Nanotechnológia mikroskopických „anjelov“ budúcnosti
„Nanotechnológia“ je súhrnný pojem pre nanoscale technologický vývoj. V širšom zmysle slova je nanotechnológia každá technológia, ktorej konečný výsledok je nanometrický: jemné častice, chemická syntéza, pokročilá mikrolitografia atď. V užšom slova zmysle, nanotechnológia je akákoľvek technológia, ktorá je založená na schopnosti stavať zložité štruktúry rešpektujúce špecifikácie na atómovej úrovni a využívajúce mechanickú syntézu. Nanometrické štruktúry sú nielen veľmi malé, svojou konštrukciou dosahujú dokonca atómovú škálu, ale majú aj úplne zvláštne a neočakávané vlastnosti v porovnaní s vlastnosťami rovnakej látky prijatými na makroskopickej úrovni.
Lekári sa často stretávajú s problémom vykonávania zložitých mikrochirurgických operácií na opravu krvných ciev, na transplantáciu tkanív alebo na opätovné pripojenie odseknutých končatín. Pretože tieto postupy sú veľmi komplikované, chirurgický zákrok sa zriedka ukáže ako optimálne riešenie, má príliš invazívny charakter a dostatočné obmedzenia. Lekársky systém a najmä chirurgický systém však čoskoro mohol zmeniť svoj prístup a obrátiť sa na nano technológia, ktorá umožní vykonávanie najodolnejších lekárskych úloh diaľkovým ovládaním malých robotických mechanizmov, schopné cestovať ľudským telom, diagnostikovať choroby a liečiť ich.
Na japonskej univerzite Tonhuku inžinier Kazushi Ishiyama a jeho výskumná skupina navrhli malé elektronické rotujúce špirály, ktoré sú schopné plávať tekutinou najtenších organických žíl. Ak je to potrebné, tieto zariadenia môžu dokonca preniknúť do určitých nádorov, aby ich potlačili, a môžu dodávať liečivé látky do určitých tkanív a orgánov. Vďaka svojej malej veľkosti, nanoboty je možné injikovať do tela pomocou štandardnej injekčnej ihly, akonáhle vstúpite do systému a reagujete na impulzy vyvíjané magnetickým poľom a diaľkovým ovládaním. Ishiyama verí, že tieto a ďalšie podobné prístroje sa ukážu ako mimoriadne účinné z medicínskeho hľadiska, najmä pokiaľ ide o odstránenie nádorov na mozgu, ktoré sa klasickým spôsobom veľmi ťažko ovládajú.
Namiesto spoliehania sa na použitie magnetického poľa na koordináciu pohybov nanorobotov, ďalší výskumníci vytvárajú podobné prístroje na diagnostiku a liečbu určitých stavov, ktoré sú však cez telo poháňané malými motormi.
Dr. James Friend a jeho tím strojných inžinierov na Monash University v Austrálii už postavili vodný motor veľkosti kryštálu soľ a vykonajte dôkladný výskum s cieľom získať menšiu veľkosť, ktorá zodpovedá hrúbke ľudských vlasov. Princíp motorickej činnosti je inšpirovaný pohybovým štýlom tráviacej baktérie Eschierichia coli (E coli), ktorá pomocou malých tykadiel prepláva telom. Rotačný motor teda na svojom jednom konci otáča malé koncové výčnelky (ako kruhové chvosty), ktoré si ho v tekutom prostredí prerezávajú. Otáčky motora sú 100 000 otáčok za sekundu.
Ale ďalšie dnes vyrobené mikroroboty nie sú len stroje. Niekoľko výskumných ústavov sa podieľalo na vytváraní sútoku organických, živých a anorganických zložiek s cieľom vytvoriť hybridné zariadenia, ktoré sú čiastočnými strojmi, čiastočnými organizmami.. Prvým takýmto vynálezom boli samostatne zostavené mikroskopické roboty poháňané srdcovým svalom a vyvinuté inžiniermi z Kalifornskej univerzity v Los Angeles (UCLA).
