строение наноробота - Кандалакшский индустриальный колледж

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛБЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАНДАЛАКШСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»
Тема работы:
«НАНОРОБОТЫ»
Выполнил :
студент группы 161/1
Щербинин А. А.
Преподаватель :
Клокова Е. Е.
2014 год
Оглавление
ВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................................... 3
ЧТО ТАКОЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ? ............................................................................................................ 3
НАНОРОБОТЫ .............................................................................................................................................. 5
МЕДИЦИНСКИЙ НАНОРОБОТ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ИЗ АЛМАЗА.................................................... 6
СТРОЕНИЕ НАНОРОБОТА ........................................................................................................................ 8
ПРОТЕЗИРОВАНИЕ И ИМПЛАНТАЦИЯ .................................................................................................10
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОРОБОТЫ...........................................................................................................10
ДНК-НАНОРОБОТ ...................................................................................................................................10
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ НАНОЗОНД ...........................................................................................................11
БИОЧИП ..................................................................................................................................................11
НОВЫЙ ВАРИАНТ ВАКЦИНЫ ОТ СИБИРСКОЙ ЯЗВЫ ...........................................................................12
НАНОКРИСТАЛЛЫ С ОПТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ........................................................................12
ВОПРОСЫ ВНУТРЕННЕЙ БЕЗОПАСНОСТИ ................................................................................................13
ПЕРСПЕКТИВЫ ............................................................................................................................................13
ВЫВОД ........................................................................................................................................................15
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ..................................................................................................................16
2
ВЕДЕНИЕ
Несмотря на экономический кризис, интерес к нанотехнологиям в ведущих
индустриальных странах продолжает расти. Этот бурный рост подпитывается всё
возрастающим ростом новых нанотехнологических продуктов и технологий.
Развитию этой области науки уделяют большое внимание на самом высоком
уровне. На международном форуме по нанотехнологиям 08.10.2009 президент
Российской Федерации Дмитрий Медведев сказал: «Нанотехнология - основа
будущей экономики».
ЧТО ТАКОЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ?
Для
этого
«Нанотехнологии»
понятия
-
это
не
существует
технологии,
исчерпывающего
оперирующие
определения.
величинами
порядка
нанометра.
Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на уровне отдельных
атомов.
Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого
света и сопоставимая с размерами атомов.
Удивительно, что на протяжении всего XIX века учёные занимались
подробным изучением строения атома, пропуская такие важные элементы как
наночастицы.
Традиционные методы производства работают с порциями вещества,
состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные
приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как
беспорядочная мешанина.
Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами
– это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и
эффективность.
3
Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в
долгосрочный технический проект после детального анализа, проведенного
американским учёным Эриком Дрекслером в начале 1980-х годов и публикации его
книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии».
Развитие нанотехнологии ведется в 3-ех направлениях:
- изготовление электронных схем размером с молекулу (атом);
- разработка и изготовление машин;
- манипуляция атомами и молекулами.
Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические
размеры указанного диапазона:
– наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических
размера находятся в диапазоне до 100 нм).
– нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических
размера находятся в диапазоне до 100 нм).
– наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер
находится в диапазоне до 100 нм)
Различного рода номатериалы используется в той или иной сфере
нанотехнологии, например в наномедицине, создании военных наноизделий, при
создании
нанороботов,
и
наноэлектронных
.
4
приборов.
НАНОРОБОТЫ
Самые интересные перспективы, безусловно, — в области конструирования
микроскопических машин, нанороботов. Именно с ними связаны наиболее дерзкие
замыслы нанотехнологов.
Нанороботы
(в
англоязычной
литературе
также
используются
термины
«наноботы», «наноиды», «наниты») – роботы, созданные из наноматериалов и
размером сопоставимые с молекулой, способные работать с отдельными
атомами и молекулами, могут не просто улучшить жизнь человека, но и в корне
преобразовать ее.
Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации,
исполнения программ.
Размеры
нанороботов
не
превышают
нескольких
нанометров.
Согласно
современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю
коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии
подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или
электрических колебаний.
Важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и
программированного
самоуничтожения,
когда
среда
работы,
например,
человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В
последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстровыводимые
компоненты.
Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все
его ткани.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов
и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и
разрушать ткани, синтезировать новые.
5
Согласно мнению большинства экспертов, именно методы нанотехнологий в
медицине станут основополагающими в 21 веке.
Нанотехнология в медицине - самое перспективное и, на мой взгляд, самое
интересное направление науки о нанотехнологиях, потому что непосредственно
связано с людьми и требует самых точных и сложных наноустройств
Наномедицина — слежение, исправление, конструирование и контроль над
биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя
разработанные наноустройства и наноструктуры.
Наномедицина подразумевает применение достижений нанотехнологии при
лечении и омоложении человека, включая достижение физического бессмертия.
МЕДИЦИНСКИЙ НАНОРОБОТ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ИЗ АЛМАЗА
Так как основная функция наноробота – передвижение по кровеносной системе
человека, то он должен иметь мощную навигационную систему.
Устройству необходимо иметь несколько
типов
различных
мониторинга
сенсоров
окружающей
для
среды,
навигации, коммуникации и работы с
отдельными молекулами.
Также нанороботу необходима мощная
транспортная
система,
отдельные
атомы
хранилищ
к
и
доставляющая
молекулы
наноманипуляторам,
от
и
обратно.
Для работы с пораженными структурами устройство будет оборудовано набором
телескопических наноманипуляторов разного применения.
Материал, из которого будет изготовлен наноробот – алмазоид или сапфироид. Это
обеспечит биосовместимость человека и большого количества наномашин.
6
Также необходимо наличие приемо – передаточных устройств, позволяющих
нанороботам связываться друг с другом.
И наконец, для удержания крупных объектов необходимы телескопические
захваты.
В идеальном случае, это устройство
будет
способно
поврежденные
производить
раковых
«ремонтировать»
клетки,
диагностику
ткани;
и
лечение
заболеваний
и
картографировать кровеносные сосуды;
производить анализ ДНК с последующей
ее
корректировкой;
уничтожать
бактерии, вирусы, и т.п. Максимальный
размер устройства не должен превышать 1×1×3 микрона (без двигательных
жгутиков).
7
СТРОЕНИЕ НАНОРОБОТА
Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека, не
затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому приемнопередающие антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса.
Наноманипуляторы,
механические
захваты
и
жгутики
должны
быть
телескопическими и при необходимости должны складываться в корпус робота для
того, чтобы робот смог лучше передвигаться в кровеносном русле. Иммунная
система в основном реагирует на «чужеродные» поверхности. Размер наноробота
также играет важную роль при этом, так же как и мобильность устройства,
шероховатость поверхности и ее подвижность. Ряд проделанных экспериментов
подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность
лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому кажется разумным
надеяться, что такое алмазоидное покрытие («организованное», т.е. нанесенное
атом-за-атомом, с нанометровой гладкостью), будет иметь очень низкую
биологическую активность. Благодаря очень высокой поверхностной энергии
8
алмазоидной поверхности и сильной ее гидрофобности, внешняя оболочка роботов
будет полностью химически инертна. Для такого наноробота, можно будет
использовать нанокомпьютер, производящий ~106-109 операций в секунду для
исполнения своей работы . Это на 4–7 порядков меньше вычислительной мощности
человеческого мозга, составляющей ~1013 операций в секунду. Так что этот
наноробот не будет обладать искусственным интеллектом.
Группе ученых из Колумбийского университета удалось создать очень маленьких
роботов-пауков, размером примерно 4nm в поперечнике. Эти нанороботы
приблизительно в 100 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса.
Роботы сделаны из молекул ДНК, они могут ходить, поворачивать направо и
налево, создавать свои собственные продукты. Разработанные на молекулярном
уровне, роботы представляют собой ДНК-автоматы, способные передвигаться
самостоятельно, хотя и очень медленно - около 100 нм за 1 час.
Для того, чтобы отслеживать работу молекулярных роботов, ученые использовали
атомно-силовую
микроскопию.
