Публикации: Научно-популярные статьи

"Мама, я знаю - мы все тяжело больны... мама, я знаю - мы все сошли с ума!.."

Виктор Цой ("Кино")

Всеобщее сумасшествие журналистов и чиновников по поводу нанотехнологий не только крепчает, но и уже взрывается! И, наконец, нанотехнологии и деньги на их развитие добрались до самого святого - мозга человека.

Сначала реально-политическая (конкретная такая) история, похожая на бред: "Минпромэнерго утвердило стратегию развития электронной промышленности России, предусматривающую около 250 млрд руб. инвестиций и помимо прочего внедрение в производство в России до 2025 года "наноэлектронных устройств, обеспечивающих... прямой беспроводной контакт мозга человека с окружающими его предметами". Разработка документа велась более года. Как рассказал глава департамента экономического анализа и перспективного планирования Минпромэнерго Станислав Наумов, к проекту было множество претензий как со стороны МЭРТа и Минфина, так и со стороны спецслужб, в частности ФСБ, -- они настояли на рассмотрении стратегии в закрытом режиме. Реализация стратегии предусматривает три этапа. На первом (2007--2011 годы) в микроэлектронную промышленность предполагается инвестировать 49 млрд руб., в том числе 30 млрд руб. из госбюджета. На втором этапе (2012--2015 годы) инвестиции"Широкое распространение получат встроенные беспроводные наноэлектронные устройства, обеспечивающие постоянный контакт человека с окружающей его интеллектуальной средой, получат распространение средства прямого беспроводного контакта мозга человека с окружающими его предметами, транспортными средствами и другими людьми" вырастут до 63 млрд руб., а в 2016--2025 годах достигнут 135 млрд руб. На первом этапе стратегия будет финансироваться в основном за счет федеральных целевых программ, уже заложенных в трехлетний бюджет. Это позволит модернизировать технологическую базу и довести микроэлектронику до уровня 0,35--0,25 мкм. К 2010 году Россия сможет достичь уровня 0,13 мкм, то есть современного уровня массового производства, в КНР оно уже запущено. К 2011 году объем продаж отечественной электронно-компонентной базы (ЭКБ) вырастет с 13 млрд до 45 млрд руб., а к 2025 году -- до 350 млрд руб. Рубеж 0,09 мкм, отделяющий микроэлектронику от нанотехнологий, Россия перейдет не ранее 2011 года, зато к 2025 году Россия освоит нанотехнологии уровня 0,018 мкм. Отмечается, что строительство только одного современного завода уровня 0,18--0,13 мкм стоит около ,5 млрд -- это больше, чем предусмотрено первым этапом стратегии. Вывод авторов стратегии: нужно сотрудничать с развитыми странами для привлечения инвестиций и современных технологий. Видимо, поэтому первый ее этап предполагается реализовать "в рамках российско-белорусского сотрудничества". Впрочем, как пояснил господин Наумов, документ вообще не предусматривает бюджетных инвестиций в строительство новых заводов. В основном средства пойдут на фундаментальную науку, подготовку кадров в системе высшего образования и создание национальной сети научных "дизайн-центров", ориентированных на разработку "прорывных технологий". В результате, если верить разработчикам документа, уже в 2016--2025 годах в России "широкое распространение получат встроенные беспроводные наноэлектронные устройства, обеспечивающие постоянный контакт человека с окружающей его интеллектуальной средой, получат распространение средства прямого беспроводного контакта мозга человека с окружающими его предметами, транспортными средствами и другими людьми". "Тиражи такой продукции превысят миллиарды штук в год из-за ее повсеместного распространения",-- указывается в документе.

А теперь, раз уж в нынешнем информационном континууме все равно нечего терять нормальному человеку, немного о нанороботах!

