Впрочем, способности  бортовой силовой установки робота ограничивают радиус передачи акустических сигналов до нескольких сотен микрон для каждого наноробота. Вследствие этого нужно обязательно создать внутреннюю сеть, которая будет собирать локальные данные и затем пересылать их к центральному «пункту связи», где лечащий доктор сможет их принять с помощью высокочувствительных ультразвуковых сенсоров. Аналогичная сеть, состоящая приблизительно из 100 биллионов мобильных узлов (рассеивающих 60 Вт тепла, в то время как обычное рассеивание энергии человеческого тела - 100 Вт) внутри тела больного может быть установлена в пределах часа.

Какое будет физическое самочувствие человека, которому ввели внутрь медицинских нано роботов?

Во многих случаях больной, проходящий наномедицинскую обработку, выглядит точно так же, как и другой такой же больной человек. Обычная наномедицинская обработка (например, очистка от бактериальной или вирусной инфекции) будет состоять из инъекции нескольких кубических сантиметров нанороботов микронного объёма, растворённых в жидкости (возможно или в воде, или в солевом растворе). Нормальная терапевтическая  доза может включать от 1 до 10 триллионов (1 триллион = 10(12)) отдельных нано роботов. Конечно, в некоторых случаях можно будет ограничиться всего лишь несколькими миллионами или несколькими биллионами механизмов. Любой наноробот будет размером от 0.5 мкм до 3 мкм в диаметре. Размеры наноробота будут находиться в зависимости от его облика и назначения. Тело взрослого человека имеет объём около 100,000 см³, объем крови составляет ~5400 см³, поэтому добавление дозы нанороботов в объёме ~3 см³ будет почти незаметным. Нанороботы будут делать только то, что скажет доктор, и ничего более  (таким образом, исключена возможность неисправностей). Поэтому, изменится только физическое состояние больного - он будет довольно таки быстро поправляться. Основная масса заболеваний наподобие простуды или лихорадки имеют симптомы с биохимическими процессами. Их можно будет устранить, вводя дозу соответствующих нанороботов. Восстановление нормального состояния кожи при сыпи на ней или при её повреждение (как это случается при кори), будет происходить на много медленнее, так как в данном случае необходимо будет полностью восстановить кожный покров.

Могут ли «устаревшие нанороботы», содержащиеся в человеческом теле, создавать проблемы, если они откажут?

Нановрачи XXI века будут удалять терапевтических нанороботов из тела больного, когда механизмы завершат свою работу. Вследствие этого угроза того, что «устаревшие нанороботы», которые остались в теле больного, будут работать некорректно, весьма мала. Ещё нанороботы будут созданы с высоким уровнем статической неопределимости для того, чтобы избежать сбоев в работе прибора и устранить тем самым медицинский риск.

Как нано роботы будут удалены из тела?

Многие нано устройства готовы к самоудалению из организма методом естественных человеческих экскреторных каналов. Иные будут созданы таким образом, чтобы позволить их удаление медицинским персоналом, применяя выводящеподобные процессы (обычно именуемые нановыводом или нано аперезисом) или активные фагоцитозные системы. Это зависит от прибора данного наноробота. Для респироцитов, ранее рассмотренных, процедура выведения их из тела больного проста: Как только терапевтическое использование закончено, было бы лучше исключить искусственные приборы из кровотока. Бортовой резервуар с балластом (водой) будет полезен при отделении искусственных клеток от натуральных клеток крови. Кровь, которая нуждается в очистке, поступает в специально сконструированную центрифугу, где респироцитам дают команду ультразвуком освободить их балластные резервуары от воды и, таким образом, установить нулевую плавучесть. Ни одна твердая составляющая крови не обладает нулевой плавучестью, вследствие этого остальные составляющие будут отделены от респироцитов при помощи аккуратного центрифугирования. После этого плазма, содержащая респироциты, пропускается через фильтр с зернистостью 1 мкм, в результате чего респироциты будут отделены от неё. Отфильтрованная плазма перемешивается с твёрдыми телами, приобретёнными во время центрифугирования, и кровь невредимой возвращается к больному.

Будут ли нанороботы, находящиеся внутри тела, атакованы иммунной системой?

