Nanosistēmas - nākotne bez raizēm

 

Zinātniskajā fantastikā doma par mikroskopiskiem robotiņiem parādījās jau 20. gadsimta vidū, bet pirmais zinātnieks, kurš prognozēja, ka kādudien miniaturizācijas iespējas būs attīstījušās tiktāl, ka visdažādākās ierīces un materiāli varētu tikt izgatavoti no atomiem, bija Ričards Feinmens. Kas ir šīs teorijas pamatā, kā tā varētu attīstīties un kādi ir tās perspektīvākie risinājumi šobrīd?

 

Britu enciklopēdija - uz kniepadatas galviņas

Jau toreiz, tālajos 20. gadsimta 60. gados, kad R. Feinmens nāca klajā ar savu miniaturizācijas teoriju, bija izgudroti elektromotori mazā pirkstiņa naga lielumā. Bet Feinmens uzskatīja, ka tas nav nekas īpašs. Viņš prātoja, piemēram, par iespēju savietot lielās Britu enciklopēdijas 24 sējumu tekstus uz kniepadatas galviņas, kuras diametrs ir 1/16 collas (1,59 mm). Bet, ja uz tās var savietot Britu enciklopēdiju, kāpēc gan tādā pašā veidā nepārrakstīt arī visu pasaules bibliotēku nozīmīgākos sējumus - varbūt sanāktu savi 24 miljoni grāmatu. Tad visas pasaules bibliotēku vērtības būtu savāktas uz miljona kniepadatu galviņu un šī vērtīgā informācija satilptu trīs kvadrātjardu laukumā, kura vienu malu veidotu 1000 šādu galviņu. Tātad visas cilvēcei vitāli svarīgās informācijas kopas silīcija kopija, turklāt tradicionālā tekstā un ar attēliem, aizņemtu ne vairāk kā 35 lappuses no tās pašas Britu enciklopēdijas.

Bet kāpēc gan neiet vēl tālāk! Kāpēc mēģināt atveidot attēlus un visu informāciju tās tradicionālajā formā, ja varētu to darīt tikai informācijas saturu punktu un svītru kodos, kas apzīmē dažādus burtus. Katrs burts attēlots ar sešiem vai septiņiem informācijas bitiem, un šo informāciju varētu izvietot ne tikai uz kniepadatas virsmas, bet arī tās iekšpusē. Tas nozīmē, ka koda punktu varētu aizstāt ar mazītiņu metāla gabaliņu, bet svītru - ar kāda cita metāla gabaliņu (molekulu). Pieņemsim, ka informācijas bitam būtu vajadzīgs atomu kubs 5x5x5, t. i., 125 atomi. Gluži tāpat var aprēķināt, cik burtu ir enciklopēdijā, un, pieņemot, ka visi 24 miljoni sējumu ir tikpat biezi, varam iegūt arī kopējo atomu jeb bitu apjomu. Galu galā sanāk, ka visu informāciju, kuru cilvēki krājuši simtiem gadu, var ērti ievietot kubā, kura platums ir tikai divsimtā daļa no collas, t. i., vissīkākā puteklīša lielumā, ko vēl spēj saskatīt cilvēka acs.

 

 

Datoru miniaturizācija

Līdzīgi ir arī ar datoriem. Salīdzinājumā ar to senčiem – monstriem, kas aizpildīja veselas istabas, var uzskatīt, ka šobrīd pirmais solis uz miniaturizāciju ir sperts. Ričards Feinmens uzskatīja, ka tos varētu samazināt vēl krietni vairāk. Piemēram, viņaprāt, vadiem vajadzētu būt ne vairāk kā 10–100 atomu diametrā, bet mikroshēmas - dažus tūkstošus angstrēmu (1 angstrēms = 10^-10 m) pa diagonāli.

Vēl svarīgāk ir, kā, samazinot datora izmērus, vienlaikus padarīt to gudrāku. Tas faktiski nozīmē arī to, ka tiem jākļūst strukturāli sarežģītākiem, integrējot daudz vairāk elementu. Ja tajos būtu miljons reižu vairāk elementu, tie paši spētu izdarīt loģiskus slēdzienus un galu galā arī domāt. Tie paši spētu izvēlēties, piemēram, analīzes metodi, kura tiem (balstoties uz pašu pieredzi) šķiet labāka nekā tā, kuru norāda cilvēks.