«В соответствии с принципом умудрения среды обитания дороги, машины, здания, одежду и пр. производят из шустров – логических микроэлементов, облагороженных в ходе предварительной обработки»

С. Лем («Из воспоминаний Ийона Тихого», если кто из чиновников вдруг не знает, Станислав Лем - известнейший писатель-фантаст, к сожалению, этот великий человек уже умер, не дождавшись, когда в отдельно взятой стране - России - его предсказания реализуются на деньги "Роснанотеха")

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей. В фантастических произведениях Станислава Лема особые «кирпичики» («шустры») формировали всю окружающую городского человека среду, которая запрещала ему навредить себе и окружающим, недаром она называлась умным, «ошустренным» слоем обитания цивилизации. Таких искусственных послушных существ называют нанороботами. Кстати, словом робот в 1920г. чешский драматург К.Чапек назвал придуманное им человекоподобное существо (робот - немного измененное чешское robota, которое переводится, как принудительный труд): «Роботы – это не люди… они механически совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души». Во всемирно известной повести писателя-фантаста А.Азимова были сформулированы три закона робототехники: робот не может причинить вреда человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред, робот должен выполнять приказы человека, кроме приказов, противоречащих Первому закону, и робот должен заботиться о своей безопасности, если это не противоречит Первому и Второму законам.

Впервые понятие наноробота или молекулярного ассемблера появилось в нашумевшей книге Эрика Дрекслера (Eric Drexler) из Массачусетского технологического института “Машины созидания: наступление эры нанотехнологий” (1986 г). По мнению Дрекслера, будущее молекулярной технологии и «нанотехнологии» состоит в создании функциональных структур и устройств путем их поатомной сборки с помощью программируемых роботов (Рис.1), а также в разработке самих молекулярных роботов, способных “строить” из атомов различные объекты. Конструирование таких машин предполагалось осуществлять путем формирования химических связей за счет механического сближения электронных оболочек атомов. Наноманипулятор, описанный Дрекслером, состоял из 4×10⁶ атомов, а робот, снабженный молекулярным компьютером, вспомогательными механизмами и т.д. содержал ~1×10⁷ атомов. Однако, возможности отдельного робота оказываются весьма ограничены в связи с его малыми размерами, что, по мнению Дрекслера, требует создания наномашин, способных к самовоспроизводству – то есть размножению или репликации. В основе идей о самореплицирующихся структурах лежит теория фон Неймана (1940 г.), согласно которой репликация является основой природных механизмов развития, а сам процесс репликации используется как в клеточной инженерии, так и при воспроизводстве живых организмов. Дрекслер описал гипотетическую опасность создания таких систем, которая связана с тем, что выход из-под контроля процесса репликации из-за возникновения ошибки в программе отдельного робота-репликатора, может привести к техногенной катастрофе (см. статью «серая слизь»). Идеи Дрекслера вызвали волну неприязни к нанотехнологиям со стороны обычных людей. Впрочем, эти полуфантастические прогнозы оказались противоречащими законам термодинамики, а технологический прогресс продолжил движение вперед.

Сейчас одной их самых обсуждаемых, самых волнующих, но не делающихся от этого менее фантастической, является тема использования нанороботов в наномедицине (Рис.2), где в полной мере могли бы найти применения «таланты» нанороботов. Считается, что наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной, лимфатической и нервной системам, не нанося вреда организму, изменять характеристики тканей и клеток, уничтожить микроорганизмы, вирусы и раковые клетки. Для этого он должен иметь управляющий процессор - мозг, навигационную систему (для определения места нахождения и определения маршрута передвижения), сенсоры (для мониторинга окружающей среды, участия в навигации и коммуникации для работы с отдельными молекулами), манипуляторы (для выполнения непосредственных действий с тем или иным объектом), устройства приема и передачи информации и энергии для «питания» наноробота. Наиболее оптимистичные околонаучные представления о нанороботах включают следущее:

-типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота, собранного из наночастей; размер частей наноробота будет варьировать от 1 до 100 нм, а самого робота - 0.5-3 мкм в диаметре.

-наноробот будет состоять из углерода, возможно, в форме алмаза из-за его прочности и химической инертности.

-наноробот будет иметь два разделенных пространства - внутреннее и внешнее; внутреннее пространство наноробота будет полностью организовано, в процессе работы наноробот может пропускать внутрь себя жидкости для химического анализа или других целей.

-типичная наномедицинская обработка будет состоять из инъекции нескольких кубических сантиметров нанороботов, растворенных в жидкости, с дозой от 1 до 10 триллионов отдельных нанороботов.

-нанороботы будут делать только то, что скажет врач.

-наноустройства будут способны к самоудалению из организма естественным путем или с использованием принудительного удаления (или разрушения).

-применение иммунноподавляющих агентов на период наномедицинского лечения поможет иммунно незащищенным роботам находиться в теле человека и выполнять там свою работу без проблем.

