Creación de nanorobots. Los primeros nanorobots inteligentes del mundo creados en Rusia

Robot nanotecnológico nanomáquina (nanite), cuyas dimensiones se miden en nanómetros Temas de biotecnología ES nanobot … Manual del traductor técnico

nanobot

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nanorobot Diccionario explicativo inglés-ruso de nanotecnología. - m

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Libros

• Nanoskazochka, Sergey Lukyanenko, “En cierto espacio y tiempo, en una realidad muy divertida, vivía y había una vez un Pequeño Nanobot. Provenía de la tribu trabajadora de Escherichia Koli, a la que mezclaron un poco... Categoría:

Artículo para el concurso "bio/mol/texto": El artículo describe enfoques para comprender la estructura de una célula, desde las ideas de la biología teórica y los conceptos de "máquina de proteínas" hasta enfoques y descubrimientos modernos: nanorobots, microtúbulos y secuenciación del genoma. El trabajo conjunto y coordinado con precisión de millones de nanorobots crea ese fenómeno único que llamamos vida.

El patrocinador general del concurso es la empresa: el mayor proveedor de equipos, reactivos y consumibles para la investigación y producción biológica.

El patrocinador del Premio del Público y el socio de la nominación "Biomedicina hoy y mañana" fue la empresa "Invitro".

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Citología - la ciencia de la célula

Figura 4. Portada del libro de Erwin Bauer

Por supuesto, en cierto sentido, una estrella también es un “proceso”, como una célula: una estrella convierte el hidrógeno en helio y, al final, cuando se quema todo el combustible que contiene, “muere”. E incluso el taburete más común, si lo miras de cerca, no permanece para siempre como se hizo: la pintura se despega, la madera se seca o se pudre gradualmente, los sujetadores se aflojan ... Pero una célula viva ( y un organismo vivo como un todo) es fundamentalmente diferente de estas cosas muertas.

¿Has pensado por qué una piedra se somete indiferentemente a la acción de una fuerza externa, mientras que un ser vivo resiste? ¿Por qué el palo va con la corriente, y el pez que va a desovar, va decenas de kilómetros en contra de ella? ¿Por qué, finalmente, tú y yo podemos determinar nuestro propio comportamiento, superando los obstáculos que nos pone el mundo exterior?

El primer paso serio hacia la comprensión de estas cosas lo dio el biofísico soviético Erwin Bauer, quien presentó el principio del no equilibrio estable:

“... los sistemas vivos nunca están en equilibrio y, debido a su energía libre, constantemente realizan trabajo contra el equilibrio requerido por las leyes de la física y la química bajo las condiciones externas existentes» (Fig. 4).

En otras palabras, ¡el "sistema vivo" en cierto sentido viola las leyes de la física y la química! Pero ella los viola solo con su propia ayuda. Un objeto vivo, usando químicos e interacciones físicas, es capaz de vencer la gravedad, luchar contra el flujo de agua y aire, hacer que las sustancias dañinas sean útiles (por ejemplo, el terrible agente oxidante oxígeno, que desde el punto de vista de la química no es mejor que cloro, nos da la oportunidad de respirar y gracias a adquirir energía; en general, la historia de la lucha contra los radicales oxidantes se presenta en el artículo “ Cómic de cuento de hadas sobre la gran batalla entre los radicales y los antioxidantes.» ).

Pero "equilibrio" no es solo un estado en el que, por ejemplo, la balanza se equilibra y deja de balancearse. El gas está en equilibrio cuando fluye desde el cilindro hacia el aire de la habitación y se mezcla con la atmósfera. La estufa está en equilibrio con el aire circundante cuando cede completamente su calor. La rama de la física, la ciencia de la termodinámica, establece que cuando un sistema que consta de muchas moléculas tiende al equilibrio, el desorden (caos) aumenta en este sistema. La medida del caos se llama " entropía". En sistemas cerrados, la entropía solo puede aumentar. Pero las células vivas son sistemas abiertos, no cerrados. Por lo tanto, pueden resistir el crecimiento de la entropía. Trabajando contra el equilibrio, los seres vivos ponen orden en el mundo y cada segundo luchan contra el caos que los embarga por todos lados. Los zorros cavan un visón y escapan del frío invernal en él, los castores construyen diques y elevan el nivel del agua, que se esfuerza por derramarse sobre el avión lo más delgado posible.

Cada organismo vivo crea tal milagro cada segundo. Pero cada célula viva se comporta exactamente de la misma manera. Usando el ejemplo de su comportamiento, que es más simple que el comportamiento de los grandes organismos (aunque el comportamiento celular no es tan simple como parece), uno puede tratar de entender qué es la vida y cómo lucha exactamente con el "equilibrio".

La citología avanza

Nanorobots: fantasía y realidad

A finales del último milenio, el científico estadounidense Eric Drexler, inspirado por los descubrimientos en el campo de la nanotecnología, se hizo famoso por sus libros esencialmente de ciencia ficción, en los que soñaba que pronto se construirían "nanoensambladores", capaces de ensamblar cualquier cosa directamente. de los átomos. . En particular, escribió sobre los "nanorobots" que pueden hacer un trabajo útil para la salud humana: limpiar los vasos sanguíneos, destruir las células cancerosas y combatir las bacterias.

Algo similar predijo en 1931 el escritor infantil Boris Zhitkov en su cuento de ciencia ficción Microhands. El héroe de la historia fabricó un dispositivo que permite operaciones con células individuales. ¡De las manos de una persona, los esfuerzos se transfirieron a micro-manos, que podrían realizar operaciones que ni siquiera el Levsha de Lesk podría soñar! Esto es lo que escribió Zhitkov: Fui invitado a realizar las operaciones más delicadas, donde ningún cirujano sabría cómo girar. Con mis micro-manos, pude trabajar rápidamente y sin falta bajo el microscopio más potente. Saqué los brotes más pequeños de un tumor maligno de un organismo vivo, rebusqué en un ojo dolorido, como en una gran fábrica, y no tuve fin para trabajar. Pero no me detuvo en mi camino. Quería hacer verdaderas micromanos, de modo que pudiera agarrar las partículas de materia de las que está hecha la materia, esas partículas inimaginablemente pequeñas que solo son visibles en un ultramicroscopio. Quería entrar en esa área donde la mente humana pierde toda idea de tamaño - parece que ya no hay tamaños, todo es tan inimaginablemente pequeño».

