| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Живые системы
ВВЕДЕНИЕ
Многие поколения ученых мечтали решить проблему управления поведением животных. До сих пор такое желание сохранилось, однако решение этой задачи сталкивалось и сталкивается со значительными трудностями.
В первом десятилетии ХХI века в мире стала активно спонсироваться и стремительно развиваться микро-робототехника. Области ее применения очень разнообразны. С их помощью можно проводить как прикладные, так и фундаментальные исследования, например, исследования механизмов управления поведением животных. Они могут быть военного, специального и двойного назначения. Известно два основных направления развития микро-робототехники. Первое основано на достижениях бионики. Цель - создание искусственных миниатюрных роботов (2007 г., идея - электронные насекомые), обладающих уникальными свойствами биологических объектов. Второе направление развития микро-робототехники связано с созданием гибридных биороботов. В них пробуют соединять искусственные миниатюрные сенсорно-информационные (ИСИ) и естественные биологические системы. В качестве естественных систем используют либо элементы живых организмов (культура нервных клеток, антенны (хемосенсоры), а также мозг и глаза бабочки и т.п.), либо целый дееспособный живой организм (например, жук, бабочка, пчела, таракан и т.п.). В первом случае деятельность ИСИ микроситемы управляется «живым биофрагментом», а во втором - ИСИ микросистема модулирует направленное поведение целого нормального животного.
Для создания сверхминиатюрных дистанционно управляемых гибридных биороботов необходимо решить три задачи - разработать и изготовить ИСИ микросистему, найти, изучить и научиться культивировать адекватный биологический объект, разработать метод и изготовить систему интеграции микросистемы и живого объекта.
1. БИОСЕНСОРЫ
Биосенсор — это такой прибор, который может определять химические соединения с помощью какого-нибудь биологического компонента. Например, один из первых биосенсоров, которым продолжительное время пользовались шахтёры, назывался «канарейка в клетке». Дело в том, что канарейки очень чувствительны к повышению содержания опасных для шахтёров газов: метана, угарного и углекислого газов. И как только их концентрация увеличивалась, канарейка практически сразу погибала. Это служило сигналом тревоги для шахтёров, которые спешно покидали опасное место.
Суть работы биосенсора состоит в том, что определённый биологический компонент, а в этой роли могут выступать ферменты, антитела, клеточные рецепторы, а то и вовсе целые микроорганизмы, реагирует на изменение концентрации какого-нибудь химического вещества или другого компонента. Например, рецепторы на усиках насекомых могут «чувствовать» единичные молекулы особых веществ — феромонов. Если зафиксировать электрический импульс, который возникает, когда молекула феромона попадает на рецептор, то получится сверхчувствительный биосенсор для отдельных молекул. Кстати, такой метод есть, и называется он «электроантеннография». Существует множество различных вариантов, как можно с помощью физических методов измерить сигнал от биологических объектов.
Плазмонный резонанс связан с особенностью отражения света от границы двух сред. Отражение луча происходит от границы двух сред с разными показателями преломления. Например, на поверхности озера видно отражение облаков и совсем не видно, что же там, под водой. Это проявление эффекта, который называется полным внутренним отражением — когда луч света полностью отражается от границы раздела фаз. Чтобы увидеть дно или обитателей водоёма, взгляд должен быть направлен практически вертикально вниз — тогда мы видим не только отражённые лучи, но и преломлённые, которые прошли через границу воздух — вода. А что происходит, если луч падает не на прозрачное вещество, а на совсем непрозрачное, такое как поверхность металла?
