Nanorobotika, revolúcia na obzore

Roboty tisíc krát menšie než bežná ľudská bunka s mnohorakým využitím. Spôsobia revolúciu napríklad v medicíne?

Výskum a problémy, Pokrok, Testovanie

Úvod

Každý z nás sa už určite stretol s pojmom „nano“. Tento výraz pochádza z gréckeho nanos, čo znamená trpaslík. Na týchto stránkach sa často stretávate s pojmom nanometer, napríklad pri veľkostiach tranzistorov v procesoroch. Nanoštruktúry sú miliardu krát menšie ako jeden meter, preto je náročné s nimi manipulovať a donedávna to ani nebolo možné.

Ilustrácia veľkosti nanozariadení (kliknutím zväčšíte obrázok). Credit: http://nano.cancer.gov

Už v roku 1959 si nositeľ nobelovej ceny za fyziku, Richard Feynman povedal, že ak je možné manipulovať s jednotlivými atómami a molekulami, prečo by nebolo možné zostrojiť malé a zložité štruktúry pre rôzne účely a praktické využitie. Predstavte si, že by sme mohli z týchto nanoštruktúr postaviť malé nanoroboty, ktoré by dokázali opraviť poškodené tkanivá alebo polámané kosti, cielene naprogramované tak, aby ničili rakovinu, či nebezpečné vírusy. Tieto nanoroboty by sa mohli replikovať a vytvárať z jednoduchých štruktúr ako je pár molekúl vody, uhlíku a kyslíku zložité systémy ako umele orgány. Svet by sa tak mohol jedného dňa ocitnúť bez jediného človeka, ktorý by trpel fyzickými defektmi. Ak popustíme uzdu fantázii tak by sme nanoroboty mohli použiť aj na výrobu pokrmu, replikátor zo Star Treku by bol na svete. Áno, celé to znie ako fantázia, ale aj mnohé dnešné technológie boli pred pol storočím len výsadou Sci-fi. Súčasný pokrok vo všetkých oblastiach vedy a techniky naznačuje, že nás čaká nová nano epocha.

Výskum a problémy

Čaká nás však ešte dlhá cesta, kým sa ľudstvo zbaví všetkých chorôb a my si do počítača naprogramujeme obed. Je to cesta na ktorej je potrebné rozriešiť viaceré problémy, avšak, stojíme už na jej počiatku.

Za najvýznamnejšieho svetového propagátora nanotechnológií sa považuje Dr. Eric Drexler, ktorý ako prvý prišiel s myšlienkou programovania a zoskupovania molekúl do zložitejších štruktúr. S postupným rozvojom nápadu sa objavili najdôležitejšie problémy, ktoré bude pri ceste k funkčným nanorobotom potrebné prekonať.

Prvým závažným problémom pre vedcov a výskumníkov pôsobiacich v nanovýskume bude programovanie nanorobotov. Dr. Drexler hovorí, že každý, kto vyrába jogurt má dôkaz o tom, že správne naprogamované roboty, podobne ako pleseň a kvasinky, môžu odvádzať užitočnú prácu, len je potrebné ich to „naučiť“.

Druhým problémom, ešte závažnejším, je manipulácia s nanorobotmi. Predsa len, ide o objekty s rozmermi v rádoch miliardtiny metra, takže obyčajná pinzeta a mikroskop na to nestačia. Prielom v tejto oblasti prišiel v roku 1981, keď v IBM vyvinuli STM (tunelový mikroskop), kde špička hrotu tohto mikroskopu dosahovala hrúbku jedného atómu. A to je už naozaj „malá pinzeta“. Hrot STM mikroskopu skenuje povrch látky a za pomoci tunelujúcich elektrónov dostávame výsledný obraz z atómov.

Tretí problém súvisí s kvantovými javmi, čo znamená, že atómy sa nedajú zoskupovať za pokojovej teploty, pretože štruktúry z nich sú pri nej nestabilné – musia sa schladiť a manipulovať s nimi vo vákuu pretože aj samotné molekuly vzduchu sú pri manipulácií s nanoobjektmi veľkým problémom. Slávne xenónové logo IBM bolo vyrobené z inertných (nehybných) atómov pri extrémne nízkych teplotách.

