A jövő mikroszkopikus "angyalainak" nanotechnológiája
A "nanotechnológia" a nanoméretű technológiai fejlesztések. Tág értelemben a nanotechnológia minden olyan technológia, amelynek véges eredménye nanometrikus: finom részecskék, kémiai szintézis, fejlett mikrolitográfia stb. Szűk értelemben, a nanotechnológia minden olyan technológia, amely azon a képességen alapul, hogy komplex struktúrákat építsen fel, figyelembe véve az atomi szintű specifikációkat és mechanikus szintézist. A nanometrikus struktúrák nemcsak nagyon kicsiek, és még az atomi méretarányt is elérik a tervezésükben, de teljesen különleges és váratlan tulajdonságokkal rendelkeznek, összehasonlítva ugyanazon anyag makroszkopikus szinten vett jellemzőivel.
Az orvosok gyakran szembesülnek azzal a problémával, hogy komplex mikrosebészeti műveleteket hajtanak végre az erek helyreállítása, a szövetátültetés vagy a levágott végtagok újracsatolása céljából. Mivel az ilyen eljárások nagyon bonyolultak, a műtét ritkán bizonyul optimális megoldásnak, túl invazív jellegű és elég korlátozott. Hamarosan azonban az orvosi rendszer és különösen a sebészeti rendszer megváltoztathatja szemléletét, és felé fordulhat nanotechnológia, amely lehetővé teszi a legkényelmesebb orvosi feladatok elvégzését apró robotmechanizmusok távvezérlésével, képes utazni az emberi testen, diagnosztizálni a betegségeket és kezelni őket.
A japán Tonhuku Egyetemen Kazushi Ishiyama mérnök és kutatócsoportja kis elektronikus forgó spirálokat tervezett, amelyek képesek a legvékonyabb szerves vénák folyadékán átúszni. Szükség esetén ezek az eszközök akár behatolhatnak bizonyos daganatokba, hogy elnyomják azokat, és orvosi anyagokat juttathatnak el bizonyos szövetekbe és szervekbe. Kis méretének köszönhetően, nanobotok injekciózhatók a testbe egy szokásos injekciós tűfecskendő segítségével, ha belép a rendszerbe, reagálva a mágneses mező és a távirányító által kifejtett impulzusokra. Ishiyama úgy véli, hogy ezek az eszközök és a hozzájuk hasonló emberek orvosi szempontból rendkívül hatékonyaknak bizonyulnak, különösen az agydaganatok eltávolítása szempontjából, amelyeket klasszikus módon nagyon nehéz működtetni.
A nanorobotok mozgásának összehangolásához mágneses mező használatára támaszkodva más kutatók hasonló eszközöket hoznak létre bizonyos állapotok diagnosztizálására és kezelésére, de apró motorokkal hajtják őket keresztül a testen.
Dr. James Friend és gépészmérnök csapata az ausztrál Monash Egyetemen már felépítette a kristály méretű vízi motor sózzon, és végezzen alapos kutatásokat az emberi haj vastagságának megfelelő kisebb méret elérése érdekében. A motoros működés elvét az emésztő baktérium, az Eschierichia coli (E coli) mozgásszervi stílusa ihlette, amely kis csápokat használ át a testen. Így a forgómotor az egyik végén kis terminális kiemelkedéseket forgat (mint a kör alakú farok), amelyek folyékony környezetben tartózkodva átvágnak rajta. A motor fordulatszáma 100 000 fordulat/másodperc.
De más, ma létrehozott mikrorobotok nem csupán gépek. Számos kutatóintézet vett részt a szerves, az élő szövet és a szervetlen komponensek összefolyásának megteremtésében, hibrid eszközök létrehozására, amelyek részben gépek, részben szervezetek.. Az első ilyen találmány a szívizom által működtetett, önállóan összeállított mikroszkopikus robot volt, amelyet a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem (UCLA) mérnökei készítettek.
