Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Реферат - Нанороботы в медицине - файл 1.docx


Реферат - Нанороботы в медицине
скачать (408.7 kb.)

Доступные файлы (1):

1.docx409kb.04.12.2011 04:24скачать

содержание

1.docx

Оглавление
Введение……………………………………………………………………..……….3
  1. Виртуальная 3D реальность для медицинских нанороботов……………..5


  2. Медицинский наноробот общего применения………………………………….12

Заключение…………………………………………………………………….……19

Список литературы………………………………………………………….……..20


Введение
В ближайшие несколько десятилетий в производственной, биологической и медицинской сферах должна произойти революция. Причем довольно необычная, по современным обывательским меркам. Мы очень глубоко проникли в технологии. Ведь даже если говорить о сегодняшней ситуации - мы не видим, как течет электрический ток, но уже описали это явление множеством законов. Теперь ученые проникли гораздо глубже и добрались до нано-мира (одна милионная доля миллиметра). При этом точно также как применяется слово "робот" практически ко всему, что делается в современной технике, так и понятие "нанотехнологии" весьма размывчато.

Умы многих ученых мира заняты проектированием нано-роботов - устройств, которые смогут производить действия на атомном и молекулярном уровнях. Это дает очень большие перспективы.

Например, если будет изобретен робот-конструктор, способный на атомном уровне контролировать молекулы и производить новые материалы (например, делать воду или кислород), то мы сможем поставить любой производственный процесс на нано-уровень.

Нано-роботы-конструкторы интересны и для других сфер народного хозяйства, так как смогут производить продукты питания, топливо и прочие необходимые атрибуты для жизнедеятельности человека. Не стоит забывать и о том, что нано-роботы смогут и самовоспроизводиться, точно также, как и сейчас - у нас машины собирают другие машины. При этом человек пока не видит в этом опасности.



С точки зрения медицины, в большинстве случаев говорят о нано-роботах - дестракторах (уничтожителях). Если запустить таковых в человеческое тело и запрограммировать определенным способом, то можно без труда выделять и уничтожать вирусы и другие ненужные элементы. Таким образом, появляются мысли о том, что человек может стать бессмертным.

Нано-роботы-уничтожители интересны для экологов, которые видят за внедрением этих технологий возможности устранения неприятных последствий жизнедеятельности человека. Вот что нам могут дать нано-технологии. А так ли все это на самом деле?

^ Теория "разумной" среды обитания

В принципе, это то, что вытекает из вышеописанного. С помощью нано-роботов человек сможет настроить окружающую среду максимально комфортно для своего существования. Она будет предназначена только для его обслуживания. При этом управлением большинством таких нано-роботов будет заниматься какой-либо аналог компьютера. И здесь есть три точки зрения:

  1. Это будет новый тип разума, а человек отойдет на второй план. Хотя, такая точка зрения достаточно спорна. Не так давно всемирным разумом называли интернет, хотя он стал ни чем иным как большим хранилищем данных.

  2. Так как нано-роботы смогут самовоспроизводиться, то это может повлечь за собой ряд проблем, особенно если произойдут сбои в программах.

  3. Разработав такую глобальную систему, человек сможет более эффективно покорять космос и завоевывать новые пространства. Представьте себе вариант, когда на какую-либо планету "высаживаются" миллиарды запрограммированных нано-роботов. 

  4. Одни отвечают за строительство, другие - за промышленность, а третьи - за адаптацию атмосферы.

Что самое интересное, третий вариант развития очень редко предусматривался даже в сфере научной фантастики.

  1. ^

    Виртуальная 3D реальность для медицинских нанороботов



Какой человек не хотел бы жить если не вечно, то хотя бы достаточно долго – хотя бы лет 150-200, не впадая при этом в старческий маразм. Что, нет таких? Разумеется, нет, за вычетом сумасшедших, фанатиков и склонных к суициду, все люди не прочь продлить свою жизнь или хотя бы провести пенсионные годы без склероза, в здравом уме и памяти.