Kā gan panākt šāda mēroga miniaturizāciju? Skaidrs, ka to nevar izdarīt ar tradicionālajām metodēm. Kādas ražošanas tehnoloģijas izvēlēties? Viena no iespējām, ko piedāvāja Ričards Feinmens, ir sakārtot materiālu atomus noteiktā kārtībā. Lai to panāktu, vispirms vajadzētu iztvaicēt vienu no materiāliem un pēc tam arī izolatoru. Nākamajā slānī vajadzētu iztvaicēt citu materiāla sastāvdaļu un citu izolatoru utt. Tā tas varētu turpināties, līdz izveidojas vajadzīgo elementu - indukcijas spoļu, kondensatoru, transformatoru u. c. - bloks visniecīgākajās dimensijās.

Tomēr ir kāda problēma, kuru, iespējams, varētu atrisināt tikai tālā nākotnē. Kā sakārtot atomus tieši tā, kā mēs vēlamies, protams, lai tie sasniegtu vēlamo mērķi, cits citam līdzās saglabājot katrs savu ķīmisko stabilitāti? Un galu galā - kādas būs materiālu īpašības, vai tās mainītos, ja tiešām varētu sakārtot atomus tā, kā vēlamies?

Aplūkosim, piemēram, materiālu, no kura tiek gatavotas miniatūras indukcijas spoles un kondensatori - 1 000 vai 10 000 angstrēmu katrā shēmā, cieši blakus cits citam, ar mazām anteniņām katra elementa galā. Vai ir iespējams, piemēram, izstarot gaismu no visām antenām, līdzīgi kā tiek izstaroti radioviļņi, lai raidītu radioprogrammas visai Eiropai? Ko varētu panākt, ja izstarotu gaismu noteiktā virzienā ar ļoti augstu intensitāti.

Tiesa, Feinmena viedoklis, ka miniaturizācija var notikt gandrīz vai neierobežoti, nav attaisnojies, jo, kā tika pierādīts 20. gs. 90. gadu vidū, tik mazām detaļām parādās kvantu fizikas blakus efekti, kas šādu tradicionālu elementu izmantošanu padara neiespējamu.

 

Atomu mikropasaulē

Ja izveidotu mazītiņu mikropasauli, rastos milzum daudz jaunu iespēju. Atomi neuzvedas līdzīgi nekam, kas ir liels, jo tie dzīvo pēc kvantu mehānikas likumiem. Ja miniaturizācija būtu pietiekami vērienīga, varētu masveidā ražot visas ierīces, turklāt tās būtu pilnīgi perfektas kopijas. Fizikas principi nav pretrunā ar iespēju manevrēt ar atomiem. Tas nav mēģinājums ielauzties dabas likumos: tas ir vien tas, ko būtu iespējams veikt cilvēka spēkiem, ja vien mēs spētu izdomāt, kā.

Mērķi varētu sasniegt, ja uz citiem tautsaimiecības virzieniem varētu attiecināt principus, kurus izmanto ķīmijā, t. i., organiskajā sintēzē. Kāpēc gan šos pašus principus nevarētu izmantot, piemēram, fizikā, bioloģijā vai medicīnā? Tādā gadījumā būtu iespējams ar šādu metodi radīt gandrīz jebko, izmantojot to pat jebkuras ķīmiski organiskas vielas sintēzei.

 

Nanomedicīna

Reiz kāds zinātnieks jokodams esot izteicis domu, ka dakteris varētu vispilnīgāk veikt izmeklēšanu un nonākt tiešā saskarē ar visiem slimajiem orgāniem, ja viņu izdotos samazināt tā, ka pacients varētu dakteri dzīvu norīt. Gluži līdzīgi, tikai bez kanibāliskas piegaršas, darbotos arī medicīniskie nanoroboti, ja reiz izdotos tos ieviest medicīnas ikdienas praksē.