Každý mikrónový robot je tvorený zlatým mostíkom spojeným s plášťom srdcového svalu vyrastajúcim z myších buniek, ktoré po uvoľnení do tela extrahujú glukózu z krvi na získanie energie potrebnej na pohyb. Na testovanie mikroskopických robotov ich vedci ponorili do roztoku cukru a bielkovín, ktorý napodobňuje vnútorné podmienky tela. Keď na ne pôsobili elektrické impulzy, akoby sa sťahovali a uvoľňovali miorcard, bolo vidieť, že mikrorobot postupuje. Tieto hybridné entity majú potenciál byť použité v mikrochirurgii, napríklad na odstránenie arteriálnych plakov.. Táto technológia tiež umožňuje vytvorenie nových končatín alebo prstov pre tých, ktorí boli amputovaní, čo umožňuje mladým svalovým bunkám rásť nad umelými kosťami pripevnenými na tele.
Výskum a pokrok sú však v tomto smere stále v priekopníckej fáze a zahŕňajú prekonanie mnohých problémov. Roboty vytvorené vedcami UCLA sa môžu pohybovať jednosmerne a je ťažké ich ovládať. Preto odborníci v súčasnosti skúmajú možnosť použitia kostrového svalstva namiesto svalu myokardu na voľný pohyb nanobotov: srdcový sval sa pohybuje vlastným tempom, čo obmedzuje motorické možnosti mikroskopických prístrojov.
Používanie elektriny na stimuláciu kostrového svalstva by vedcom mohlo umožniť ľubovoľné zapínanie a vypínanie robotov a rozšírenie ich použitia o malé zdroje energie alebo minigenerátory, ako sú tie, ktoré poháňajú počítačové čipy.
V prípade austrálskej univerzity Monash University sú zostrojené prístroje príliš veľké na to, aby im umožňovali voľný pohyb v ľudskom tele, pričom sú príliš dlhé na bezpečnú navigáciu v najužších zákrutách krvných ciev, s rizikom blokovať ich. Podľa doktora priateľa, budúce úspechy v oblasti nanotechnológií by mohli byť podmienené zvýšenou spoluprácou medzi rôznymi odbormi, ako sú strojárstvo a medicína. „Verím, že s pribúdajúcim časom vedci pochopia, že oblasť znalostí jednej oblasti výskumu je nedostatočná na úplné pochopenie obrazu zložitého javu v nanorozsahu a určite každého komplexnejšieho systému, ktorý by mohol využívať nanotechnológie “, Tvrdí.
Mikrokozmos dobýva makrokozmos
Pokiaľ ide o ďalší „obrovský skok“ vo výskume vesmíru, NASA uvažuje v malom, ba veľmi malom meradle. V jeho laboratóriách, NASA intenzívne podporuje rozkvet vedy o nanotechnológiách. Hlavnou myšlienkou tejto aktivity je naučiť sa riadiť hmotu v atómovom meradle - schopnosť riadiť jednotlivé atómy a molekuly s cieľom navrhnúť stroje s molekulárnymi rozmermi, pokročilé elektronické zariadenia a „inteligentné“ materiály. Ak majú diváci pravdu, mohla by nanotechnológia viesť k robotom zapadajúcim medzi záhyby odtlačku prsta, k samoregeneračným materiálom, vesmírne výťahy a ďalšie úžasné zariadenia. Dokončenie niektorých z týchto vecí môže trvať mnoho rokov, iné sa dnes formujú v laboratóriách.
- majú stokrát väčšiu pevnosť v ťahu ako oceľ, ale iba šestinu svojej hmotnosti
- sú 40-krát silnejšie ako grafitové vlákna
- majú vyššiu vodivosť ako meď
- môžu to byť vodiče aj polovodiče, v závislosti od usporiadania atómov
- sú to vynikajúce tepelné vodiče
Veľká časť výskumu nanotechnológií na celom svete sa zameriava na tieto nanorúrky. Vedci navrhli ich použitie v širokej škále aplikácií, od ich použitia ako molekulárnych drôtov pre nanoelektroniku až po vysoký výkon a nízku hmotnosť káblov potrebných pre vesmírny výťah. Vedci sa snažia získať z nanomateriálov možnosť ich použitia pri pokročilej podpore života, pri vývoji superpočítačov a miniatúrnych senzorov pre chemikálie. Miniatúrne senzory dokážu detekovať až niekoľko častí z milióna chemikálií, napríklad toxické plyny, čo ich robí užitočnými pri výskume vesmíru i národnej bezpečnosti.