Pero el fracaso esperaba al héroe de la historia: en el proceso de búsqueda de células individuales, una de las criaturas, la "serpiente-infusoria", rompió su dispositivo. Sí, y casi le rompo el brazo, porque sus esfuerzos, como por la palanca de Arquímedes, se transfirieron al microcosmos, disminuyendo millones de veces, y las fuerzas del microcosmos también aumentaron y presionaron sus manos...

Se sabe que la palabra "tecnología" proviene del griego " tecné” significa “arte”, y las nanotecnologías lo confirman: se fusionan con el arte. Ahora los especialistas tienen la oportunidad de esculpir la estructura molecular átomo por átomo, como una escultura. Se abren fantásticas oportunidades para la creatividad libre. ¡Los diseñadores se convierten en artistas-demiurgos, creando cosas desde cero! Pero, ¿y si estas cosas se salen de control y comienzan a multiplicarse como virus maliciosos? Eric Drexler en su libro "Máquinas de creación" bastante asustó al lector con historias sobre la próxima victoria de "grey goo". Escribió que los peligros de la nanotecnología no deben subestimarse. Ahora estamos siendo amenazados con un nuevo flagelo: la inteligencia artificial. Pero, ¿y si esta inteligencia comienza a producir monstruos en "nanofábricas"? El artista Yevgeny Podkolzin para el almanaque "Quiero saberlo todo" superó esta situación de manera humorística (Fig. 5).

Figura 5. Nanobot construye un monstruo.

dibujo de Evgeny Podkolzin

La creación de nuevas estructuras en las "nanofábricas" está ahora bajo el control del hombre. El control es necesario para reducir los riesgos de reproducción espontánea desenfrenada de nanoestructuras que, como en un thriller de ciencia ficción, pueden entrar en batalla con la vida terrestre y destruir todo lo que vive en la tierra, convertir el planeta en un paraíso de baba gris. Tenga en cuenta que el penúltimo Premio Nobel de Química se otorgó por trabajos en el campo de la nanotecnología, por lo que esta área es muy candente...

Locomotora de vapor en tu bolsillo

Figura 6. Lev Blumenfeld

En cualquier célula viva, incluso en una tan pequeña como la famosa bacteria Escherichia coli(tiene alrededor de 5 micras de largo y 1 a 1,5 micras de diámetro): funcionan millones de nanorobots de proteínas. Llevan a cabo todos los asuntos necesarios para la vida del estado celular. Hay diferentes tipos de nanorobots: mensajeros, transportistas, diseñadores, reparadores, limpiadores.

La comprensión de cómo funcionan los nanorobots no llegó de inmediato. En los años sesenta del siglo XX, los biofísicos Dmitry Chernavsky, Yuri Khurgin y Simon Shnol desarrollaron el concepto de "proteína-máquina", cuya confirmación experimental fue realizada por el fundador del Departamento de Biofísica de la Facultad de Física de Moscú. Universidad Estatal (Fig. 6). En sus obras, escribió sobre los estados de no equilibrio de las proteínas y sobre la relajación de una proteína-máquina en el proceso de transformación de la materia en una célula.

Ahora bien, esto ya se ha convertido en un lugar común: los biofísicos han afirmado directamente que una proteína es una máquina, también se han descubierto motores moleculares ( cm., por ejemplo, el artículo " Motores proteicos: al servicio de los humanos y las nanotecnologías» ). Por supuesto, no una máquina simple, sino una especial, biológica. ¿Qué es una "máquina" de todos modos? En la vida cotidiana, esto es lo que llaman un automóvil, una lavadora, una máquina herramienta en una fábrica, y en el siglo XIX, esto significaba una máquina de vapor. Pero si piensas científicamente, entonces una máquina es un sistema construido de acuerdo con un plan a partir de partes diferentes y disímiles y diseñado para realizar ciertas funciones (tal definición fue dada una vez por el académico Ivan Artobolevsky).

Las enzimas y otros nanorobots cumplen exactamente esta definición: se construyen de acuerdo con el plan establecido en el ADN y realizan funciones estrictamente definidas. Las partes de las proteínas, las moléculas de monómero, no son similares entre sí, tienen una forma y una composición química diferentes. Cuando se combinan diferentes monómeros, se obtiene una molécula orgánica grande: un polímero. Tales proteínas-polímeros se convierten en máquinas moleculares, nanorobots. En cada nanorobot-enzima existe su "parte estructural" (análoga a la bancada de la máquina) y su "centro activo" - una herramienta de trabajo. ¡Casi como en cualquier fábrica! Pero las dimensiones de tales máquinas no tienen análogos en la naturaleza inanimada.

Y si las dimensiones de la máquina son inusuales, entonces el funcionamiento de estos dispositivos es diferente a las acciones a las que estamos acostumbrados. Después de todo, casi todo en el nanomundo no es lo mismo que en nuestro macrocosmos humano. No en vano nos acordamos de la máquina de vapor. Los principios de la máquina de vapor formaron la base de la termodinámica, la ciencia de la transferencia y transformación de energía. Esto no sucedió porque la máquina de vapor fuera tan ideal, fue solo que cuando la termodinámica tomó forma, no había otras máquinas. Y su dispositivo demuestra especialmente claramente los procesos de conversión de energía.