Vistipiskākā medicīniskā nanoierīce, iespējams, varētu būt mikrona lieluma robots, kurš sastāvētu no nanodetaļām. To izmēri varētu būt aptuveni 1-100 nm (1nm = 10^-9 m), bet no tām izveidotā nanorobota lielums varētu būt aptuveni 0,5-3 mikronu diametrā. Šobrīd vēl grūti pateikt, kā tieši izskatīsies tāds nanorobots. Visticamāk, ka medicīnisko nanorobotu pamatelements būs ogleklis, iespējams, dimanta vai fullerēna (oglekļa alotropiskais veids) nanosavienojumu formā - galvenokārt dimanta lielā ķīmiskā inertuma dēļ. Asinsvados cirkulējošo medicīnisko nanorobotu maksimālais lielums nedrīkstētu pārsniegt trīs mikronus, lai tie nenosprostotu kapilārus, bet citi, kas paredzēti, piemēram, elpošanas ceļu dziedināšanai, varētu būt pat lielāki par 100 mikroniem.

Droši vien varētu rasties jautājums, vai cilvēka organismā esošās vielas jelkādā veidā varētu iekļūt nanorobotā un ietekmēt tā funkcijas. Tiesa, tās varētu ķīmiski iedarboties uz nanorobota ārējo korpusu, toties nespēs iekļūt tā iekšpusē, kur tiks uzturēta pastāvīgi kontrolējama vide, kas, iespējams, būs vakuums.

Tipiska nanomedicīniskā dziedniecība (piemēram, bakteriālās vai vīrusu infekcijas apkarošana), iespējams, sastāvēs no dažu kubikcentimetru mikronlieluma nanorobotu suspensijas injekcijas. Parasta terapeitiskā doza varētu būt līdz 1-10 triljonu individuālu nanorobotiņu, lai gan dažos gadījumos pietiktu ar pāris miljoniem vai miljardiem.

 

Mehāniskais asinsķermenītis

Patlaban vēl nav radīti ikdienas praksē lietojami nanoroboti, bet vismaz eksperimentāla projekta veidā ir izstrādāts kāds ļoti vienkāršs nanorobots, kurš darbojas kā mehāniskais sarkanais asinsķermenītis, kuru zinātnieki dēvē par respirocītu (respirocyte). Tā diametrs sasniedz aptuveni mikronu, un tas vienkārši peld asinsvados. Tam ir sfēriska forma, un tas sastāv no 18 miljardiem atomu. Tie galvenokārt ir oglekļa atomi, kuri veido porainu dimanta strukturālo režģi sfēriskās šūnas iekšpusē. Respirocīts parasti ir neliela spiediena rezervuārs, kuru var piepumpēt pilnu - ar līdz pat 9 miljardiem skābekļa un oglekļa dioksīda molekulu. Vēlāk šīs gāzes var pakāpeniski, regulējot apjomus, atbrīvot no mazā rezervuāra.

Aptuveni 37 procenti no katra respirocīta virsmas ir pārklāti ar 29 160 molekulu šķirošanas rotoriem, kas ļauj ievadīt un izvadīt gāzes no rezervuāriem. Kad nanorobots iet cauri plaušu kapilāriem, O₂ parciālais spiediens ir augsts, bet CO₂ - zems, tāpēc vadības pults dators dod ziņu šķirošanas rotoriem, ka rezervuāros jāiepilda skābeklis un jāsamazina CO₂. Respirocīti atdarina dabisko, ar hemoglobīnu pildīto, sarkano asinsķermenīšu darbību, taču mehāniskais nanorobots ir daudz efektīvāks nekā bioloģiskais, jo tā dimanta struktūras konstrukcija pieļauj daudz augstāku darbības spiedienu. Turklāt respirocītiem ir spiediena sensori, kuri saņem akustiskos signālus no daktera, kurš varētu lietot ultraskaņu raidītāju, lai dotu respiratoriem komandas. Piemēram, dakteris varētu likt visiem respirocītiem pārtraukt sūknēšanu un pārslēgties uz snaudas režīmu, bet pēc brīža - atsākt darbību.

 

Kur nokļūst izlietotie nanoroboti?

Protams, ne mazāk svarīgs ir jautājums, kā 21. gadsimta nanodakteri nanorobotus dabūs laukā no pacienta ķermeņa, jo tie galu galā ir tikai mehānismi, kas vismaz teorētiski varētu arī iziet no ierindas, nodarot kādu ļaunumu cilvēka organismam.

Zinātnieki gan uzskata, ka nanorobotu izvadīšana neesot īpaši liela problēma. Daļa nanorobotu veidu būs spējīgi paši dabiskā ceļā izkļūt no cilvēka organisma, bet citi būs izstrādāti tā, lai medicīniskais personāls pēc uzdevuma veikšanas varētu tos izsūkt, izmantojot aferēzes procedūru vai aktīvas atlieku savākšanas  sistēmas.

 

Kā sazināties ar nanorobotiem?

Kamēr nanoroboti strādā, ar tiem laiku pa laikam jāsazinās. Viens no vienkāršākajiem veidiem, kā to izdarīt, ir nosūtīt tiem radiopārraidei līdzīgus akustiskos ziņojumus. Ierīce, kas līdzinās ultraskaņas zondei, atkodēs ziņojumus akustiskā nesēja viļņos, kuru frekvence būs no 1-10 MHz. Tādējādi dakteris, kas pārrauga sistēmas, var viegli nosūtīt jaunas komandas vai parametrus arī nanorobotiem, kas jau sākuši darbu pacienta iekšējos orgānos. Katram nanorobotam ir individuāla enerģijas padeve, dators un sensoru sistēma, kas ļauj saņemt daktera ziņojumus ar akustiskiem sensoriem, pēc tam izskaitļot  tos un sniegt vajadzīgo atbildi.

Otra procesa daļa ir saņemt atbildes ziņojumus no nanorobotiem. Arī šī sazināšanās var notikt akustiski. Tomēr šķidrā vide diktē savus noteikumus mikronu lieluma akustisko viļņu ģeneratoriem: vajadzīgs maksimāli precīzs pārraides frekvenču diapazons, lai nepieciešamā raidītāja jauda katram nanorobotam būtu ne vairāk kā daži simti mikronu. Tāpēc būtu ļoti ērti izveidot iekšējo komunikācijas tīklu, kas varētu apkopot lokālos ziņojumus un visus kopā pārraidīt uz centrālo vadības sistēmu, kur mediķis varētu saņemt šo informāciju, izmantojot ļoti jūtīgu ultraskaņas detektoru. Šāda lokālā tīkla izveide pacienta organismā varētu notikt ļoti ātri - tam nebūtu vajadzīga pat stunda - un tajā varētu būt līdz pat 100 miljardu mobilo nanorobotu navigācijas mezglu, turklāt siltuma patēriņš tīklā nebūtu lielāks par 60 vatiem.

Nanostruktūras datu uzglabāšanas iekārtas izmēri varētu būt aptuveni 8 000 mk³ (viena mk³ apjomu varētu pielīdzināt cilvēka aknu šūnas lielumam), bet tā spētu uzglabāt datu apjomu, kas būtu līdzvērtīgs visai Londonas Kongresa bibliotēkas informācijai (t. i., aptuveni 9 000 000 grāmatu sējumu). Ja šāda iekārta kopā ar attiecīgiem interfeisa mehānismiem tiktu implantēta cilvēka smadzenēs, tā spētu nodrošināt īpaši ātru piekļuvi šai informācijai.

Viens vienīgs nanodatoriņa centrālais procesors, kura izmēri atbilst vienas cilvēka šūnas lielumam, varētu skaitļot informāciju ar 10 teraflopu (10¹³ decimālskaitļu darbību sekundē) ātrumu, kas aptuveni līdzinās visu cilvēka smadzeņu skaitļošanas potenciālam. Turklāt šāds nanodatoriņš varētu patērēt tikai 0,001 vatu siltumenerģijas pretstatā aptuveni 25 vatiem, kurus, intensīvi domājot, patērē bioloģiskās cilvēka smadzenes.

 

Nākotne bez slimībām

Ja nanomedicīnu izdotos plaši ieviest praksē, ar tās palīdzību būtu iespējams pilnīgi likvidēt visas 20. gadsimta slimības, lai cilvēku vairs nemocītu sāpes un ciešanas, lai viņš varētu pilnīgi koncentrēties uz radošu darbu un pozitīvām domām.

Bet varbūt vissvarīgākais ilgtermiņa ieguvums visai cilvēcei varētu būt jaunas miera ēras sākums. Vai gan nevarētu būt tā, ka cilvēkiem, kuri ir labi paēduši, labi apģērbti, gudri, izglītoti, pilnīgi veseli un laimīgi, varētu būt visai maz (vai pat nekādu) motīvu karot. Kāpēc gan mainīt mierīgu, ērtu, harmonisku dzīvi pret stresu, diskomfortu un iznīcību? Ja nu vienīgi - aiz ilgām pēc asākām emocijām...

 

Pēc interneta materiāliem sagatavoja

Gunta KĻAVIŅA