В фильме «Бладшот» армия нанороботов в крови превращает главного героя в бессмертного суперсолдата, наделенного сверхсилой и способностью мгновенно самоисцеляться.
В фильме «Не время умирать» враждебные наноботы попадают в кровь Джеймса Бонда и заражают его вирусом.
В игре Fortnite инопланетные наноботы могут воссоздавать атмосферу планеты пришельцев.
А как обстоят дела с наноботами в реальной жизни? Во сколько оценивается мировой рынок? Какие интересные разработки предлагают компании? И главное, как всё начиналось и для чего?
(Нано) история
Наноробототехника — междисциплинарная область, объединяющая принципы робототехники, нанотехнологии и материаловедения для создания роботов наноразмеров.
Отправной точкой современной наноразработки можно считать лекцию Ричарда Фейнмана, прочитанную в Калтехе в 1959 году, Plenty of Room at the Bottom («Там внизу полно места»). Он описал возможность манипулирования отдельными атомами и молекулами. Лекция вдохновила целое поколение исследователей и положила начало разработке новых методов и технологий манипулирования материей на наноразмерном уровне.
Реальный сдвиг в наноразработке произошел к 80-м годам.
Во-первых, прогресс в области микроскопии привел к разработке сканирующих туннельных микроскопов (СТМ) и атомно-силовых микроскопов (АСМ), которые позволили ученым видеть и манипулировать отдельными атомами и молекулами.
Исследователи из IBM Герд Бинниг и Генрих Рорер разработали сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий получать изображения поверхностей в масштабе атомов. Эта революционная разработка привела к открытию совершенно нового мира наноразмерных явлений и открыла дверь в область нанотехнологий.
Во-вторых, в 1986 году Эрик Дрекслер в своей книге Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Двигатели творчества: грядущая эра нанотехнологии») описал концепцию Фейнмана. В книге шла речь про миллиард крошечных фабрик, которые могли бы производить копии самих себя с помощью компьютерного управления, без контроля со стороны человека-оператора. Книга дала толчок дальнейшему развитию наноробототехники.
Дрекслер задумался в книге и о «восстании машин» и описал т. н. серую слизь (gray goo) — теоретический сценарий, где возможен исход неконтролируемой самовоспроизводящейся машины, в результате чего вся планета может быть поглощена массой самовоспроизводящихся наноботов. Идея заключалась в том, что самовоспроизводящиеся нанороботы могли быть спроектированы так, чтобы потреблять материалы и воспроизводить себя, что привело бы к экспоненциальному росту их популяции. Если они вырвутся из контролируемой среды, то быстро поглотят все органические и неорганические материалы, включая живые организмы, и начнут воспроизводить себя, в результате чего планета превратится в серую слизь.
Хотя подобная концепция может показаться надуманной и фантастической, она вызвала обеспокоенность по поводу потенциальных рисков, связанных с неконтролируемыми нанотехнологиями. Отметим, что современные нанотехнологические разработки не могут создать самовоспроизводящиеся машины. Более того, исследования в этой области проводятся с большой осторожностью, а риски тщательно оцениваются.
Первое исследование, связанное с нанороботами, было проведено Робертом Фрейтасом. Он смоделировал медицинские нанороботы — респироциты (искусственные механические эритроциты), микробоядные (искусственные механические лейкоциты) и клоттоциты (искусственные тромбоциты).
В 1998 году он опубликовал работу Exploratory design in medical nanotechnology: a mechanical artificial red cell в журнале Artificial Cells, Blood Substitutes, and Immobilization Biotechnology. В статье описывалось, как респироциты могут циркулировать в кровотоке и действовать как искусственные красные кровяные тельца. Они смогут переносить и выделять кислород и углекислый газ, как и естественные эритроциты. Но в отличие от эритроцитов, респироциты могли бы выполнять и другие функции, например, удалять из кровотока токсины и патогены.
Хотя респироциты все еще остаются теоретической концепцией и пока не разработаны, идеи Фрейтаса помогли заложить основу для будущих исследований и разработок в области медицинской наноробототехники.