Sin la transferencia y transformación de energía, por supuesto, no pueden existir organismos ni células individuales. Toda su vida, como escribimos anteriormente, es un proceso constante de intercambio de energía con el medio ambiente, un intercambio en el que se realiza cierto trabajo. Solo la máquina de vapor realiza su trabajo de manera extremadamente cruda en comparación con las acciones de los nanorobots. La máquina de vapor maneja una enorme masa de moléculas (vapor o gas). Cuando se calientan, estas moléculas con toda su masa tienden a liberarse (es decir, a alcanzar el equilibrio con el ambiente frío externo), ejercen presión sobre el pistón bloqueando su camino hacia la libertad y realizan trabajo.

En las nanomáquinas, ocurre lo contrario. Una proteína nanorobot no es capaz de mover grandes volúmenes de materia, pero ve cada molécula por separado y puede gestionar la energía contenida en ella. Imagine que tales dispositivos se utilizan en una máquina de vapor: un nanorobot "trabaja" con cada molécula de vapor, la atrapa y la arrastra a su lugar adecuado, y luego la libera.

Entonces, el pistón pesado, los accionamientos hidráulicos se volverán superfluos, y toda la máquina con una capacidad de mil caballos de fuerza puede volverse pequeña, del tamaño de una memoria USB o un chip. Es cierto que esto requerirá tantos nanorobots como moléculas de vapor o gas hay en un volumen dado, e incluso se necesitan dispositivos especiales, "entrenados" para trabajar en esta profesión en particular. Y todavía tenemos que buscarlos en la naturaleza. Pero las perspectivas son atractivas.

Sin embargo, no importa cuán mágica se vea una locomotora de vapor que cabe en su bolsillo, el trabajo de una célula viva real se ve aún más fantástico. Después de todo, una máquina de vapor (como cualquier otra planta de energía) solo usa el deseo de cualquier sustancia de equilibrarse con el entorno externo, y el límite del equilibrio es la llamada "muerte térmica del Universo", un estado en el que todos los objetos del mundo, desde las moléculas hasta las galaxias, se convertirán igualmente cálido, o más bien igualmente frío, y cesará todo movimiento.

El trabajo de los nanorobots tiene un vector completamente diferente. Ellos, a diferencia de la máquina de vapor, no solo usan la entropía, sino que se oponen a ella lo mejor que pueden. Lev Blumenfeld escribió que la "máquina molecular" controla los estados de las moléculas individuales. Cuando se trata de una molécula de sustancia, los nanorobots no permiten que se mueva al azar: transfieren moléculas a donde la célula necesita para su nutrición y crecimiento, regulan la química y la física de los procesos.

En última instancia, la energía del vapor en una caldera (o la energía de quemar combustible en el motor de un automóvil) es la suma de las energías del movimiento de moléculas individuales de vapor u otro "fluido de trabajo". Pero cuando la máquina de vapor "suma" estas energías de moléculas individuales, entonces ocurren pérdidas inevitables durante la "generalización". Algunas moléculas se filtran a través de las ranuras del dispositivo, algunas vuelan hacia la esquina sin ningún beneficio, etc. Aproximadamente sucede lo mismo que con la mala contabilidad en una gran economía: parte de los bienes y materiales se deterioran en el almacén sin participar en la producción, otra parte se envía al destino equivocado, la tercera se la llevan los roedores ... Cuando al operar con millones y miles de millones de objetos, la "contracción y la sacudida" son inevitables. Pero se volverán imposibles si cada artículo se contabiliza por separado, si todo se contabiliza y cada artículo tiene su propio almacenista.

Por supuesto, en nuestro mundo esto no es factible. Nos sale más rentable perder parte de los productos que pagar el trabajo de millones de contadores y contralores. Pero el nanomundo tiene sus propias ideas sobre lo que es rentable y lo que no lo es. Por lo tanto, la eficiencia de una máquina de proteínas no es del 8 por ciento, como una locomotora de vapor, ¡sino casi 10 veces más!

Las máquinas moleculares de proteínas difieren de la máquina clásica en otra característica. En una planta de energía convencional, la máquina en sí (su mecanismo, cuerpo) y el "fluido de trabajo" (vapor de agua o gasolina) son objetos diferentes. Un nanorobot es, por regla general, un mecanismo y un cuerpo de trabajo al mismo tiempo. Los flujos de energía no fluyen a través de los nanorobots en forma de vapor o fuego, sino que se mueven por sí mismos durante las reacciones químicas.

Microtúbulo: ¿fuente del pensamiento?

El tipo más común de nanorobots son las enzimas conocidas desde el siglo XIX. Sólo enzimas, hay unas cinco mil variedades. Estas son proteínas especiales, catalizadores de procesos bioquímicos, que sin su participación serían muchas veces más lentos.

Las enzimas son máquinas de proteínas con un programa rígido. Cada uno de ellos está adaptado para resolver un problema muy concreto. Pero todos ellos, de una forma u otra, son catalizadores de reacciones químicas, es decir, ayudan a la transformación de una sustancia en otra. Más bien, las enzimas simplemente convierten una reacción química, que debería haber ocurrido “naturalmente” sin mucho beneficio para la célula y el organismo, en otra reacción útil. Como ya se mencionó, redirigen la reacción del camino de menor resistencia (que da poca energía) al camino que es difícil, pero energéticamente eficiente.

Otro tipo de nanorobots son los reparadores. Aunque el ADN es una molécula estable, aún puede dañarse. La razón de esto es la radiación, las sustancias mutagénicas, los radicales libres. La "despurinización" juega un papel especial: la escisión de las bases nitrogenadas de la molécula de ADN, es decir, de hecho, su destrucción. En una solución simple (sin vida), este proceso procede con bastante rapidez, y si sucediera lo mismo en una célula, el ADN no viviría más de una semana y la célula estaría condenada a la muerte. Sin embargo, el ADN de cada célula humana pierde alrededor de cinco mil bases de purina por día. Pero los dispositivos especiales funcionan en la celda. complejos de reparación("reparación" en latín significa "restauración"). Se pueden comparar con un equipo de reparación en un ferrocarril, que viaja a lo largo de los rieles todo el tiempo, encuentra daños y los repara. Las reparasas son capaces de reparar incluso el daño por radiación al ADN. La complejidad del trabajo de reparases (como, de hecho, de otros nanorobots) es admirable: una computadora difícilmente puede simular sus acciones. Comprender el funcionamiento de estos dispositivos requiere conocimientos de matemáticas superiores y física cuántica.