Minden mikronos robot egy arany hídból áll, amely az egér sejtjeiből kinőtt szívizom tokhoz van kötve, és amely a testbe engedve a glükózt kivonja a vérből, hogy megszerezze a mozgáshoz szükséges energiát. A mikroszkopikus robotok teszteléséhez a kutatók cukor és fehérje oldatába merítették őket, amely utánozza a test belső körülményeit. Mivel az elektromos impulzusok úgy hatottak rájuk, mint a miorcard összehúzódása és ellazulása, a mikrorobot előreléphetett. Ezeknek a hibrid entitásoknak lehetősége van mikrosebészeti beavatkozásokra, például artériás plakkok eltávolítására.. A technológia új végtagok vagy ujjak létrehozását is lehetővé teszi az amputáltak számára, lehetővé téve a fiatal izomsejtek növekedését a testre szerelt mesterséges csontok felett.
A kutatás és az előrehaladás azonban még mindig ebben az irányban úttörő szakaszban van, és számos probléma leküzdésével jár. Az UCLA tudósai által létrehozott robotok egyirányúan mozoghatnak, és nehezen irányíthatók. Mint ilyen, a szakértők jelenleg azt vizsgálják, hogy a szívizom a szívizom helyett a csontváz izomzatát használja-e a nanobotok szabad mozgásához: a szívizom a saját ütemében mozog, és ez korlátozza a mikroszkopikus eszközök motoros lehetőségeit.
Az elektromos energia használata a vázizmok stimulálására lehetővé teheti a kutatók számára, hogy a robotokat tetszés szerint be- vagy kikapcsolhassák, és kiterjesszék azok használatát olyan kis áramforrásokkal vagy minigenerátorokkal, mint amelyek számítógépes chipeket működtetnek.
Az ausztráliai Monash Egyetem esetében a beépített eszközök túl nagyok ahhoz, hogy szabadon mozoghassanak az emberi testen, egyszerűen túl hosszúak ahhoz, hogy biztonságosan navigálhassanak az erek legszűkebb kanyarulatai között, fennáll a veszélye. hogy blokkolja őket. Dr. Friend szerint, a nanotechnológia területén elért jövőbeni eredményeket a különféle tudományterületek, például a mérnöki és az orvostudomány közötti fokozott együttműködés feltételezheti. "Úgy gondolom, hogy az idő múlásával a kutatók megértik, hogy az egyetlen kutatási terület ismeretterülete nem elegendő ahhoz, hogy teljes mértékben megértsük a komplex jelenség képét a nano léptékben, és minden olyan átfogóbb rendszerét, amely képes lenne nanotechnológiát használni. ", Azt állítja.
A mikrokozmosz meghódítja a makrokozmoszt
Ami az űrkutatás következő "óriási ugrását" illeti, a NASA kicsiben, sőt nagyon kicsiben gondolkodik. Laboratóriumaiban, A NASA intenzíven támogatja a nanotechnológia virágzó tudományát. Ennek a tevékenységnek az a fő gondolata, hogy megtanulja az anyag atomi léptékű kezelését - az egyes atomok és molekulák irányításának képessége molekuláris méretű gépek, fejlett elektronikus berendezések és "intelligens" anyagok megtervezése érdekében. Ha a nézőknek igazuk van, a nanotechnológia vezethet az ujjlenyomat hajtásai közé illeszkedő robotokhoz, önregeneráló anyagokhoz, űrliftek és más csodálatos eszközök. E dolgok némelyikének hosszú évekbe telhet, míg mások ma a laboratóriumokban formálódnak.
- az acél szakítószilárdsága 100-szorosa, de súlyuknak csak egyhatoda
- 40-szer erősebbek, mint a grafitszálak
- nagyobb a vezetőképességük, mint a réz
- vezetők és félvezetők lehetnek, az atomok elrendezésétől függően
- kiváló hővezetők
A világszerte zajló nanotechnológiai kutatások nagy része ezekre a nanocsövekre koncentrál. A tudósok széles körű alkalmazásra tettek javaslatot, kezdve a nanoelektronika molekulaszálaként, egészen az űrlifthez szükséges nagy teljesítményű és kis tömegű kábelekig. A kutatók megpróbálják megszerezni a nanoanyagok felhasználásának lehetőségét az élet fejlett támogatásában, a szuperszámítógépek és a vegyi anyagok miniszkuláris érzékelőinek fejlesztésében. A miniatűr szenzorok egymillió vegyszer akár több részét is képesek felismerni, például mérgező gázokat, így mind az űrkutatás, mind a nemzetbiztonsági kérdések szempontjából hasznosak.