В 1990-х годах исследователи начали разрабатывать транзисторы и другие электронные устройства на наноразмерном уровне. Это привело к разработке новых материалов и процессов, которые можно было использовать для создания более быстрых и эффективных электронных устройств.
Совсем не нано достижения
Несмотря на множество исследований, всё, что мы знаем о наноразработке во многом является теоретическим. Так что же, нанотехнологии — это базворд? Или они уже реально используются здесь и сейчас?
В начале 2000-х годов эта область стала предметом растущей общественной осведомленности и споров, что, в свою очередь, положило начало коммерческому применению нанотехнологий.
Успехи были достигнуты и в области наноонкологии, повысившей эффективность традиционных химиотерапевтических препаратов для множества агрессивных видов рака человека. Ученые научились нацеливать на опухоль нескольких функциональных молекул, включая наночастицы, антитела и цитотоксические агенты. В этом контексте многие исследования показали, что наноматериалы могут быть использованы сами по себе или для доставки терапевтических молекул для модуляции основных биологических процессов — аутофагии, метаболизма или окислительного стресса, оказывая противораковую активность.
Наноонкология — весьма привлекательное применение нанонауки, она позволяет улучшить показатели ответа опухоли в дополнение к значительному снижению токсичности, связанной с текущим химиотерапевтическим лечением. При этом исследователям нужен способ разработки, тестирования и совершенствования нанороботов в реальных клинических условиях, прежде чем надеяться на внедрение нанороботов в реальных условиях на людях.
В 2004 году был создан Центр автоматизации в области нанобиотехнологий (CAN) при сотрудничестве частных фондов. CAN фокусировался на исследовании новых парадигм инноваций в области проектирования систем и автоматизации. Адриано Кавальканти — председатель и главный исполнительный директор CAN — и его коллеги из Школы электротехники и вычислительной техники Университета Кампинаса в Бразилии разработали симулятор управления нанороботами (NCD), на котором изучали возможности применения нанороботов при ишемической болезни сердца и использования стволовых клеток для лечения диабета.
NCD — это программное обеспечение, состоящее из нескольких модулей, которые моделируют физические условия, запускают программы управления нанороботами, определяющие их действия, обеспечивают визуальное отображение окружающей среды в 3D и записывают историю поведения нанороботов для последующего анализа.
Для 2004 года это было во многом революционное решение, которое позволяло визуализировать процессы работы нанороботов внутри человеческого организма. NCD позволяло ускорить процесс разработки и внедрения в тело человека медицинских нанороботов.
«Один из основных факторов успешной разработки нанороботов — это объединение специалистов с междисциплинарными взглядами на науку и технологии, — говорил Кавальканти. — Важно наблюдать за открытиями в области химии, материаловедения, электроники, вычислительной техники, физики, механики, фотоники, фармацевтики и медицинских технологий. Наша работа прогрессивно продвигается вперед, потому что в ней участвуют специалисты разного профиля. Мы все преследуем общий интерес в совместной работе над созданием медицинских нанороботов».
Приведем интересные примеры наноразработок прошлых лет.
В 2012 году был опубликован патент «Диагностический наносенсор и его использование в медицине». Целью изобретения было получение нового наносенсора для диагностики в медицине и других областях применения, основанного на металлических полупроводниках и магнитных нанозвеньях. Поверхность этих наночастиц может быть модифицирована для достижения взаимодействия с интересующей молекулой или распознавания специфической поверхности субстрата, например, клеточной мембраны. Таким образом, изобретение может быть использовано для обнаружения патогенов или токсинов внутри организма.
В 2016 году инженеры Дрексельского университета разработали метод использования электрических полей, чтобы микроскопические роботы, питающиеся бактериями, могли обнаруживать препятствия в окружающей среде и перемещаться вокруг них. Этот метод подходит для доставки лекарств, манипулирования стволовыми клетками для управления их ростом или создания микроструктур.
Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего в 2018 году разработали крошечных роботов, работающих на ультразвуке, которые могут перемещаться в крови, удаляя вредные бактерии вместе с токсинами. Такие нанороботы могут безопасно и эффективно производить детоксикацию и обеззараживание биологических жидкостей. Эти нанороботы в 25 раз меньше ширины человеческого волоса и могут двигаться со скоростью 35 микрометров в секунду. В ходе испытаний исследователи сообщили, что после пяти минут обработки в образцах крови, уже зараженных метициллин-резистентным золотистым стафилококком, бактерий становилось в три раза меньше, чем в тех, которые не подвергались обработке.
Работа, опубликованная в Science Robotics, сочетала в себе технологии, разработанные Джозефом Ваном и Лянфан Чжаном, профессорами кафедры наноинженерии Инженерной школы Джейкобса. Эти ученые — мировые лидеры области наноразработок. Вместе они стали пионерами в разработке крошечных роботов, доставляющих лекарства, которые можно безопасно использовать на живых животных для лечения бактериальных инфекций в желудке и крови.
В 2022 эта технология была расширена — нанороботы проникали в легкие, где безопасно уничтожали вызывающие пневмонию бактерии.
В начале июня 2018 года группе чешских исследователей удалось переместить наночастицы в 3000 раз меньше диаметра волоса по пластине графена. В сотрудничестве с Жан-Мари Леном, лауреатом Нобелевской премии по химии 1987 года, Петру Коваржичеку и его коллегам впервые удалось направить частицы размером всего 30 нанометров.
Исследователи погрузили графен, на котором были размещены наночастицы флуоресцентных алмазов, в раствор с градиентом pH, то есть раствор, который постепенно меняется от кислотного к основному. Таким образом, частицы перемещались из кислой части в основную, и они смогли изменить градиент pH раствора, чтобы изменить направление их движения.
Перемещение наночастиц с высокой степенью точности необходимо для многих приложений, и является сложной задачей. Однако использование графеновой опоры упрощает задачу и показывает возможности для будущих применений. Например, возможность перемещения наночастиц на других носителях, что позволит модифицировать ткани человека, создавать самоочищающиеся поверхности и даже нанохирургию.
Маленькие роботы решают большие проблемы
В своей лекции Ричард Фейнман говорил про концепцию «проглотить хирурга». Вы помещаете механического хирурга внутрь кровеносного сосуда, он попадает в сердце и «осматривает» его. «Хирург» определяет, какой клапан неисправен, берет маленький нож и вырезает его.
Предполагается, что так должны работать медицинские наноботы. Но пока что применение нанороботов в медицине далеко от повсеместного. Нанороботы для адресной доставки лекарств предназначены для достижения труднодоступных частей тела, и разработка лекарств, преодолевающих гематоэнцефалический барьер, то есть барьер между кровью и нервной тканью, по-прежнему остается сложной задачей. Однако область медицинских наноботов — одна из самых быстрорастущих, где достигнуто достаточно много успехов.
Директор лаборатории нанороботов Политехнического института Монреаля Сильвен Мартель и его коллеги в 2016 году разработали магнитоаэротактические бактерии, которые несли нанолипосомы с противораковыми препаратами. Рой из примерно 100 миллионов бактерий вводился мышам с колоректальными опухолями. Идея заключалась в том, что бактерии станут транспортной системой, которая сможет перемещаться к опухоли и доставлять лекарство локально, тем самым снижая побочные эффекты.
В мае 2018 года канадская компания Starpax Biopharma объявила о покупке лицензии на технологию. Результатом этого стали Magnetodrones — лекарственные бактерии, чувствительные к магнитным полям, и доставляющие лекарство в опухолевую массу, не позволяя ему циркулировать в кровотоке.
В середине 2022 года одна из ведущих больниц Монреаля — Еврейская больница общего профиля — завершила строительство новой исследовательской лаборатории, где технологию Magnetodrones, разработанную Starpax Biopharma, изучают в клинических условиях. Первые клинические исследования на людях касаются шести типов рака.