El proceso de división celular, ya sea mitosis o meiosis, es uno de los procesos más fantásticos del universo. Es atendido por un enorme equipo de nanorobots. Además de los relacionados con la duplicación del ADN, en este equipo se incluyen los nanorobots centriolet. Los centríolos son una especie de polos alrededor de los cuales se enrosca el "huso" del material genético. Se componen de 27 elementos cilíndricos, "microtúbulos", que se basan en moléculas de proteína tubulina.

Además del trabajo de reproducción celular, los microtúbulos están involucrados en la creación del citoesqueleto: sin su apoyo, la célula se convertiría en una gota amorfa. Los microtúbulos también funcionan como conductos: las sustancias se transfieren a través de ellos de un extremo de la célula al otro.

Parecería que el papel de los centriolos en el trabajo de la célula es puramente mecánico. Sin embargo, fueron estos orgánulos los que el biólogo estadounidense Günter Albrecht-Bühler (por cierto, físico de formación) llamó el "cerebro de la célula". Otro biólogo estadounidense, Stuart Hameroff, sugirió que es con los microtúbulos que subyacen a la estructura de los centriolos que se asocia el fenómeno más sorprendente de todo el universo: la conciencia.

Esta idea surgió de Hameroff debido a que es anestesista de profesión. Un buen día descubrió que algunas sustancias que se utilizan en la anestesia (narcosis) modifican la estructura de los nanotubos encerrados en las prolongaciones de las células nerviosas (axones y dendritas).

El pensamiento de Hameroff se desarrolló más o menos así: la anestesia es una forma de desconectar la conciencia. La conciencia desconectada corresponde a microtúbulos alterados. Esto significa que los microtúbulos en su forma natural e inalterada son los portadores de la conciencia "encendida".

Es cierto que más tarde resultó que no todas las sustancias anestésicas tienen un efecto tan notable en los microtúbulos. Pero el científico, sin embargo, siguió desarrollando su teoría y finalmente publicó un libro en el que argumentaba que los microtúbulos son el aparato para calcular e integrar información en el cerebro. Si la hipótesis de Hameroff es correcta, resulta que entre los nanorobots no solo hay "químicos" y "reparadores", sino también nanocomputadoras. Existe otra hipótesis basada en el hecho de que el enlace de hidrógeno es una celda ideal para qubit(bit cuántico - unidades de computación cuántica) - en él, el protón puede ubicarse en uno u otro "bien" de energía, haciendo "saltos cuánticos" entre ellos. Desde estas posiciones, nuestra propia conciencia está determinada por la totalidad de las operaciones de las nanocomputadoras.

Aunque otros científicos no están de acuerdo con un enfoque tan mecanicista, no solo de la conciencia humana, sino también del trabajo de una célula viva. La refutación o prueba de esta hipótesis es tarea de la ciencia del futuro, quizás no tan lejano.

Infusoria-shoe, el alma de la célula y los algoritmos informáticos

El trabajo conjunto y coordinado con precisión de millones de nanorobots crea ese fenómeno único que llamamos "vida". ¿Es posible reproducir un sistema así de forma artificial? El artista Yevgeny Podkolzin describió en broma las acciones de los nanorobots en una célula (Fig. 7).

Figura 7. El trabajo de los nanorobots en una célula.
Para ver la imagen en tamaño completo, haga clic en ella.

dibujo de Evgeny Podkolzin

La creación de un ser vivo en un tubo de ensayo es un viejo sueño de alquimistas. En literatura, la imagen de tal soñador fue creada por Goethe en Fausto. En el siglo XIX hubo intentos, ingenuos desde un punto de vista moderno, de crear una "célula artificial". Hoy en día, con el anuncio de la creación de una célula viva artificial (a la que incluso se le dio un nombre: Cynthia, cinthia en latín) fue impartido por Craig Venter - CEO y Firmas longevidad humana inc.. Participó con éxito en el programa "Genoma humano", planteó y resolvió el problema de crear ADN artificial. En 2010, introdujo un genoma artificial que creó en un organismo unicelular. Mycoplasma mycoides- y este genoma, como era de esperar, funcionó, produciendo las proteínas necesarias.

Pero la afirmación de que logró crear una célula viva es una clara exageración. Este trabajo puede compararse con la creación de un programa para una computadora, pero no con la creación de la computadora misma. El ADN es solo un programa, y ​​si los millones de nanorobots recibidos por la célula “por herencia” no funcionaran en el micoplasma, el programa quedaría como un texto que nadie sería capaz de leer.

Pero a pesar de los éxitos y fracasos de Venter, el estudio de los nanorobots de células vivas y cómo funcionan abre posibilidades completamente nuevas para la nanotecnología. En la década de 1960, surgió bionica- "la ciencia de usar prototipos biológicos para encontrar nuevas soluciones técnicas". En pleno siglo XXI, la ciencia ya busca ideas para crear nuevos dispositivos nanotecnológicos en una célula viva. Esto es lo que está haciendo la nueva ciencia del siglo XXI: nanobiónica.

La creación de nanorobots reales y el uso de sus prototipos biológicos ayudará a resolver problemas en las áreas más inesperadas, desde la medicina hasta la ecología y lo que solía llamarse cibernética, y ahora tecnología de la información. Ya han aparecido dispositivos de almacenamiento de información basados ​​en el fármaco Biochrom, utilizando la capacidad de una proteína fotosensible bacteriorrodopsina cambiar su conformación (disposición espacial de los átomos) al absorber un cuanto de luz. Se ha inventado una técnica revolucionaria que permite detectar incluso una (!) molécula de ARN en una muestra de aire o líquido, que puede estar asociada con una infección.