Иммунная система в основном всегда реагирует на «чужеродные» поверхности. И величина нано робота имеет большое значение при этом, так же как и манёвренность прибора, шероховатость поверхности и её подвижность. Проблема биосовместимости не труднее проблемы совместимости биоимплантантов. Во многих случаях данная проблема оказывается намного проще, чем её привыкли представлять, так как почти все типы медицинских нанороботов будут временно находиться в человеческом теле. В том числе уже на сегодня применение иммунноподавляющих агентов на период наномедицинского лечения поможет иммуннонезащищённым роботам находиться в теле человека и выполнять там свою работу без трудностей. Конечно, идеальным выходом из данной проблемы является конструирование роботов из алмазоидных материалов. Ряд проделанных опытов подтвердили, что гладкие  алмазоидные структуры вызывают наименьшую энергичность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Вследствие этого кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие («организованное», т.е. нанесённое атом за атомом с нанометрической гладкостью) будет иметь довольно низкую биологическую энергичность. Благодаря высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной её гидрофобности внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна.

Как будут химические агенты транспортироваться и доставляться к определённой клетке?

Как только будет определена группа клеток, которая нуждается в доставке медикаментов, наноустройства просто доставляют лечащего разведчика в клетку из бортовых хранилищ. Инъекция 1 см³ 1-микронных нано устройств содержит в себе как минимум 0.5 см³ лечащего агента. В основном все эти биллионы нанороботов достаточно «разумны», чтобы доставить 100% своего груза внутрь клетки, вследствие этого эффективность их использования составит 100%. Сенсоры на борту приборов обеспечат надёжный контроль над передозировкой медикамента. Однако, данный вопрос - яркий пример «анахронизма» в наномедицине. Развитая нанотехнология сможет в будущем обеспечить другой, наименее деструктивный путь для достижения той же цели. К примеру, доставка цитотоксина в тканевые клетки необязательна при удалении карциноматоза на клеточном и генетическом уровне.

Какая была бы выгода для человечества в использовании наномедицины?

Нано медицина исключит практически все широко известные и распространённые болезни XX века, боль увеличит срок жизни человека и расширит наши умственные способности. Прибор для хранения данных нано метрических размеров, способный хранить информацию, эквивалентную информации Библиотеки Конгресса, займет всего ~8,000 микрон(3), это размер клетки печени и меньше объема, занимаемого нейроном - нервной клеткой. В случае если внедрить похожие приборы в человеческий мозг вместе с устройствами, которые обеспечивают к ним доступ, то объем информации, которая способна храниться в человеческой памяти, намного возрастёт. Простой нано компьютер, выполняющий 10 терафлоп операций в секунду (10 терафлоп -10(13) операций с числами с плавающей запятой), который детально описан учёным Дрекслером, также занимает размер средней человеческой клетки. Этот компьютер эквивалентен (почти со всеми упрощениями) счетной способности человеческого мозга. Он рассеивает в окружающую среду в пределах 0.001 ватт тепла. Человеческий мозг при таком же количестве операций в секунду рассеивает 25 ватт тепла. В случае если опять же внедрить в человеческий мозг небольшое количество таких приборов, можно в несколько раз ускорить процессы человеческого мышления. Вполне вероятно, что главной пользой для человечества будет эра мира, которая наступила благодаря развитию нанотехнологий. Надеемся, что умные, мудрые, образованные, здоровые, ни в чём не нуждающиеся люди, которые имеют неплохие дома, не захотят воевать друг с другом. Люди, способные прожить жизнь гораздо полнее и дольше, чем сейчас, не захотят подвергать свое существование опасности. Наномедицина исключит практически все широко известные и распространённые заболевания XX века, боль и увеличит срок жизни человека, расширит умственные способности.

Что нужно, для того чтобы простроить нанофабрику?

Для того чтобы построить нано фабрику, необходимы три элемента: строительные материалы, инструменты, которыми можно резать и соединять эти материалы; и чертежи, которыми следует руководствоваться при использовании инструментов и материалов. В природе строительными материалами служат тысячи аминокислот и протеинов, из которых основывается живая плоть и кровь. Инструментами для резки и соединения — аналогами молотков и пил, важных для выстраивания протеинов в нужном порядке и превращения их в новые формы жизни, — служат рибосомы. Они приспособлены для того, чтобы разрезать протеины и вновь соединять их в определённых точках, формируя новые типы. Чертежи «прибора» задает молекула ДНК, где тайна жизни зашифрована через определённую последовательность нуклеиновых кислот. Эти три компонента объединены в клетке, которая обладает отличной возможностью к самовоспроизводству, т.е. умеет создавать копии самой себя. Это происходит благодаря тому, что по  форме молекула ДНК напоминает двойную спираль. Когда приходит время размножаться, молекула ДНК раскручивается и делится на две автономные спирали. Каждая из двух ниток затем восстанавливает себя до полного двойного состояния, набирая вторую нитку спирали из отдельных органических молекул. Так получается копия молекулы ДНК.