Ak sa tieto krátkodobé použitia nanotechnológií zdajú pôsobivé, dlhodobé možnosti sú skutočne ohromujúce. Inštitút NASA pre pokročilé koncepcie (ICA) bol špeciálne vytvorený na podporu výskumu vizionárskych vesmírnych technológií, ktorého uskutočnenie bude trvať 10 až 40 rokov.. Napríklad ICA založila štúdiu uskutočniteľnosti výroby nanorozmerov - inými slovami, použitie veľkého množstva strojov na molekulárnu mikroskopiu na výrobu ľubovoľného predmetu jeho zostavením atóm za atómom. Takáto „nanotováreň“ by mohla vyrábať napríklad komponenty kozmického lietadla s atómovou presnosťou, pričom každý atóm v každom objekte sa nachádza tam, kam patrí. Výsledný komponent by bol extrémne tvrdý a jeho tvar by sa vybočil z ideálneho dizajnu iba s hrúbkou atómu. Ultrajemné povrchy by nevyžadovali leštenie ani mazanie a časom by prakticky neutrpeli žiadne škvrny alebo škrabance. Takáto vysoká presnosť a udržateľnosť komponentov lietadla sú v prípade ohrozenia životov astronautov viac ako módna záležitosť.
Avšak, inšpirovaný biológiou, Constantinos Mavroidis, riaditeľ Laboratória počítačovej bionanorobotiky na Northeastern University v Bostone, skúma alternatívu k nanotechnologickému prístupu: namiesto toho, aby boli od nuly, sa Mavroidisove koncepty angažujú “už existujúce molekulárne funkčné stroje, ktoré sa nachádzajú v živých bunkách: molekuly DNA, proteíny, enzýmy atď.
Tieto biologické molekuly, ktoré vznikli počas miliónov rokov, sú už veľmi prispôsobené na manipuláciu s hmotou v molekulárnom meradle, a preto môže rastlina kombinovať vzduch, vodu a pôdu a vytvárať červené a šťavnaté jahody a ľudské telo môže premeniť včerajšiu večeru na nové červené krvinky dnes. Preskupenie atómov, ktoré umožňuje tieto veci, vykonávajú stovky špecializovaných proteínov a enzýmov a DNA uchováva kód na ich produkciu.
Používanie týchto „vopred vyrobených“ molekulárnych strojov alebo ich použitie ako východiskových bodov pre nové dizajny je populárny prístup k nanotechnológii, ktorý sa nazýva „bio-nanotechnológia“. „Prečo znovu objavovať koleso?“ Príroda nám dala všetko toto úžasné a prepracované nanotechnológie vo vnútri živých organizmov, tak prečo to nevyužiť a pokúsiť sa z nich nepoučiť? “, Dodáva Mavroidis.
Konkrétne použitia bio-nanotechnológií, ktoré vo svojej štúdii navrhuje Mavroidis, sú veľmi futuristické. Myšlienka sa týka získania druhu „pavučiny“ z rúrok s hrúbkou vlasov, zhromaždené s bio-nanotechnologickými senzormi na tisíckach kilometrov pevniny metódou podrobného mapovania prostredia niektorých cudzích planét. Ďalším navrhovaným konceptom je „druhá koža“, ktorú majú astronauti nosiť pod skafandrmi, ktorá by pomocou bio-nanotechnológie snímala a reagovala na žiarenie prenikajúce do skafandu a rýchlo utesnila všetky škrabance alebo porušenia.
Futuristický? Určite? Možné? Možno. Mavroidis pripúšťa, že takéto technológie sú s najväčšou pravdepodobnosťou vzdialené desaťročia a že technológia vzdialenej budúcnosti sa bude veľmi líšiť od toho, čo si dnes predstavujeme. Verí však, že je dôležité začať uvažovať o tom, čo by nanotechnológia mohla umožniť o mnoho rokov.