La investigación en el campo de la nanobiónica dará nueva vida a la dirección científica más interesante: citoetología, la ciencia del comportamiento celular, que se basa en la interacción coordinada de nanorobots celulares. El biólogo Vladimir Alexandrov (Fig. 8) escribió sobre la necesidad de desarrollar investigaciones en el campo de la citoetología, quien publicó en 1970 el artículo “ El problema del comportamiento a nivel celular - citoetología» . En él, en la era del “materialismo dialéctico” se atrevía a declarar: “ Los orgánulos celulares y las propias células tienen su propia alma pequeña, pero.».

De hecho, el comportamiento de los nanorobots y las células vivas nos hace pensar en su diferencia fundamental con los sistemas técnicos estándar. Parece increíble, pero quizás es en este nivel que surge la propiedad de los sistemas vivos, que a nivel del organismo (especialmente brillante - en los humanos) se llama "libre albedrío". Este es un problema muy profundo en la intersección de la biofísica, la mecánica cuántica, la filosofía y la teología. Si comparamos una célula viva con una computadora, vale la pena considerar si esta computadora es cuántica.

El primer científico famoso que propuso un modelo de computadora cuántica fue Richard Feynman, el mismo físico que, en su tiempo libre de su trabajo principal, examinó un zapato ciliado a través de un microscopio, y el ruso expresó la idea de la computación cuántica. físico Yuri Manin un año antes que Feynman.

Aún no se ha creado una computadora cuántica completa, aunque ya se han escrito los primeros modelos operativos y programas para tales computadoras. La principal diferencia entre una computadora cuántica y una ordinaria será el trabajo sobre los principios de la mecánica no clásica, sino cuántica. Como es sabido, la mecánica cuántica admite tales estados de la materia que, trasladados a nuestro mundo, parecerían milagrosos (por ejemplo, la presencia simultánea de una partícula en dos lugares distintos). Tales efectos cuánticos formarán la base de los algoritmos de software para las nuevas computadoras. Y esto permitirá resolver tales problemas que las "máquinas calculadoras" de hoy nunca soñaron. Un "cerebro" cuántico podrá por primera vez igualar la complejidad de los procesos que ocurren en la naturaleza viva, por ejemplo, en la misma célula viva.

Las máquinas actuales solo pueden trabajar con modelos, es decir, con imágenes simplificadas de la realidad. Para una computadora cuántica, la realidad biológica (y, por ejemplo, astronómica) será difícil por primera vez.

Curiosamente, fue la complejidad de los procesos biológicos lo que llevó a Feynman (y sus asociados) a la idea de una computadora cuántica. Es posible que la idea de crear una máquina así surgiera de sus observaciones del mismo paramecio.

Parece que se ha producido un círculo vicioso: los físicos consideran que las células vivas son computadoras cuánticas, cuyo funcionamiento solo se puede entender con la ayuda de la computación cuántica. La salida de este círculo es posible después de la creación de una computadora realmente poderosa basada en procesos cuánticos.

Hoy en día, estos dispositivos requieren un enfriamiento profundo y, en el mejor de los casos, pueden manejar unos pocos cientos de qubits. Además, los ingenieros aún no han descubierto cómo proteger el cerebro cuántico de las influencias electromagnéticas y de otro tipo, a las que la nueva computadora será mucho más sensible que las computadoras personales a las que estamos acostumbrados. Aparentemente, una célula viva guarda el secreto del procesamiento de la información cuántica con una cantidad mucho mayor de cálculos, al mismo tiempo que tiene una buena protección contra las influencias externas.

Descubrir y estudiar estos procesos es un reto para las nuevas generaciones de citólogos y biofísicos. ¡Les deseamos éxito!

Se está preparando una versión ampliada del artículo para su publicación en el almanaque "Quiero saberlo todo" (Editorial "Dom detskoj kniga", San Petersburgo). Los autoresexpresar agradecimiento al editor del almanaque Serguéi Ivanov para discusiones fructíferas, al artista Evgeny Podkolzin por las imágenes proporcionadas amablemente, y al editor alla nasonova- por permiso para usar material del almanaque en este artículo.

Literatura

1. Feynman RF "¡Por supuesto que está bromeando, Sr. Feynman!" M.: "Dinámica regular y caótica", 2001. - 87 p.;
2. Bauer ES Biología Teórica. M.-L.: editorial VIEM, 1935. - 150 p.;
3. Cuento-cómic sobre la gran batalla entre los radicales y los antioxidantes;. Motores proteicos: al servicio del hombre y la nanotecnología;
4. Toda la teoría se ha ido por el desagüe. (2012). "Lenta.Ru";
5. Rezhabek B.G. (1998). Desarrollo y estado actual de las ideas sobre amplificadores biológicos. Conferencia en memoria de P.G. Kuznetsova;
6. Con un genoma ligero: ¿cuánto es el tamaño mínimo de un genoma bacteriano? ;
7. Kogan AB, Naumov N.P., Rezhabek V.G., Chorayan O.G. Cibernética Biológica. M .: "Escuela Superior", 1972. - 382 p .;
8. Aleksandrov V. Ya. Comportamiento de las Células y Estructuras Intracelulares. M .: "Conocimiento", 1975. - 64 p ..

La mayoría de los historiadores acreditan al físico Richard Feynman y su discurso de 1959, "Allí abajo hay mucho espacio", como el creador del término. En su discurso, Feynman imaginó un día en que las máquinas podrían ser tan reducidas y tanta información codificada en espacios diminutos, que a partir de ese día comenzarían avances tecnológicos absolutamente increíbles.