"Пауки"
могут
быть
запрограммированы
анализировать окружение и соответствующим образом реагировать, например, они
могут обнаружить болезнь на клеточной поверхности, определить, является ли это
раком, а затем доставить лечебную смесь.
Ученый Роберт Фрайтас так описывает типичное медицинское наноустройство:
«оно будет представлять собой робота микронного (мкм) размера, собранного из
наночастей.
медицинских
Углерод
будет
нанороботов,
нанокомпозитов,
которые
основным
возможно
обладают
элементом,
в
форме
огромной
составляющим
алмаза
или
прочностью
основу
алмазоидных
и
химической
инертностью. Многие другие элементы, такие как
водород, сера, кислород, азот, фтор, кремний и др.,
будут
использоваться
9
для
специальных
целей.»
ПРОТЕЗИРОВАНИЕ И ИМПЛАНТАЦИЯ
Применение нанотехнологий активно осваивается в области зуболечения и
ортопедии,
особенно
когда
речь
заходит
о
протезировании.
Имплантаты вживляются в костные ткани челюсти за счет биомеханических
процессов.
Сегодня оптимальным материалом для производства имплантатов служит
природный ТИТАН.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОРОБОТЫ
На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая
проектирование и поведение нанороботов в организме.
Чрезвычайно
детально
разработаны
аспекты
маневрирования
в
артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков.
Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим
болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг
электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному
вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение
пациент может сам с помощью переключателя.
ДНК-НАНОРОБОТ
Ученые создали ДНК-наноробота, который способен отыскивать и уничтожать
раковые клетки, оставляя здоровые ткани невредимыми. Крошечные капсулы
выделяют необходимые дозы лекарств при обнаружении цели и целенаправленно
уничтожают «врага».
Шон Дуглас и его коллеги из Института им. Висса при Гарвардском университете
(США) создали свое изобретение на основе технологии так называемого ДНКоригами.
10
С помощью специального программного обеспечения, содержащего сведения о
возможных комбинациях нуклеотидов, исследователи разработали оптимальную
конструкцию контейнера.
Он снабжен двумя «замочками», которые представляют собой особые нити ДНК —
аптамеры,
способные
взаимодействовать
лишь
со
строго
определенными
молекулами, после чего полинуклеотидный «засов» отпирается — и контейнер
открывается, выпуская наружу свое содержимое.
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ НАНОЗОНД
Ученый Циньминь Гао (Jinming Gao) из Университета Техаса разработал
флуоресцентный нанозонд, который реагирует на увеличение кислотности среды.
Новые
«умные»
полимеры,
отличающиеся
чрезвычайно
высокой
чувствительностью к значениям рН с исключительной точностью могут
обнаруживать и делать видимыми опухоли, т.к. ткани опухоли отличаются более
высокой кислотностью по сравнению со здоровыми тканями.
Нанозонды получены с использованием сополимеров, диссоциирующих при
фиксированном значении pH. Исследователи настроили полимеры таким образом,
что они начинают диссоциировать при значении pH 6.9. Это означает, что зонды
практически
невидимы
в
крови,
значение
pH
которой
7.4,
однако
их
флуоресценция возрастает в 100 раз в опухолях, рН которых обычно лежит в
интервале от 6.5 до 6.8.
БИОЧИП
Еще одним революционным открытием является биочип – небольшая пластинка с
нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка,
применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На
пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков
расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если
он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В
результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое
11
количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого
материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.
НОВЫЙ ВАРИАНТ ВАКЦИНЫ ОТ СИБИРСКОЙ ЯЗВЫ
Не так давно специалисты из Мичиганского университета создали совершенно
новый вариант вакцины от сибирской язвы, естественно, с применением
нанотехнологий.
Они заключили один из возбудителей болезни в частицы, состоящие из воды,
спирта, соевого масла и некоторых других, и такую эмульсию впрыскивали в нос
подопытным мышам.
Вследствие этого у животных выработался иммунитет к данной болезни. Плюсы
такой вакцины в том, что она может вводиться в организм пораженного болезнью
путем распыления, без шприца, а также неприхотлива в плане хранения: она может
находиться при комнатной температуре.
