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.