Pero fue el libro de Eric Drexler Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology el que realmente rompió esta idea. Drexler introdujo la idea de las nanomáquinas autorreplicantes: máquinas que construyen otras máquinas.

Dado que estas máquinas son programables, se pueden usar para construir no solo más máquinas de este tipo, sino lo que quieras. Y debido a que esta construcción ocurre a nivel atómico, estos nanorobots pueden separar cualquier tipo de material (suelo, agua, aire, lo que sea) átomo por átomo y ensamblar cualquier cosa a partir de él.

Drexler ha pintado una imagen de un mundo donde toda la Biblioteca del Congreso puede caber en un chip del tamaño de un terrón de azúcar y donde los depuradores ambientales limpian los contaminantes directamente del aire.

Pero antes de explorar las posibilidades de la nanotecnología, aprendamos los conceptos básicos.

Qué " "?

La nanotecnología es ciencia, ingeniería y tecnología llevada a cabo a escala nanométrica, que se encuentra entre 1 y 100 nanómetros. De hecho, se trata de la manipulación y control de materiales a nivel atómico y molecular.

Para que lo entiendas, imaginemos lo que es un nanómetro:

• La razón de la Tierra al cubo de los niños es aproximadamente la razón de un metro a un nanómetro.
• Esto es un millón de veces menos que la longitud de una hormiga.
• El grosor de una hoja de papel es de aproximadamente 100.000 nanómetros.
• El diámetro de un glóbulo rojo es de 7000-8000 nanómetros.
• El diámetro de la cadena de ADN es de 2,5 nanómetros.

Un nanorobot es una máquina que puede construir y manipular cosas con precisión y a nivel atómico. Imagine un robot que pueda manipular átomos como un niño puede manipular ladrillos LEGO, construyendo cualquier cosa a partir de los bloques de construcción atómicos básicos (C, N, H, O, P, Fe, Ni, etc.). Si bien algunas personas descartan el futuro de los nanobots como ciencia ficción, debe comprender que cada uno de nosotros está vivo hoy gracias a innumerables operaciones de nanobots en nuestros trillones de células. Les damos nombres biológicos como "ribosomas", pero en esencia son máquinas programadas con una función.

También vale la pena hacer una distinción entre nanotecnologías "húmedas" o "biológicas", que utilizan el ADN y las máquinas de la vida para crear estructuras únicas a partir de proteínas o ADN (como material de construcción), y nanotecnologías más drexlerianas, que implican la construcción de un "ensamblador" o una máquina que se dedica a la impresión 3D con átomos a nanoescala para crear de manera eficiente cualquier estructura termodinámicamente estable.

Echemos un vistazo a varios tipos de nanotecnología con los que los investigadores están luchando.

Varios tipos de nanorobots y aplicaciones.

En general, hay muchos nanorobots. Éstos son sólo algunos de ellos.

• Los motores más pequeños posibles. Un grupo de físicos de la Universidad de Mainz en Alemania construyó recientemente el motor de un solo átomo más pequeño de la historia. Como cualquier otro, este motor convierte la energía térmica en movimiento, pero lo hace en la escala más pequeña. El átomo queda atrapado en un cono de energía electromagnética y los láseres lo calientan y lo enfrían, lo que hace que el átomo del cono se mueva de un lado a otro como el pistón de un motor.
• Nanomáquinas de ADN en movimiento 3D. Los ingenieros mecánicos de la Universidad Estatal de Ohio han diseñado y construido piezas mecánicas complejas a nanoescala utilizando "origami de ADN", lo que demuestra que los mismos principios básicos de diseño que se aplican a las máquinas de tamaño completo se pueden aplicar al ADN y pueden producir componentes complejos y controlados para futuros nanorobots.
• Nanoaletas. Científicos de ETH Zurich y Technion han desarrollado una "nanofina" elástica en forma de nanocable de polipirrol (Ppy), de 15 micrómetros (millonésimas de metro) de largo y 200 nanómetros de espesor, que puede moverse a través de un fluido biológico a una velocidad de 15 micrómetros por segundo. Las nanoaletas se pueden adaptar para administrar medicamentos y usar imanes para guiarlos a través del torrente sanguíneo para atacar las células cancerosas, por ejemplo.
• Nanoimpulsor de hormiga. Científicos de la Universidad de Cambridge han desarrollado un diminuto motor capaz de ejercer 100 veces su propio peso sobre cualquier músculo. Los nuevos nanomotores podrían dar lugar a nanorobots lo suficientemente pequeños como para penetrar en las células vivas y combatir enfermedades, dicen los científicos. El profesor Jeremy Baumberg del Laboratorio Cavendish, quien dirigió el estudio, llamó al dispositivo una "hormiga". Como una hormiga real, puede ejercer una fuerza muchas veces superior a su propio peso.
• Microrobots por tipo de espermatozoides. Un equipo de científicos de la Universidad de Twente (Países Bajos) y la Universidad Alemana de El Cairo (Egipto) ha desarrollado microrobots similares a espermatozoides que pueden controlarse mediante campos magnéticos débiles oscilantes. Podrían usarse para micromanipulación compleja y tareas terapéuticas específicas.
• Robots basados ​​en bacterias. Los ingenieros de la Universidad de Drexel han desarrollado una forma de usar campos eléctricos para ayudar a los robots microscópicos alimentados por bacterias a detectar y sortear obstáculos. Las aplicaciones incluyen la administración de fármacos, la manipulación de células madre para dirigir su crecimiento o la construcción de microestructuras.
• nanocohetes. Varios equipos de investigadores han construido recientemente una versión de control remoto de alta velocidad de cohetes a nanoescala mediante la combinación de nanopartículas con moléculas biológicas. Los científicos esperan desarrollar un cohete capaz de operar en cualquier entorno; por ejemplo, para administrar un fármaco en un área objetivo del cuerpo.