Работу, связанную с доставкой лекарств, опубликовала исследовательская группа под руководством профессора Цай Линтао из Шэньчжэньского института передовых технологий (SIAT) Китайской академии наук. Ученые разработали двойного биоинженерного дрожжевого микро/наноробота (TBY-robot) с самоходными и самоадаптивными возможностями, который может автономно перемещаться к воспаленным участкам для обеспечения терапии воспаления желудочно-кишечного тракта посредством переключения ферментов-макрофагов. По словам исследователей, эти самоадаптирующиеся TBY-роботы представляют собой безопасную и многообещающую стратегию точного лечения воспалений желудочно-кишечного тракта и других воспалительных заболеваний.
Наноработы разрабатывают не только для лечения рака и других серьезных заболеваний. Например, стоматология — весьма перспективная область для их применения.
Индийский институт науки разработал крошечные нанороботы, помогающие в лечении корневых каналов. Предлагается, что их можно вводить в зубы для уничтожения бактерий.
Лечение корневых каналов — это распространенный метод, при котором удаляются инфицированные мягкие ткани. После этого зуб промывают антибиотиками, чтобы убить бактерии, вызвавшие инфекцию.
Исследователям удалось создать нанороботов из диоксида кремния, которыми можно управлять устройством, создающим магнитное поле низкой интенсивности. Манипулируя частотой магнитного поля, исследователи могли перемещать наноботов и заставлять их проникать в глубокие слои дентинных канальцев. Подстройка магнитного поля также создает тепло, которое убивает бактерии, находящиеся поблизости.
По словам Амбариша Гоша, профессора Центра нанонауки и инженерии и руководителя исследовательской группы, эта технология уже совсем скоро может быть опробована в клинических условиях, что еще несколько лет назад считалось фантастикой.
В конце 00-х годов «нанотехнологии» и «наноразработки» были чуть ли не самым модными словами в России. Наноразработки были обозначены, как приоритетное направление развития науки, а количество мемов с приставкой «нано» было не счесть. Но как обстоят дела сейчас? Есть ли реальное применение наноботов, кроме как в «Кибербольнице»?
По словам Максима Никитина — кандидата физ.-мат. наук из Физтеха, разработчика наноробота, уничтожающего раковые клетки, самое сложное в современной российской наноразработке — привлечение инвестиций и грантов, поиск толковых людей в проекты и сохранение международной коллаборации в области науки.
В 2022 году исследователи научно-производственного предприятия «Радиосвязь» совместно с красноярскими учеными разработали наночастицы, способные находить раковые клетки в организме человека и уничтожать их. К клетке-навигатору (аптамеру) прикрепляется металлический нанодиск. Когда аптамер достигает опухолевых клеток, нанодиски подвергаются воздействию магнитного поля, создаваемого внутри организма пациента, и начинают колебаться, проникая внутрь клетки-вредителя и разрушая ее мембрану.
По словам Рината Галеева, главы предприятия, производство такой технологии ограничено, так как требует выполнения высокотехнологичных и сложных задач. Нанодиск сам по себе выглядит как слоеный пирог, содержащий внутри металлический элемент, который создает притяжение. Но как отмечает Галеев, побочных эффектов не будет: аптамеры создаются из кусочков ДНК, а потому являются абсолютно биосовместимыми, не вызывают иммунных реакций и не являются токсичными.
В 2023 году на базе НИИ молекулярной и клеточной медицины Медицинского института РУДН был создан первый прототип нанобота, помогающего бороться с тромбозом и атеросклерозом. Студент Андрей Костылев спроектировал модель нанороботов — микроструктуру овальной формы. С помощью удаленной системы управления ее можно растягивать в длину и ширину. Роботы доставляют лекарственные препараты непосредственно к сосудистой бляшке или тромбу и разрушает их изнутри. При этом не образуется рубцов и следов на сосуде, мешающих кровотоку.
Макропроблемы нанороботов
Как очевидна полезность наноботов, так очевидны и их проблемы:
Техническая сложность: проектирование и эксплуатация нанороботов — сложный процесс, который включает в себя множество технических трудностей — разработку наноразмерных компонентов, управление движением нанороботов и обеспечение их стабильности. Например, из-за вязкой природы крови в наномасштабе для нанороботов, несущих лекарства, почти невозможно пройти через кровеносные сосуды. Броуновское движение молекул вызывает столкновения между молекулами, и поэтому поведение наноробота становится непредсказуемым и неуправляемым. Эта нестабильность остается одним из основных ограничений и серьезной проблемой, которую исследователи пытаются преодолеть.