У металлов есть одна характерная особенность, которая кардинально отличает их от, скажем, воды, стекла или воздуха: в металлах есть свободные электроны, и именно по этой причине металлы проводят электрический ток. Но кроме проводимости у металлов есть ещё одна общая черта — они блестят. Металлический блеск — специфическое свойство, которое проявляется у самых разных металлов, будь то железо, алюминий, серебро или золото. Блеском металлы обязаны свободным электронам. Как мы знаем, свет — это волна, представляющая собой колебания электрического и магнитного полей с определённой частотой, поэтому её и называют электромагнитной. Когда электромагнитная волна попадает на поверхность металла, то на свободные электроны начинает воздействовать её переменное электрическое поле. Это приводит к тому, что электроны начинают как бы подстраиваться под воздействующее на них поле. В результате электроны экранируют металл от внешней волны — она отражается, а мы видим блестящую поверхность металла. А что, если частота волны окажется такой высокой, что электроны просто не будут успевать перемещаться вслед за колебаниями? Тогда они не смогут экранировать металл и волна сможет пройти сквозь поверхность. Например, большинство металлов отражает видимый свет, но вот ультрафиолет уже может «пробить» такой электронный экран.
Коллективные колебания свободных электронов физики назвали плазменными колебаниями, а виртуальную частицу, которой якобы соответствует такое колебание, — плазмоном. Как и у любого колебания, у плазменных есть своя частота, а значит, возможно явление резонанса. Плазмонный резонанс возникает, когда луч падающего света фиксированной частоты находится под определённым углом к поверхности, в результате нарушаются условия полного внутреннего отражения и интенсивность отражённого луча падает. Если световые лучи были в некотором диапазоне углов, то в отражённом луче будут отсутствовать те лучи, которые соответствовали углам возникновения плазмонного резонанса. Плазмонный резонанс весьма чувствителен к условиям, и если мы возьмём очень тонкий слой металла — толщиной меньше длины волны, — то резонанс будет сильно зависеть от свойств этой самой поверхности. Даже небольшие изменения в структуре поверхности заметно сдвигают условия возникновения резонанса, что позволяет использовать этот эффект для обнаружения сверхмалых количеств веществ.
На основе спектроскопии плазмонного резонанса строятся биосенсоры. И вот теперь самое время рассказать, что же такого сделали исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ и почему чувствительность их биосенсора в три раза выше, чем у аналогов.
Как создают биосенсоры подобного типа? На стеклянную подложку наносят слой золота толщиной около 50 нанометров. Если на золотой слой под определённым углом направить лазерный луч и детектировать отражённый сигнал, то можно зафиксировать условия плазмонного резонанса в тот момент, когда интенсивность отражённого луча резко уменьшится. Мы уже знаем, что резонанс очень сильно зависит от состояния поверхности материала. Если на поверхности закрепится некоторое количество молекул какого-либо вещества, это можно зафиксировать по изменению угла падения луча, для которого будет нарушаться закон полного внутреннего отражения. Однако если метод столь чувствителен к содержанию вещества, то как выделить из тысячи самых разных биологических молекул один-единственный интересный нам объект? Для этого следует так модифицировать поверхность металла, чтобы на него смогли осаждаться только нужные нам молекулы.
Это возможно сделать, если предварительно закрепить на поверхности определённые молекулы, которые будут «вылавливать» из раствора нужные вещества по принципу «ключ к замку». Тогда, если мы будем пропускать через такой биосенсор анализируемый раствор, зацепиться за «молекулы-замки» смогут только нужные нам молекулы, тем самым только они в результате зафиксируются на поверхности и изменят условия плазмонного резонанса. Таким образом мы получаем высокую чувствительность и селективность биосенсора. Уже существуют такие биосенсорные чипы — тонкие пластинки размером сантиметр на сантиметр, где осаждаются исследуемые образцы. Они делаются в основном из стекла с тонким слоем золота, покрытым, в свою очередь, слоем полимера — чаще всего это карбоксиметилированный декстран. Под чипом находится лазер, который возбуждает плазмонный резонанс, его характеристики считывает с отражённого луча фотодетектор.
Чувствительность биосенсора зависит от свойств поверхности — точнее, от того, сколько молекул исследуемого вещества сможет присоединиться к пластинке.
Руководитель разработки Юрий Стебунов и его коллеги создали и запатентовали принципиально новый тип таких биосенсоров с покрытием из оксида графена — материала, продемонстрировавшего большую эффективность. Исследователи нанесли «хлопья» оксида графена на стеклянную пластинку, покрытую слоем золота толщиной 35 нанометров. Затем на эту поверхность осадили слой из белка стрептавидина, который служил «ловушкой» для молекул, и проследили, как параметры плазмонного резонанса реагируют на присутствие сложных органических молекул — однониточных фрагментов ДНК. Как оказалось, сенсоры, в которых использовался оксид графена, в 3—4 раза чувствительнее сенсоров на чистом графене. Это значит, что новому чипу требуется в несколько раз меньше молекул, чтобы обнаружить в образце то или иное вещество. Кроме того, «оксидный» сенсор после несложной процедуры очистки можно использовать ещё несколько раз.
Стебунов начал научные исследования графеновых биосенсоров в рамках магистерской диссертации, выполненной на кафедре технологического предпринимательства РОСНАНО-МФТИ, которая служит площадкой для реализации образовательного проекта «Межвузовская программа подготовки инженеров в сфере высоких технологий» (оператор — компания eNANO). Совместно с группой разработчиков компании BiOptix, первого иностранного стартапа, получившего инвестиции в Роснано, ему удалось не только сделать качественную научную работу, но также провести глубокий профессиональный анализ коммерческих перспектив развития технологии биосенсоров на основе графена и оксида графена.
Конструкция чипа, предложенная исследователями из МФТИ: на золотую подложку наносится вещество — оксид графена, на котором уже можно закреплять различные молекулы-ловушки. Они будут удерживать на себе анализируемые молекулы и тем самым менять свойства поверхности, а изменения условий плазмонного резонанса будут зафиксированы детектором. Подобная схема позволяет в 3—4 раза повысить чувствительность биосенсора по сравнению с серийно выпускаемыми чипами с полимерной плёнкой или обычным графеном.
Эффект поверхностного плазмонного резонанса: луч лазера отражается от поверхности металла. При нарушенном полном внутреннем отражении вдоль металлической плёнки распространяется электромагнитная волна, которая появляется при определённом угле падения оптического излучения на эту плёнку. При этом энергия падающего излучения поглощается электромагнитной волной и в спектре отражённого света появляется участок, отвечающий за это поглощение.
2. НАНОРОБОТЫ
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») - роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. 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. Также 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 быстовыводимые компоненты.
Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.
Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. 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. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.
3. ПРИМЕНЕНИЕ И ВОЗМОЖНОСТИ БИОРОБОТОВ
Представьте, что идете к врачу за лечением постоянной простуды. Вместо того чтобы дать вам таблетку или сделать укол, врач направляет вас к специальной медицинской команде, которая имплантирует крошечного робота в вашу кровь. Робот распознает причину вашей болезни, отправляется в соответствующую систему и обеспечивает дозу лекарства непосредственно в зараженной зоне.
Вы удивитесь, но мы не так уж и далеки от устройств типа такого, которые уже отчасти используются в медицине. Они называются нанороботами, и инженеры по всему миру работают над ними, чтобы они в конечном итоге могли излечить все: от гемофилии до рака.
Как вы можете себе представить, задачи, стоящие перед инженерами, колоссальны. Жизнеспособный наноробот должен быть небольшим и достаточно гибким, чтобы перемещаться по человеческой системе кровообращения, невероятно сложной сети артерий и вен. Робот также должен обладать возможностью переносить медикаменты или миниатюрные инструменты. Если предположить, что наноробот не должен оставаться в теле пациента навсегда, он также должен уметь выходить из него.
Две самые большие проблемы, которые беспокоят ученых, — это как повысить эффективность этих миниатюрных инструментов и сделать их безопасными. Например, создать небольшой лазер, который будет достаточно мощным для испарения клеток, достаточно сложная задача, но сделать его безопасным для окружающей среды — еще сложнее. В то время как многие научные группы разработали нанороботов достаточно мелких, чтобы они могли попасть в кровеносную систему, это только первые шаги к созданию реально применяемых нанороботов.
Команды по всему миру работают над созданием первого практичного медицинского наноробота. Роботы от миллиметра в диаметре до относительно громоздких, в два сантиметра длиной, уже существуют, хотя и не испытываются на людях. Возможно, мы всего в нескольких годах от выхода нанороботов на медицинский рынок. Сегодняшние микророботы остаются прототипами, которым не хватает способностей выполнять медицинские задачи.