Pokrok

Aj napriek všetkým ťažkostiam, ktoré čakajú za každým rohom sa úspešne darí vytvábať prvé nanoroboty, ktoré sú maličké ako bielkovinové štruktúry v RNA. Na svete sú už dokonca aj prototypy nanoáut, ktoré majú štyri kolesa s vlastným pohonom. Veľký zlom v ich vývoji sa podaril spoločnosti James M Tour Group a Rice University, zaoberajúce sa nanochémiou, kybernetikou a mechanickým inžinierstvom na nano škálach. Ich nanoautá sú postavené z pár molekúl, ktorých motor (hriadeľ) sa točí vtedy, ak naňho pôsobí svetlo určitej vlnovej dĺžky. Dôležité sú ale aj absorpčné vlastnosti materiálov týchto nanoáut, pretože vlnová dĺžka svetla je oveľa väčšia (aj 100 krát) ako samotné nanoauto.

Nanoauto. Credit: JMT Group

Funkčnosť nanorobotov sa testuje na veľkých tj. makroskopických štvorstenných robotoch, z ktorých sa dajú ľahko zostaviť väčšie a väčšie objekty. Nanoroboty s takouto konštrukciou sa dostanú aj na tie najnedostupnejšie miesta a sú dostatočne pevné aby odolali vonkajšiemu a vnútornému tlaku napríklad vnútri tepny vedúcej do srdca.

Tieto roboty, ktoré vyvíja NASA sú známe pod pracovným názvom TETwalker.

Testovanie

Zložité nanoroboty sú ešte len na papieri, problémom ostáva ich konštrukcia. Aby nanorobot dobre fungoval, musí byť efektívny, mobilný a pre medicínske využitie špeciálne odolný, keďže ľudské telo je dosť nehostinné miesto najmä ak má robot v priemere len 150nm. Sledovať ako sa taký nanorobot správa je pre jeho miniatúrnu veľkosť nemožné, preto vedci z NASA vyrobia jeho veľkú kópiu, ktorá má od pár cm až po metrové veľkosti a testujú ich vlastnosti, či to aká konštrukcia by bola najlepšia atď. Ideálnym miestom pre testy sa stala Aljaška a Antarktída, nehostinné miesta s nehostinnou prírodou, klímou a povrchom. Nanoroboty sa tam podrobujú rôznym skúškam ako je skupinová komunikácia a koordinácia pri plnení úloh či zozbieranie nejakého druhu predmetov z určitej oblasti na jedno miesto.

Pracovne nazvaný prototyp TETwalker pripomína obyčajný trojuholník. K svojmu pohybu využíva servomotorčeky, ktorými sa zaťahujú alebo rozťahujú jednotlivé ramená robota, ktorý tak na svoj pohyb využíva zmenu ťažiska, robot sa jednoducho preklopí na ďalšiu svoju stranu, pohyb je to veľmi pomalý ale vývoj je ešte len stále na začiatku.

TETwalker. Credit: NASA

Vývojári prišli už aj na spôsob, ako nanoroboty napájať elektrickou energiou. Museli vymyslieť zdroj energie, ktorý by nebol toxický pre človeka a bol ľahko aplikovateľný. Odpoveď prišla v podobe piezoelektrického javu.

Energia pre nanoroboty a využitie nanotechnológií

Energia pre nanoroboty

Pri piezoelektrickom jave sa v skratke jedná o premenu mechanickej alebo kinetickej energie na elektrickú, ktorá potom poháňa nanoroboty. Oxid zinočnatý sa javí ako najvhodnejší materiál pre tento typ energetického zdroja. Je piezoelektrický a zároveň pre človeka netoxický. Keď sa nanodrát oxidu zinočnatého začne ohýbať, vznikne na jeho konci piezoelektrický náboj. V kombinácií s viacerými nanodrôtmi už vzniká dostatočné množstvo elektrickej energie pre nanorobota, ktorý ju potrebuje na pohon, komunikáciu s ostatnými narnorobotmi, pre koordináciu úloh atď.

Piezoelektrický jav, pri ktorom v kryštalických dielektrikách
vzniká mechanickou deformáciou elektrický náboj. Credit: Mael Guennou - Titzeff

V budúcnosti by sme sa mohli dočkať napríklad aj nanoakumulátora, ktorý bude „natretý“ podobne ako farba na nejakom povrchu, napríklad na obľúbenej vetrovke. Pohybom tela si potom budeme dobíjať napríklad svoj mobil.
 