НАНОКРИСТАЛЛЫ С ОПТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
Сингапурские специалисты по созданию оптических нанокристаллов сообщили об
успешном синтезе нанокристаллов, которые покрыты лантанидом.
В
ходе
проведения
процесса
синтеза
совместно
с
сингапурскими
экспертами
участие
в
процессе
разработки
нанокристаллов принимали специалисты из
Китая и Саудовской Аравии.
По словам ученых, новые нанокристаллы
будут
с
успехом
применяться
в
медицинской аппаратуре для диагностики
раковых
заболеваний
и
в
12
томографическом
оборудовании.
ВОПРОСЫ ВНУТРЕННЕЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Впрочем, на фоне радужных перспектив наномедицины раздаются осторожные
голоса, предупреждающие о возможной токсичности лечения наночастицами.
Некоторые исследования, проведенные на клеточных культурах, показали, что
наночастицы являются цитотоксинами.
Другой аспект, который вызывает озабоченность испытателей – последствия
накопления в организме неразложимых металлов, из которых состоят наночастицы.
Возможным решением этой проблемы станут саморазлагающиеся частицы.
ПЕРСПЕКТИВЫ
Профессор Евгений Абрамян в своей статье «Угрозы новых технологий» рисует
ситуацию, при которой роботы, предназначенные для разборки на атомы отходов,
начнут разбирать, в силу сбоя, и все остальное.
При этом такие машины будут самореплицироваться. Кроме того, как отмечает
ученый, эти микромашины могут стать основой для новых, еще более чудовищных,
чем современные, средств ведения войны.
DARPA
(Агентство
передовых
оборонных
исследований
США)
занимается разработкой новых методов анализа и расшифровки нейронных
сигналов с тем, чтобы понять, какое применение может найти стимуляция
нейронов в процессе восстановления памяти пережившего мозговую травму
человека.
DARPA
занимается
разработкой
имплантата, который
позволит
излечить
нарушения памяти с помощью нейронной стимуляции.
Метод нейронной стимуляции подразумевает использование устройств, которые
посылают электрические разряды в мозг. Он уже применяется в лечении таких
расстройств как эпилепсия и болезнь Паркинсона.
13
ТЕРАПИЯ РАКА МОЗГА
Специалисты школ фармацевтики создали трехмерную модель раковых клеток,
сосуществующих рядом с нормальными здоровыми клетками.
Они смогли ввести в такую модель специальные наночастицы, которые пригодны
для доставки лекарств.
В процессе эксперимента моделировалось взаимодействие раковых клеток с
нормальными тканями, которое определяется положением опухоли внутри
головного мозга.
По словам ученых, в дальнейшем такие исследования могут привести к
эффективной
терапии
рака
14
мозга.
ВЫВОД
.
Внедрение нанотехнологий в нашу жизнь сможет значительно облегчить её,
а развитие нанотехнологии в области медицины поможет бороться с самыми
страшными болезнями человечества, например с онкологическими заболеваниями.
В далёком будущем развитие наномедицины может привести даже к
достижению бессмертия.
Области
применения
нанотехнологий
многочисленны.
А
диапазон
применения этих технологий увеличивается день ото дня и сулит еще много
интересного.
Мы можем с уверенностью говорить что нанотехнология – наука
будущего. Перспективы развития нанотехнологий велики.
Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не
только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Но
вот о рисках ученые NASA ничего не говорят.
Я думаю, что возможные риски будут сопоставимы с перспективами. Так что
общественности надо больше уделять внимания этому вопросу. Чтобы ученые не
только рассматривали «обе стороны монеты», но и ставили общество в известность
об
этом.
15
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. http://xreferat.ru/33/2386-1-nanotehnologii-i-nanoroboty.html
2. http://www.nocnt.ru/
3. Robert A. Freitas Jr., Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, Landes
Bioscience, Georgetown, TX, 1999;
http://www.nanomedicine.com/
4. http://www.utro.ru/news/2010/05/22/895585.shtml
5. http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/9c088d2c-20ad-8bf0-04e3db63d2622f88/119204/?interface=pupil&class=53&subject=19
1. https://isefru.wordpress.com/
16