Вопросы безопасности: потенциал применения нанороботов в медицине и окружающей среде вызывает опасения по поводу их безопасности. Например, нанороботы, предназначенные для медицинских процедур, могут нанести вред пациентам в случае неисправности. Динамические свойства нанороботов все еще находятся в стадии изучения и экспериментов. В основном это связано с требованием к нанороботам взаимодействовать с окружающей средой на клеточном уровне, что остается большой проблемой.
Нормативно-правовые вопросы: В настоящее время есть мало нормативных актов, регулирующих разработку и использование нанороботов, что может замедлить их широкое внедрение в государственном и частном секторах.
Финансирование и ресурсы: разработка нанороботов дорогостоящая и требует значительного финансирования и ресурсов, а также специализированного оборудования и человеческих знаний.
Масштабируемость: разработка и производство большого количества нанороботов может быть затруднена из-за сложного и трудоемкого характера производственного процесса.
В работе исследователей факультета машиностроения и промышленной инженерии Университета Райерсона подробно описаны проблемы и ограничения разработки медицинских нанороботов (медицина — наиболее значимая доля применения нанороботов). В частности, там описаны проблемы, связанные с архитектурой нанороботов, датчиками, приводами, передачей данных и с приложениями. Другие специфические вопросы проектирования — зондирование, навигация, энергетическая связь, локомоция и манипулирование компонентами, также являются серьезными проблемами в области наноробототехники. Еще одна проблема — это управление веществом на молекулярном уровне для влияния на поведение (динамику и свойства) нанороботов. В целом, заключают авторы, автоматизация, питание и производство нанороботов — очень сложная и новая область, решение проблем которой пока еще в зачатке.
Будущее
Несмотря на все сложности и ограничения, рынок наноботов растет, в основном за счет их медицинского применения.
Согласно отчету, ожидается, что глобальный рынок покажет впечатляющий рост к 2030 году. Это может быть связано с растущим использованием наноботов в медицинской сфере по всему миру.
В 2021 году на наномедицину приходилась самая большая доля всего рынка по областям применения.
Текущие исследования сосредоточены на создании нанороботов для гематологии. Сюда входит все — от создания искусственных средств доставки кислорода в организм после серьезной травмы до разработки возможностей свертывания крови в случае критического кровотечения. Респироциты — это фиктивные нанороботы, созданные для работы в качестве искусственных красных кровяных телец. Респироциты могут быть введены в кровоток для переноса дыхательных газов до стабилизации состояния пациента в чрезвычайных ситуациях, когда пациент перестает дышать и прекращается кровообращение. Наноботы с интегрированными в них химическими сенсорами могут быть запрограммированы на выявление опухолевых клеток в организме. Предлагаемые конструкции предполагают использование интегрированной коммуникационной технологии, которая производит двустороннюю передачу сигналов.
США доминировали на мировом рынке наноботов в связи с ростом научно-исследовательской деятельности. По прогнозам, к концу 2022 года США будут получать доход в размере около 8,11 млрд долларов США от научных исследований и разработок.
Европейский рынок нанороботов также будет развиваться наиболее быстрыми темпами. Рост может быть обусловлен старением населения и ростом государственных расходов на здравоохранение. Кроме того, поскольку Европа была одним из первых регионов, осознавших перспективность наноробототехники, высокий уровень государственных и частных инвестиций способствует быстрому развитию наноробототехники в Европе.
Рэй Курцвейл сказал, что «в 2030 мы отправим в мозг (через капилляры) нанороботов, которые обеспечат полное погружение в виртуальную реальность изнутри нервной системы и подключат наш неокортекс к облаку. Подобно тому, как сегодня мы можем беспроводным способом расширить мощность наших смартфонов в 10 000 раз в облаке, мы сможем расширить наш неокортекс в облаке».
Что ж, через 6 лет встретимся в комментариях к этому посту и проверим.