В данном реферате рассмотрим один из прикладных аспектов - применение нанороботов в медицине, или, в наномедицине. За последний десяток лет следует отметить значительный прогресс в миниатюризации медицинской техники: наряду с углублением теоретических исследований появилось достаточное количество практических разработок нанороботов, способных функционировать в качестве автономных и управляемых на расстоянии сенсоров, источников энергии, сборщиков и передатчиков собранной информации об организме человека.

И всё же наибольший практический эффект от применения нанороботов в медицине может иметь место к тому времени, когда учёные смогут создать сверхминиатюрные устройства размерами в несколько микрон – как их иногда называют, "молекулярные машины ", которые смогут свободно перемещаться внутри наших артерий, производя при этом диагностику и даже "ремонт" организма изнутри.

На практике создание микроскопических медицинских нанороботов сталкивается с множеством проблем, главной из которых порой оказывается 

даже не миниатюризация. Среди наиболее серьёзных можно выделить проблемы перемещения нанороботов по организму; вопросы идентификации нанороботами областей организма, за которыми требуется наблюдать или на которые требуется воздействие; наконец, набор действий наноробота в отношении организма, например, локальный впрыск лекарства, механическое воздействие и т.п.

В настоящее время разработка и производство медицинских "роботов-микроорганизмов" находится в зачаточном состоянии, однако учёные не сидят сложа руки и разрабатывают если не самих нанороботов, то хотя бы средства и инструменты, способные помочь им в этом непростом деле.
Рис.1. Схематичное изображение наноробота.

Группа учёных – Адриано Кавальканти (Adriano Cavalcanti), Биджан Ширинзаде (Bijan Shirinzadeh), Роберт Фрейтас (Robert Freitas, Jr.) и Тэг Хогг (Tad Hogg), из исследовательских групп Center for Automation in Nanobiotech и Robotics and Mechatronics Research Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Monash University (Мельбурн, Австралия), а также Institute for Molecular Manufacturing и Hewlett-Packard Laboratories (Калифорния, США), 

представили 3D систему для моделирования и проектирования медицинских нанороботов.

Фактически, учёными впервые была разработана виртуальная реальность, получившая название ^ NCD (Nanorobot Control Design), которая может применяться для изучения поведения виртуальных нанороботов, их взаимодействия с виртуальными биомолекулами, в виртуальных же артериях. На практике подобные системы 3D моделирования уже применялись - при разработке полупроводниковых наноструктур, при этом, применялись весьма успешно. Хотя, в наше время приставка "нано-" в отношении полупроводников становится явным излишеством – в то время как наиболее ходовыми техпроцессами становятся 65 нм и 45 нм, как-то излишне становится говорить про нанометры, т.к. масло масляное получается.

Так вот, виртуальная реальность в виде программного пакета NCD представляет собой систему тестирования трёхмерных прототипов медицинских нанороботов - механотронический симулятор нано-уровня (nanomechatronics), благодаря которому обрабатывается численная информация о физике процесса моделирования нанороботов. Кстати, механотроника (mechanotronics), или мехатроника (mechatronics) - слово японского происхождения и означает отрасль на стыке механики и электротехники, или, проще говоря, объединение механического устройства с миникомпьютером.

На практике платформа NCD позволяет визуально представить те процессы, которые происходят с нанороботом внутри человеческого тела. Правильная постановка задачи – как известно, половина дела. Благодаря использованию платформы NCD учёные надеются значительно ускорить процесс разработки и практического внедрения медицинских нанороботов. И на этом этапе как раз обнаруживаются все выше перечисленные сложности. К примеру, для медицинского наноробота одной из наиболее сложных задач является маневрирование в непосредственной близости от биомолекулы для 

идентификации типа этой биомолекулы – всё это в кровяной среде, где перемещается множество самых различных частиц, в самых непредсказуемых направлениях и с различной скоростью.