Las principales áreas de aplicación de las nano y micromáquinas.

Las posibilidades de utilizar tales nano y micromáquinas son casi ilimitadas. Por ejemplo:

• Tratamiento para el cáncer. Detecte y destruya las células cancerosas con mayor precisión y eficiencia.
• Mecanismo de entrega de fármacos.. Construir mecanismos de administración de medicamentos dirigidos para controlar y prevenir enfermedades.
• imagenes medicas. La creación de nanopartículas que se ensamblan en tejidos específicos y luego escanean el cuerpo en un proceso de resonancia magnética podría revelar problemas como la diabetes.
• Nuevos dispositivos de detección. Con posibilidades virtualmente ilimitadas para personalizar las características de sondeo y escaneo de los nanorobots, podríamos descubrir nuestros cuerpos y medir el mundo que nos rodea de manera más efectiva.
• Dispositivos de almacenamiento de información. Un bioingeniero y genetista del Instituto Wyss de Harvard ha almacenado con éxito 5,5 petabits de datos (alrededor de 700 terabytes) en un solo gramo de ADN, superando mil veces el récord anterior de densidad de datos de ADN.
• Nuevos sistemas de energía. Los nanorobots pueden desempeñar un papel en el desarrollo de un sistema de energía renovable más eficiente. O podrían hacer que nuestras máquinas modernas sean más eficientes energéticamente de tal manera que necesiten menos energía para funcionar con la misma eficiencia que antes.
• Metamateriales ultrarresistentes. Se está investigando mucho en el campo de los metamateriales. Un equipo del Instituto de Tecnología de California ha desarrollado un nuevo tipo de material, compuesto por puntales nanométricos similares a los de la Torre Eiffel, que es uno de los más resistentes y ligeros de la historia.
• Ventanas y paredes inteligentes. Los dispositivos electrocrómicos que cambian de color dinámicamente cuando se aplica un potencial están siendo ampliamente estudiados para su uso en ventanas inteligentes de bajo consumo, que podrían mantener la temperatura interna de una habitación, la autolimpieza y más.
• Microesponjas para limpiar los océanos. Una esponja de nanotubos de carbono capaz de absorber contaminantes del agua como fertilizantes, pesticidas y productos farmacéuticos es tres veces más eficaz que las opciones anteriores.
• replicadores. También conocidos como "ensambladores moleculares", estos dispositivos propuestos pueden llevar a cabo reacciones químicas organizando moléculas reactivas con precisión atómica.
• Sensores de salud. Estos sensores podrían monitorizar nuestra química sanguínea, avisarnos de todo lo que ocurre, detectar comida chatarra o inflamaciones en el organismo, etc.
• Conectando nuestros cerebros a Internet. Ray Kurzweil cree que los nanorobots nos permitirán conectar nuestro sistema nervioso biológico a la nube en 2030.

Como puedes ver, esto es solo el comienzo. Las posibilidades son casi infinitas.

La nanotecnología tiene el potencial de resolver los mayores problemas que enfrenta el mundo hoy en día. Podrían mejorar la productividad humana, proporcionarnos todos los materiales, agua, energía y alimentos que necesitamos, protegernos de bacterias y virus desconocidos e incluso reducir el número de motivos para perturbar la paz.

Si eso no es suficiente, el mercado de la nanotecnología es enorme. Para 2020, la industria mundial de la nanotecnología crecerá hasta alcanzar un mercado de 75 800 millones de dólares.

Otras definiciones describen un nanorobot como una máquina capaz de interactuar con precisión con objetos a nanoescala o capaz de manipular objetos a nanoescala. Como resultado, incluso los dispositivos grandes, como un microscopio de fuerza atómica, pueden considerarse nanorobots, ya que manipulan objetos a nanoescala. Además, incluso los robots ordinarios que pueden moverse con precisión a nanoescala pueden considerarse nanorobots.

Nivel de tecnología

En este momento (2009), los nanorobots se encuentran en la etapa de investigación de creación. Algunos científicos afirman que ya se han creado algunos componentes de nanorobots. Varias conferencias científicas internacionales están dedicadas al desarrollo de componentes de nanodispositivos y directamente a los nanorobots.

Ya se han creado algunos prototipos primitivos de máquinas moleculares. Por ejemplo, un sensor que tenga un interruptor de aproximadamente 1,5 nm capaz de contar moléculas individuales en muestras químicas. Recientemente, la Universidad de Rice demostró nanodispositivos para su uso en la regulación de los procesos químicos en los automóviles modernos.

Uno de los prototipos de nanorobots más complejos es la "caja de ADN", creada a finales de 2008 por un equipo internacional dirigido por Jörgen Kjems. El dispositivo tiene una parte móvil controlada mediante la adición de fragmentos de ADN específicos al medio. Según Kyems, el dispositivo puede funcionar como una "computadora de ADN", ya que es posible implementar puertas lógicas sobre su base. Una característica importante del dispositivo es su método de ensamblaje, el llamado origami de ADN, gracias al cual el dispositivo se ensambla automáticamente.

Teoría de los nanorobots

Dado que los nanorobots son de tamaño microscópico, probablemente necesitarán muchos de ellos para trabajar juntos en la resolución de problemas microscópicos y macroscópicos. Consideran bandadas de nanorobots que no son capaces de replicarse (la llamada "niebla de servicio") y que son capaces de autorreplicarse en el entorno ("goo gris" y otras opciones). Los nanobots se describen ampliamente en la ciencia ficción, ya que en la película Terminator 2: Judgment Day, el robot T-1000 demuestra claramente el uso potencial de los nanorobots en equipos militares. Además de la palabra "nanorobot", también se utilizan las expresiones "nanite", "nanogen" y "nanomant", sin embargo, la versión original sigue siendo el término técnicamente correcto en el contexto de una investigación de ingeniería seria.