Využitie nanotechnológií

Ak neuvažujeme o nanorobotoch, nanotechnológie nie sú len hudbou budúcnosti. Rôzne nanomateriály sú už všade okolo nás, iné čakajú na svoje uvedenie do praxe. Už dnes sa v NASA a iných inštitúciách vyvíjajú tzv. nanotrúbky (nanotubes), ktoré sa vyznačujú extrémne veľkou pevnosťou a unikátnymi  chemicko-elektrickými vlastnosťami v závislosti od toho z akého materiálu sú vyrobené.. Sú tvorené jedinou molekulou uhlíku, hrubé pár nanometrov. Dajú sa použiť na výrobu extrémne pevných lán, alebo do solárnych panelov pre zlepšenie ich účinnosti, kde sa podarilo nanotrubkám z oxidu titaničitého zvýšiť účinnosť panelov až o 13%. Už dnes sa rovnomennou izraelskou spoločnosťou vyvíja koncept „Power Paper“. Funguje na jednoduchom princípe. Obyčajný papier sa potlačí nanotrubičkami, takto potlačený „papier“ sa len nechá nasiaknuť elektrolytom (tekutou soľou) a ľahký, odolný akumulátor je na svete.

Inou cestou šli ich vývojari z MIT a Južnej Kórei, kde vyvinuli princíp zvaný „thermopower wave“. Funguje na princípe horenia paliva, nanotrubička sa potiahne nejakým druhom paliva, ktoré horí. Potom sa na jednom konci zapáli a tepelný kaskádový efekt (alebo pulz) je na svete (odtiaľ názov „thermo“). Tepelná vlna potom vytvára elektrickú energiu

Nanotrúbka. Credit: NASA

Nanotechnológie dnes nájdeme na rôznych miestach, dôkazom je nanomedicína a nanochémia, kde sa používajú rôzne kontrastné látky pri zisťovaní rozsahu rakovinového nádoru, vyšetrenie ciev v mozgu, v budúcnosti sa dokonca uvažuje aj o syntéze umelých červených krviniek, takzvaných respirocytov. Ich veľkosť by bola rádovo 1 mikrón, môžeme si ich predstaviť ako mikro pretlakovú pumpu, ktorá by skladovala kyslík pod veľkým tlakom. Senzory by zaisťovali správne dávkovanie kyslíka priamo do ľudského tela. Jeden takýto respirocyt má až 236-krát vyššiu kapacitu ako ľudská červená krvinka. Predstavte si, ako to môže pomôcť pri prvej pomoci, pri rôznych respiračných ťažkostiach či budúcim osadníkom na Marse pri jeho kolonizácií. Uvažuje sa aj o vyrobení celej škály umelých bielych krviniek a krvných doštičiek. Je možné, že o jedno storočie si nebudeme musieť „lámať hlavu“ nad vírusovými ochoreniami alebo nad nebezpečnou stratou krvi (kde ide o sekundy) pri vážnych sečných poraneniach.

Červená krvinka (vľavo), krvná doštička (uprostred) a biela krvinka (vpravo).

Druhá strana mince

Doteraz sme nanotechnológie len chválili pre ich potenciál, ale ako každá technológia môže byť aj táto zneužitá či škodlivá. Nanočastice užívané v rôznych materiáloch, ktoré boli vylepšené nanotechnológiou sa veľmi ľahko dostanú do tela cez pľúca, k vnútorným orgánom, mozgu. Nie je ešte úplne preukázaná ich škodlivosť pre človeka ale pre malé zvieratá ako sú napríklad ryby to je smrteľné. Ďalšou cestou ako sa môžu nanočastice dostať do tela je cez tráviaci trakt, konzumáciou postihnutých plodín, pretože sa nanočastice nerozkladajú, hromadia sa v pôde kde sa akumulujú. Viac o zdravotných rizikách nanočastíc nájdete napríklad v tomto článku.

Azda asi najväčšou hrozbou sú nanotechnológie a ich rôzne stupne využitia v zbrojnom priemysle, kde sa môžu stať zbraňou hromadného ničenia. Je to ako vždy na človeku a na jeho schopnosti regulovať možnosť zneužitia nových technológií.