Ha a nanotechnológia ezen rövid távú felhasználása lenyűgözőnek tűnik, a hosszú távú lehetőségek valóban elgondolkodtatóak. A NASA Fejlett Koncepciók Intézetét (ICA) kifejezetten azért hozták létre, hogy elősegítse a látnoki űrtechnológiai kutatásokat, amelyek megvalósítása 10–40 évig tart.. Például az ICA megalapozta a nanoméretű gyártás megvalósíthatósági tanulmányát - más szóval, nagyszámú molekuláris mikroszkópos gép használata bármely tárgy előállítására atomonkénti összeillesztéssel. Egy ilyen "nanoszövet" például atompontossággal képes előállítani a kozmikus repülőgép alkatrészeit, az egyes tárgyak mindegyik atomja ott található, ahova tartozik. Az így kapott alkatrész rendkívül kemény lenne, és alakja csak atomvastagsággal térne el az ideális kiviteltől. Az ultrafinom felületek nem igényelnek polírozást vagy kenést, és idővel gyakorlatilag nem szenvednek foltokat vagy karcolásokat. A repülőgép-alkatrészek ilyen nagy pontossága és fenntarthatósága több mint divat, amikor az asztronauták élete forog kockán.
Constantinos Mavroidis, a bostoni Északkeleti Egyetem Számítástechnikai Bionanorobotikai Laboratóriumának igazgatója a biológia ihlette hatására azonban a nanotechnológiai megközelítés alternatíváját kutatja: a semmiből való kiindulás helyett a Mavroidis koncepciói "molekuláris funkcionális gépek, amelyek már léteznek, amelyek megtalálhatók az élő sejtekben: DNS-molekulák, fehérjék, enzimek stb.
Az evolúció során évmilliók alatt alakultak ki ezek a biológiai molekulák, amelyek már jól alkalmazkodnak az anyag molekuláris szintű manipulációjához, ezért egy növény a levegőt, a vizet és a talajt kombinálva vörös és lédús epret állíthat elő, az emberi test pedig a tegnap esti vacsorát átalakíthatja az új vörösvértestek ma. Az atomok átrendeződését, amely ezeket a lehetőségeket lehetővé teszi, több száz speciális fehérje és enzim végzi, és a DNS tárolja azok előállításának kódját.
Ezeknek az "előre gyártott" molekulagépeknek a használata vagy az új tervek kiindulópontjának használata a nanotechnológia népszerű megközelítése, az úgynevezett "bio-nanotechnológia". - Miért kellene újból feltalálni a kereket? A természet mindezt a csodálatos és kifinomult nanotechnológiát megadta nekünk az élő organizmusokban, miért ne használhatnánk, és megpróbálnánk nem tanulni belőle? ", Teszi hozzá Mavroidis.
A bio-nanotechnológia sajátos felhasználása, amelyet Mavroidis tanulmányában javasol, nagyon futurisztikus. Egy ötlet egyfajta "pókháló" megszerzésére utal a haj vastagságú csövekből, bio-nanotechnológiai szenzorokkal összeállítva több ezer kilométernyi földterületen, néhány idegen bolygó környezetének részletes feltérképezésének módszerével. Egy másik javasolt koncepció az űrhajósok űrruhák alatt viselhető "második bőre", amely bio-nanotechnológia segítségével érzékelné és reagálna az öltönybe behatoló sugárzásra, és gyorsan lezárná az esetleges karcolásokat vagy sérüléseket.
Futurisztikus? Biztosan? Lehetséges? Lehet. Mavroidis elismeri, hogy az ilyen technológiák valószínűleg évtizedekre vannak, és a távoli jövő technológiája nagyon különbözik attól, amit ma elképzelünk. Úgy véli azonban, hogy el kell kezdeni gondolkodni azon, mit tehet lehetővé a nanotechnológia sok év múlva.