-медицинские нанороботы будут иметь бортовые компьютеры с быстродействием около 1000 операций в секунду.

-нанороботы будут черпать энергию для своей работы, используя локальные запасы глюкозы и аминокислот в теле человека (in vivo) или за счет внешней энергии (акустической, магнитной и пр.).

-нанороботы будут использовать хемотаксические сенсоры (схожие с сенсорами в химической силовой микроскопии) для прицельной атаки на клетки-мишени. Нанороботы, введенные в человеческое тело, будут неактивны за пределами области медицинского вмешательства, даже внутри искомой области нанороботы будут пребывают неактивными до тех пор, пока их сенсоры не будут активированы индивидуальной последовательностью белков, характерной для клеток, подлежащих лечению.

-технологии, изготовляющие наноустройства с молекулярной точностью, могут позволить разработать и встроить внутрь нанороботов механизмы для коммуникации и навигации, также будут разработаны коммуникационные сети внутри тела пациента. Врач целиком контролирует местопребывание и статус нанороботов в течение всего лечения, при этом нанороботы смогут обмениваться данными о своем местоположении, характере заболевания и процессе лечения.

Идиллия, не правда ли? На сегодняшний день уже существует несколько устройств размером в десятки нанометров, которые могут самостоятельно манипулировать частицами атомных и молекулярных размеров, однако их, скорее, стоит отнести к неинтеллектуальным НЭМС, чем к истиным нанороботам. В Университете Нью-Йорка сконструировали прямоходящего двуногого «наноробота», который, правда, только и умеет, что ходить. В качестве исходного материала Н. Симан и У. Шерман воспользовались фрагментами двухцепочечных и одноцепочечных молекул ДНК. Шагающий «наноробот» существует в миллионах копий, плавающих в буферном растворе. Внешне он напоминает щипцы - две двухцепочечные «ноги» длиной 10 нм, упруго соединенные на одном конце, и свободные на противоположном. Каждая «нога» образована тридцатью шестью нуклеотидными парами, которые удерживаются водородными связями по обычной для ДНК схеме: аденин напротив тимина, а гуанин напротив цитозина. С их свободных концов «свисают» коротенькие хвостики – кусочки одноцепочечной ДНК. Чтобы понять, как движется робот, посмотрим на схему (Рис.3). «Наноробот» «ступает» по особым опорам, тоже изготовленным из ДНК, которые вытянуты вдоль специальной «дорожки» из ДНК. В начальный момент обе «ноги» фиксируются на соседних опорах с помощью двух одноцепочечных спиралей ДНК, действующих подобно якорям. Этот молекулярный якорь с одного конца комплементарен "хвостовым придаткам" «ноги», а с другого - вершине опоры, благодаря чему он и удерживает их вместе. Такая позиция изображена на первом рисунке схемы. Надо отметить, что концевые участки «ног» не комплементарны опорам, и поэтому робот не может "устоять" без помощи якорей. Первый этап шага состоит в отделении правой ноги от опоры. Чтобы это произошло, свободно плавающая в окружающем растворе ДНК (желтая полоска на втором рисунке схемы) связывается с правым якорем и отводит его в сторону. Незакрепленная «нога» перемещается вправо и зависает над следующей подставкой. Здесь к ней подсоединяется очередной молекулярный якорь, который притягивает ее к новой опоре - и полшага сделано. Когда то же самое происходит и с левой ногой, робот перемещается на одну позицию вправо. Интересно, что абсолютно аналогичный принцип используется при перемещении белка миозина по фибриллам в живых организмах. 

Хотите верьте, хотите - нет, но нанороботы – это гипотетические устройства размером в десятки нанометров, которые могут самостоятельно манипулировать частицами атомных и молекулярных размеров. К сожалению, создание этих нанообъектов относится к области фантастики, если только не считать нанороботами опять-таки гипотетического «демона Максвелла» или «НЭМС», или же «нанокапсулы», создание которых, напротив, вполне реально и является одним из самых перспективных направлений нанотехнологической деятельности. А нашим чиновникам - удачи в их наноробототехнических начинаниях!

В сообщении использованы материалы уважаемых сайтов www.imm.org, www.inauka.ru, www.newscientist.com/home.ns, www.sciencedaily.com, www.rfreitas.com, www.nanonewsnet.ru, www.cbio.ru

О роботах "с глазками и лапками" см. неполитический материал.