Рис.2. Схема строения сосуда с движущимся нанороботом.
Также не стоит забывать, что речь идёт о перемещениях в достаточно вязкой артериальной среде, где нанороботы постоянно "натыкаются" на белки и самые непредсказуемые частицы, перемещаемые общим током крови. Наконец, главное: представьте себе, что речь идёт не о какой-то магистральной трубе диаметром 2 метра, обсчёт турбулентностей в которой тоже, по большому счёту, непростая задачка; тут же разговор о "трубках" диаметром порядка 40 мкм!

Практическая демонстрация программного пакета NCD в режиме реального времени позволяет, к примеру, моделировать поведение наноробота, перед которым поставлена задача поиска белков в динамичной виртуальной среде с последующей идентификацией и переноса этих белков к специфическому "пункту выдачи лекарства". Что интересно отметить, даже на этом этапе разработки учёные имеют возможность задать несколько стратегий "поведения" наноробота и изучить каждую из них на предмет лучшей эффективности. Так, для выполнения задачи нанороботы могут использовать совершенно разные комплекты химических и температурных датчиков, а также разные траектории движения.
Рис.3. Наноробот идентифицирует белок.
Для демонстрации возможностей системы учёные моделировали несколько различных начальных условий тестирования, где нанороботы задействовали несколько различных способов идентификации белков в кровяных сосудах с изменяющимся по ходу эксперимента диаметром. Виртуальные эксперименты уже подтвердили такие прогнозы, как, например, лучшие результаты работы нанороботов при поиске цели в более узких сосудах; высокую степень эффективности поисков при использовании 

химических и термических биосенсоров в сочетании с хаотической (блуждающей) моделью передвижения.
Рис.4. 3D схема движения нанороботов в кровяном сосуде.
По словам учёных, наряду с процессами поиска и идентификации, система виртуального моделирования позволяет успешно использовать ряд интерактивных инструментов для разработки нанороботов – таких как методики контроля и управления нанороботом, общая концепция производства, дизайн силового привода (двигателя) и многое другое. Поскольку для разных элементов человеческого организма требуется разработка соответствующих специфических нанороботов, учёным приходится эмулировать самые разные процессы. В настоящее время с помощью системы NCD проведены виртуальные исследования нанороботов для лапароскопической хирургии (предоперационные исследования брюшинной полости оптическими приборами), сахарной болезни (диабета), раковых заболеваний, аневризма мозга, кардиологии, биозащиты от боевых отравляющих веществ и систем доставки лекарственных форм непосредственно к участку их активного действия. На данном этапе исследований также изучаются побочные эффекты, возникающие при применении химиотерапии для лечения болезни Альцгеймера.


Рис.5. Схема доставки нанороботов к участку их активного действия.
По словам участников проекта, успеха в разработке столь сложной виртуальной системы для моделирования поведения биологических нанороботов удалось добиться лишь благодаря взаимодействию специалистов в самых разных областях наук и технологий. Наряду с химиками, электронщиками, программистами, физиками, механиками, специалистами по фотонике и разработке новых материалов, к работе были привлечены лучшие фармацевты и медики. На следующих этапах также предполагается привлечение к работам специалистов по геномике (genomics) – отрасли молекулярной генетики, изучающей геномы.

Что касается наиболее ответственного момента таких предприятий – коммерциализации и последующего извлечения прибыли из системы трёхмерного моделирования поведения медицинских биороботов, на этот счёт учёные совершенно спокойны и уверены в успехе. Будет много заказчиков среди медицинских и фармацевтических предприятий, а в военной отрасли особенно.


2. Медицинский наноробот общего применения
Но! Когда же, на свет появятся эти самые нанороботы, которых пока что только "виртуализируют"? И есть ли хоть какая-то практическая отдача от таких исследований в настоящее время, а не на дальнюю перспективу? Есть, в настоящее время создан прототип медицинского наноробота общего применения.

Рис.6. Общий вид медицинского наноробота общего применения.
Какие подсистемы должен иметь наноробот?

  • Так как основная функция наноробота – передвижение по кровеносной системе человека, то он должен иметь мощную навигационную систему.

  • Устройству необходимо иметь несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации, коммуникации и работы с отдельными молекулами.