Algunos defensores de los nanorobots, en respuesta al escenario de la "sustancia gris", opinan que los nanorobots solo son capaces de replicarse en un número limitado y en un espacio determinado de una nanofábrica. Además, aún no se ha desarrollado un proceso de autorreplicación que haga que esta nanotecnología sea segura. Además, la autorreplicación libre de robots es un proceso hipotético y ni siquiera está contemplado en los planes de investigación actuales.

motor molecular

Sin embargo, hay planes para crear nanorobots médicos que se inyectarán en un paciente y desempeñarán el papel de comunicación inalámbrica a nanoescala. Dichos nanorobots no se pueden producir mediante la autocopia, ya que esto probablemente introduciría errores de copia que podrían reducir la confiabilidad del nanodispositivo y alterar el desempeño de las tareas médicas. En cambio, se planea fabricar nanorobots en nanofábricas médicas especializadas.

hélice molecular

En relación con el desarrollo de la dirección de la investigación científica de los nanorobots, los problemas de su diseño específico ahora son más agudos, como la detección, las conexiones de fuerza entre moléculas, la navegación, las herramientas de manipulación, los aparatos de propulsión, los motores moleculares y una computadora de a bordo. diseñado para resolver problemas médicos. Aunque la mayoría de estas tareas aún no han sido resueltas y faltan propuestas de ingeniería detallada, se ha establecido la Nanofactory Development Collaboration, fundada por Robert Freitas y Ralph Merkle en 2000, y está enfocada en desarrollar un programa de investigación práctica que apunta a crear un nanofactoría mecanosintética de diamantes, que será capaz de producir nanorobots médicos basados ​​en compuestos de diamante.

Alcance potencial

La primera aplicación útil de las nanomáquinas, en caso de que aparezcan, está prevista en la tecnología médica, donde pueden utilizarse para identificar y destruir células cancerosas. También pueden detectar sustancias químicas tóxicas en el medio ambiente y medir sus niveles.

Nanobots en la cultura popular

La idea de los nanorobots es muy utilizada en la ciencia ficción moderna.

• Nanobots se dedica a la composición del mismo nombre (Nanobots) del grupo Re-zone
• La trama de los juegos Deus Ex y Deus Ex: Invisible War se basa en el uso generalizado de nanorobots en el futuro

ver también

Enlaces

• Nanorobots: ¿futuro triunfo o tragedia para la humanidad?

notas

Fundación Wikimedia. 2010 .

Sinónimos:

Vea qué es "Nanobot" en otros diccionarios:

Exist., número de sinónimos: 1 nanorobot (2) Diccionario de sinónimos ASIS. VN Trishin. 2013... Diccionario de sinónimos

nanobot- Robot nanotecnológico nanomáquina (nanite), cuyas dimensiones se miden en nanómetros Temas de biotecnología ES nanobot … Manual del traductor técnico

nanobot- Nanobot Nanobot (nanobot) Dispositivo a nanoescala controlado por software, creado mediante tecnología molecular y con suficiente autonomía. Estos hipotéticos dispositivos que miden en unidades y decenas de nanómetros pueden... ... Diccionario explicativo inglés-ruso de nanotecnología. - m

Los nanorobots son robots cuyo tamaño es comparable al tamaño de una molécula. Tienen las funciones de movimiento, procesamiento y transmisión de información, ejecución de programas, y en algunos casos la posibilidad de autorreproducción.

Por primera vez, el científico estadounidense Kim Eric Drexler, a quien se le llama el "padre de la nanotecnología", habló abiertamente sobre la creación de nanorobots. El científico consideró la idea de crear nanorobots en su libro Machines of Creation. Aquí presentó un escenario hipotético para revivir personas crionizadas. Este es el primer teórico de la creación de nanorobots moleculares y el concepto de "goo gris". Drexler participó en la investigación de la NASA sobre asentamientos espaciales en 1975 y 1976. Desarrolló paneles solares de alta eficiencia basados ​​en nanotecnología y también participó activamente en la política espacial.

En 2010, se demostraron por primera vez nanorobots basados ​​en ADN capaces de moverse por el espacio. Y antes de ese momento, la investigación secreta se llevó a cabo constantemente en esta industria.

¿Por qué se crean los nanorobots? Según datos oficiales, pueden brindar una ayuda invaluable en medicina. Está previsto que estos robots microscópicos se inyecten en el paciente y desempeñen la función de comunicación inalámbrica y una serie de otras tareas a nanoescala.

Se alega que hasta ahora los nanorobots no han sido probados en humanos, sin embargo, en los últimos 10 a 20 años, hay hechos de que los nanorobots ya están en el cuerpo de muchas personas en todo el mundo, salen directamente de la piel humana, destruyen células internas humanas, interrumpen el funcionamiento de todos los sistemas del cuerpo.

Varios investigadores voluntarios en el campo han comparado fotografías de algunos de los nanobots que aparecen en publicaciones científicas y fotografías ampliadas con nanobots extraídos de cuerpos humanos. Las fotos se presentan a continuación.

El fondo general es una foto de un nanorobot extraído del cuerpo de un estadounidense que lleva 13 años observando cómo su cuerpo va siendo destruido poco a poco por criaturas incomprensibles, claramente milagrosas. A la derecha, una foto de un nanorobot de la revista científica "Advanced Materials".

Pregunta: ¿De dónde vienen en el cuerpo humano los nanorobots idénticos a los presentados en una revista científica?

Y lo peor es que cada vez hay más pacientes de este tipo en todo el mundo. Nadie da una explicación a esto. La investigación no está en curso. Científicos y médicos que intentan hacer investigaciones mueren en circunstancias misteriosas. Lo único que lograron averiguar algunos médicos al analizar estos nanorobots que se encuentran en el cuerpo de las personas es que están compuestos principalmente de silicona y atraen hacia sí muchos otros patógenos.

¿La humanidad todavía necesita nanorobots? Para qué fueron creados realmente, solo los iniciados lo saben.

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