Медицинские нанороботы

Медицинские нанороботы
В этой статье я попробую систематизировать и обобщить проблемы и достижения науки, реально еще не существующей – наномедицины. Эта отрасль медицины, по прогнозам ведущих ученых мира, будет преобладать во второй половине двадцать первого века. Речь пойдёт о нанороботах.

По каноническому определению ведущего учёного в данной области Р. Фрайтаса наномедицина это: слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры". В действительности, наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, даст результат. Но научное проектирование и прогнозирование тоже очень важная и нужная вещь. Через несколько десятков лет, когда уже, наконец, будет работать первый ассемблер (наноробот-сборщик), знания, накопленные наномедициной, воплотятся в жизнь.

А тогда...

Представьте себе, что вы подхватили грипп (то есть вы даже еще НЕ знаете, что его подхватили). Тут же среагирует система искусственно усиленного иммунитета - десятки тысяч нанороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внутренней базой данных) вирус гриппа и за считанные минуты ни одного вируса у Вас в крови не будет!

Или...

У Вас начался ранний атеросклероз и искусственные клетки начинают чистить механическим и химическими путями Ваши сосуды.

А потом у Вас...

Началась, из-за дефекта в цепочке ДНК, самая обыкновенная генетическая болезнь - Вы начали ... быстро стареть! Тут действует система посложнее - компьютеры, расположенные у Вас в организме начинают анализ информации. Почему Вы стареете? И, если не могут разрешить этого вопроса с помощью своих баз данных и алгоритмов запрашивают Центральный Медицинский компьютер где-то под землей или на ближайшем спутнике. Как только найдена "поломка" в Вашей ДНК и выделен белок, ответственный за старение, начинается глобальная операция - тысячи ДНК-ремонтеров, протягивая Вашу ДНК через свои анализаторы вырезают "ген старения". И старение коснется лишь 2-3 поколений клеток. Не нужно при этом говорить, что совместно с этим происходит полное обновление всех клеток Вашего организма, а Вы всегда выглядите на 20-30 лет.

Так из оборонительной, медицина станет наступательной и даже упреждающей.

Нанороботы будут способны ремонтировать клетки. Снабжённые полным описанием человеческого тела с точностью до атома они смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операций на органах мы перейдём к операциям на молекулах и станем практически бессмертными. Крионированные найдут свое воскрешение – миллионы роботов смогут восстановить разрушенные в процессе замораживания клетки (см. рис. 1).


Нанороботы, восстанавливающие поврежденный синапс
рис. 1. Нанороботы, восстанавливающие поврежденный синапс.



Теперь подробнее о нанороботах – основной лечащей силе наномедицины. Типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота микронного (мкм) размера, собранного из наночастей. Эти части будут варьироваться от 1 до 100 нм (1 нм = 10-9 м), и будут должны составлять работоспособную машину, размерами около 0.5-3 мкм (1 мкм = 10-6 м) в диаметре. Три микрона – максимальный размер для медицинских нанороботов кровотока, т.к. это минимальный размер капилляров.

Возможный вид респироцитовНевозможно сказать сейчас, как будет выглядеть универсальный наноробот. Нанороботы, предназначенные для путешествий внутри человеческого кровотока, возможно, будут иметь размер 500-3000 нм. Нанороботы, находящиеся в тканях, могут быть размерами от 50 до 100 мкм. А наноустройства, функционирующие в бронхах, могут быть еще больше. Каждый тип медицинского наноробота будет разработан под необходимые условия, и, поэтому, возможны разные их размеры и формы.

Очень простой наноробот, которого разработал Роберт Фрайтас несколько лет назад - искусственная красная кровеносная клетка, названная «респироцитом». Размер респироцита – 1 микрон в диаметре и он просто протекает в кровотоке. Это сферический наноробот, изготовленный из 18 биллионов атомов. Эти атомы, в основном, - углерод, с кристаллической решеткой алмаза, образующие сферическую оболочку механизма (см. рис. 2, 3).


Респироцит, по сути дела, - гидропневмоаккамулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 биллионов молекул кислорода (O2) и молекул диоксида углерода (CO2). Позже, эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер. (Респироциты могут быть изготовлены невоспламеняющимися благодаря оболочке из сапфира, негорючего и материала со свойствами, близкими к алмазоиду).

Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29160 молекулярными сортирующими роторами (E. Drexler, «Nanosystems», стр. 374), которые могут нагнетать и выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, парциальное давление O2 выше, чем CO2, поэтому бортовой компьютер говорит сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO2. Когда устройство определит свое местоположение в тканях, бедных кислородом, произойдет обратная процедура: так как парциальное давление CO2 относительно высокое, а парциальное давление O2 низкое, то роторы будут нагнетать CO2, выпуская O2.

Респироциты подражают естественным функциям эритроцитов, наполненных гемоглобином. Но респироцит может переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Этот наноробот намного более эффективен естественного, благодаря исключительной прочности алмазоида, позволяющего поддерживать внутри устройства высокое давление. Рабочее давление красной кровяной клетки – 0.51 атм, при этом только 0.13 атм доставляется тканям. Таким образом, инъекция 5 см3 дозы 50% раствора респироцитов в кровоток сможет заменить несущую способность 5400 см3 крови пациента (то есть ее всю)!

Респироциты в сравнении с красными кровяными тельцами.
рис. 3. Респироциты в сравнении с красными кровяными тельцами.


Респироциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменить их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться. Позже, врач может дать команду о включении.

Что будет, если добавить 1 литр респироцитов в ваш кровоток (это максимально безопасная доза)? Вы теперь можете задерживать дыхание на 4 часа, спокойно находясь при этом под водой. Или, если вы спринтер, и бежите на предельной скорости, то можете задержать дыхание на 15 минут до следующего вдоха!

Описанное «простое» устройство имеет очень полезные возможности, даже при его использовании в малых дозах. Другие, более сложные устройства, будут иметь больший набор возможностей. Некоторые устройства должны быть мобильными и способными плавать в крови, либо переползать внутри тканей. Естественно, что они будут иметь различные цвета, формы, в зависимости от выполняемых ими функций. Они будут иметь различные виды манипуляторов роботов, различные наборы сенсоров и т.д. Каждый медицинский наноробот будет спроектирован на определенный тип работы, и будет иметь уникальную форму и поведение.

Пару слов о репликации (самовоспроизводстве) медицинских наноустройств. Медицинские нанороботы не нуждаются в репликации вообще. В действительности FDA, или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации invivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем.


Когда планы и мечты воплотятся в жизнь?

По-видимому тогда, когда будет создан первый наноманипулятор, полностью управляемый человеком или программируемый компьютером. Пока его создание планируется на 2050 год. Потом на базе наноманипулятора, и уже готового к тому времени нанокомпьютера, можно будет сделать первый наноробот, способный собирать любые вещи. Но первым объектом, который он произведет, будет он сам! Затем эти двое снова скопируют себя, и так далее до тех пор, пока мы не получим достаточное количество нанороботов для создания нами всего задуманного, вообще всего, что не противоречит законам природы. Итак, середина нашего века - время, до которого нам необходимо дожить! Тогда станет возможным почти всё, на что только способно человеческое воображение. Тогда главной проблемой будет понять то, чего же мы на самом деле хотим от человеческой жизни.


Всего комментариев: 1
avatar
0
1 Бродяга_Ник • 22:28, 22.08.2014
Я столкнулся с нанороботами впервые приблизительно 30 лет назад! Они собрали мое разбитое тело, менее чем за пол часа!
avatar