В будущем нанороботы могут совершить революцию в медицине. Врачи смогут лечить все, от сердечно-сосудистых заболеваний до рака, при помощи крошечных роботов, по размерам сопоставимых с бактериями, намного меньших, чем нынешние нанороботы. Некоторые считают, что полуавтономные нанороботы уже вот-вот будут доступны — доктора смогут имплантировать роботов, способных патрулировать человеческое тело и реагировать на любые проблемы. В отличие от экстренного лечения, эти роботы будут оставаться в теле пациента навсегда.
Другое потенциальное применение нанороботов в будущем — укрепление нашего тела, повышение иммунитета, увеличение силы или даже улучшение интеллекта. Сможем ли мы в один прекрасный день обнаружить тысячи микроскопических роботов, плывущих по нашим венам и вносящим коррекции и изменения в наши разрушенные тела? С нанотехнологиями, похоже, все будет возможно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии непохожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отдходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.
Так или иначе, шаг к созданию нанороботов уже сделан и мы в очередной раз сталкиваемся с вопросом постановки формулировки: меняют ли наши нововведеня нашу же жизнь, или мы сами её меняем. Сможем ли мы создать на основе наномеханики мир, свободный от голода, нужды и при этом имеющий потенциал к развитию, или дорога из желтого нанокирпича приведет нас к хаосу новых войн будет зависеть от нас самих, но ясно одно: мир меняется и мы стремительно меняемся вместе с ним.
Список использованных источников
1 Пул, Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. – Москва : Техносфера, 2005. – 336 с. – ISВN 5-94836-021-0.
2 Графен и плазмонный резонанс для будущего медицины/ под ред. М. Абаев – Москва : Наука и жизнь, 2015. – с. 78-81– ISВN 0028-1263-11-15.
3 Волков, Г. М. Объёмные наноматериалы: учеб. пособие / Г. М. Волков. – Москва : КноРус, 2013. – 168 с. – ISBN 978-5-406-03188-9.
4 Колмаков, А. Г. Основы технологий и применение наноматериалов : монография / А. Г. Колмаков, С. М. Баринов, М. И. Алымов – Москва : Физматлит, 2012. – 208 с. – ISBN 978-5-9221-1408-0.
5 Гусев, А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А. И. Гусев. – 2-е изд., испр. – Москва : Физматлит, 2009. – 415 с. – ISBN 978-5-9221-0582-8.
6 Рыжонков, Д. Н. Наноматериалы : учеб. пособие / Д. И. Рыжонков, В. В. Лёвина, Э. Л. Дзидзигури. – Москва : Бином. Лаборатория знаний, 2008. – 365 с. – ISBN 978-5-94774-724-9.
7 Витязь, П. А. Основы нанотехнологий и наноматериалов : учеб. пособие / П. А. Витязь, Н. А. Свидунович. – Минск : Выш. шк., 2010. – 302 с. – ISBN 978-985-06-1783-5.
8 Справочник по технологии наночастиц =Nanoparticle Technology Handbook : пер. с англ. / ред. Масуо Хосокава [и др.]; науч. ред. рус. изд. А. Б. Ярославцев, С. Н. Максимовский ; Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова, Науч.-образоват. центр по нанотехнологиям. – Москва : Научный мир, 2013. - 730 с. – ISBN 978-5-91522-231-0.
9 Нанонаука и нанотехнологии : энцикл. систем жизнеобеспечения / гл. соред.: Осама О. Аваделькарим, Ч. Бай, С. П. Капица. – Москва : МАГИСТР-ПРЕСС, 2015. – 1000 с. – ISBN 978-92-3-404137-9; ISBN 978-5-89317-224-9.
10 Гусев, А. И. Нанокристаллические материалы : монография / А. И. Гусев, А. А. Ремпель; отв. ред. А. Л Ивановский. – Москва : Физматлит, 2001. – 224 с. – ISBN 5-9221-0039-4.
11 http://uh.ni/a/797333 |
Категория: Наноинженерия (рефераты) | Добавил: emnick (30.05.2016)
| Автор: Николова Эмилия Атанасова 
|
| Просмотров: 485
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