Рисунок 4 – Копия молекулы ДНК

От чего зависит строительство первых флотов нанороботов?

Прежде чем построить первые флоты наноботов, придётся одолеть много серьёзных препятствий. Во-первых, робота, который может создавать копии самого себя, построить чрезвычайно очень непросто, в том числе и на макроскопическом уровне. (Не надо забывать, что при современном уровне техники мы не можем изготавливать даже довольно простые атомные инструменты, например, атомный подшипник или шестерёнка.) Даже имея компьютер и сколько угодно электронных деталей, сложно построить машину, которая умела бы создавать точные копии самой себя. А если это так сложно сделать руками, на столе, то, что же говорить о строительстве  подобной машины на атомном уровне! Во-вторых, пока вообще непонятно, как программировать армию нано роботов снаружи. Предлагают, в частности, посылать радиосигнал, который должен будет активировать каждый наноробот. Возможно, нанороботов можно облучить лазерным лучом, несущим в себе инструкции. Но это означало бы отдельный набор инструкций для каждого бота, которых может быть огромное множество - триллионы! В-третьих, непонятно, как именно наноробот должен отрезать, переставлять с места на место и склеивать атомы в нужном порядке. Не будем забывать, что природе на решение этой проблемы потребовалось 3,5 млрд. лет, поэтому вряд ли можно надеяться решить ее всего за несколько десятков лет.

Рисунок 5 – Склеивание атомов

Сложность создания нанороботов

Целью сотворения нано роботов считается создание прибора, способного к манипулированию отдельными атомами. Таким образом, возможно, станет делать структуры любой трудности с требуемыми качествами. Надо лишь только писать нужные программы. Кроме того, запрограммировав 1-го наноробота на копирование самого себя, мы получим буквально бесплатное создание. Эти боты смогут складывать из атомов и оригинальные изделия, и предметы ежедневного использования, и чинить неисправности людского организма. Впрочем, чтобы добиться всего этого, надо ответить на большое количество вопросов. До сих пор неизвестен чертеж нано робота с детализированной расстановкой всех его атомов. Непонятно как устроить данный чертёж, чтобы атомы при сборке просто не разлетелись. Общая схема ясна – бот обязан иметь движок, располагать манипуляторами для перестановки атомов и иметь некоторый контейнер для переноски груза. Отдельные части данных систем уже сделаны. Но как собрать их все совместно, да и сделать отсутствующие составляющие, пока строгие способы проектирования не выделяют ответа, а экспериментальные настоятельно просят значимых денежных расходов. Современные способы проектирования нано роботов предполагают собой или комплект итераций по экспоненциально сходящимся методам, которые имеют чрезмерно огромную трудозатратность, временами требующую миллионы лет расчетов, или комплект опытных способов, требующих большущих денежных и временных расходов. А для сотворения плана наноробота с наименьшими временными и экономическими расходами нужно создание полиномиального по времени метода с подходящим программным обеспечиванием.

Таким образом, подходящее решение задачи нужно предопределять на базе компромисса четких и вероятностных способов. Рассмотрим традиционный способ определения координат атомов и сил, воздействующих на них, – способ молекулярной динамики. В нём ориентируется структурные, термодинамические, транспортные качества и их связи. Точность итогов определяются размерностью (числом частиц) моделируемой системы. Порядок наращивания производительности применения вычислительных ресурсов станет возрастать с возрастанием количества частиц в модели. Как в данный момент ясно для ассемблера необходима модель около 1 000 000 атомов и в соответствии с этим учета их взаимодействий.

Заключение

В ходе выполнения данного реферата мною было проработано большое количество заметок, приуроченных к вопросам нанотехнологии, были просмотрены видеоролики, освещающие работу нанороботов во всевозможных сферах работы. Вследствие проделанной работы пришёл к выводам:

- Благодаря быстрому прогрессу в этих разработках, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипирование, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это произойдёт, нанотехнология окажет большое воздействие буквально на все области индустрии и общества.

Население земли получит самую комфортабельную среду обитания, в которой не станет пространства ни голоду, ни заболеваниям, ни изнурительному физиологическому труду. А в возможности ожидает появление «разумной среды обитания» (т.е. природы, ставшей конкретной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все находящееся вокруг место: они станут находиться между молекулами воздуха, существовать в любом предмете, во всякой клеточке людского организма. Вся находящаяся вокруг вселенная перевоплотится в один большой компьютер или население земли соединится с находящимся вокруг миром в единственный осмысленный организм.

Источники