  • 

  • Также нанороботу необходима мощная транспортная система, доставляющая отдельные атомы и молекулы от хранилищ к наноманипуляторам, и обратно.

  • Для работы с пораженными структурами устройство будет оборудовано набором телескопических наноманипуляторов разного применения.

  • Материал, из которого будет изготовлен наноробот – алмазоид или сапфироид. Это обеспечит биосовместимость человека и большого количества наномашин.

  • Также необходимо наличие приемо – передаточных устройств, позволяющих нанороботам связываться друг с другом.

  • И наконец, для удержания крупных объектов необходимы телескопические захваты.

На основании выдвинутых требований я постарался построить модель медицинского наноробота общего применения. В идеальном случае, это устройство будет способно «ремонтировать» поврежденные клетки, ткани; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды; производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой; уничтожать бактерии, вирусы, и т.п. В соответствии с, максимальный размер устройства не должен превышать 1×1×3 микрона (без двигательных жгутиков). Ниже на картинке представлен вид наноробота, выполненного из алмазоида (рис. 7, 8).


Рис. 7. Медицинский наноробот общего применения из алмаза
Рис. 8. Объяснение его структуры


Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека, не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому приемно-передающие антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса. Наноманипуляторы, механические захваты и жгутики должны быть телескопическими и при необходимости должны складываться в корпус робота для того, чтобы робот смог лучше передвигаться в кровеносном русле. Иммунная система в основном реагирует на «чужеродные» поверхности. Размер наноробота также играет важную роль при этом, так же как и мобильность устройства, шероховатость поверхности и ее подвижность. Ряд проделанных экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие («организованное», т.е. нанесенное атом-за-атомом, с нанометровой гладкостью), будет иметь очень низкую биологическую активность. Благодаря очень высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной ее гидрофобности, внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна. Для такого наноробота, можно будет использовать нанокомпьютер, производящий ~106-109 операций в секунду для исполнения своей работы. Это на 4–7 порядков меньше вычислительной мощности человеческого мозга, составляющей ~1013 операций в секунду. Так что этот наноробот не будет обладать искусственным интеллектом.

Ниже мы рассмотрим отдельные подсистемы наноробота (рис. 9, 10, 11).


Рис. 9. Двигательная подсистема и подсистема заякоривания



Рис.10. Сенсорная и обрабатывающая подсистема

. Рис.11. Транспортная подсистема



Для работы с внутриклеточными структурами нанороботу вовсе не обязательно целиком проникать внутрь клетки (можно повредить внутриклеточный цитоскелет). Зато телескопические наноманипуляторы предотвратят повреждение органелл и цитоскелета. Ниже приведены рисунки, изображающие наноробота в кровеносной системе и наноробота, ремонтирующего клетку in vivo (рис. 12, 13).
Рис. 12. Нанороботы в кровеносной системе
Рис. 13. Наноробот ремонтирует клетку



Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной системы полезно будет использовать еще один тип нанороботов – коммунноцитов, которые будут работать в виде усилительных станций.
Заключение
Перспективы развития нанотехнологий с помощью нанотехнологий очень велики.

«Наномедицина» – это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас).

В настоящее время наномедицины пока не существует, есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине. Через несколько лет, когда уже, наконец, будет создан первый наноробот, знания накопленные наномедициной воплотятся в жизнь. А тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или избавитесь от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции в органах мы перейдем на операции на молекулах и таким образом стане «бессмертными».

И так, перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление.

Как я поняла в процессе написания своей работы, нанотехнология является той областью науки, которая подвергается жесточайшей критике, прежде чем вводит какие-либо новшества.

Ученые NASA говорят, что они успешно проводили испытания нанороботов на животных. Но вот о рисках ничего не говорят.

Я думаю, что возможные риски будут сопоставимы с перспективами. Каждый решает это сам для себя.

^ Список литературы


  1. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/meditsinskii-nanorobot-obshchego-primeneniya


http://www.3dnews.ru/editorial/it_nanorobots/


Скачать файл (408.7 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации