20.6. Подвижные микророботы

20.6. Подвижные микророботы

Давайте поговорим о свободно передвигающихся машинах! Разумеется, такие объекты можно создавать пока только для развлечения, но разве в этом дело? Это может оказаться просто новой игрой, но вспомните, что никто из великих создателей компьютеров даже не предполагал, что на этой основе когда-нибудь возникнут целые информационные технологии и огромный рынок видеоигр и развлечений! Представьте себе просто, что вы управляете микроскопическим роботом в виде «воина с саблей», попавшего в водную среду, заполненную микроорганизмами типа инфузорий и т. п. Как обычно принято в компьютерных играх, управляемый вами «воин» должен уничтожить эти создания. Разница с видеоигрой формально заключается лишь в том, что «воин» представляет собой микроскопический физический объект.

Разумеется, прежде всего необходимо решить проблему энергообеспечения устройства. На первый взгляд задача кажется сложной, поскольку объект способен передвигаться, но в действительности существует много способов передачи энергии. Например, можно использовать принципы электромагнитной индукции или наложить на среду медленно изменяющиеся электрические и магнитные поля, создающие в объекте внутренние электромагнитные силы. Другой вполне реальный метод состоит в использовании различных химических веществ, вводимых в раствор, когда в среде будут происходить химические реакции, создающиеся источником питания устройства, и т. д. Кроме того, существует достаточно простой метод передачи энергии электромагнитным излучением, когда среда и устройство освещаются светом или излучением любой частоты, способной проникать через воду.

Та же система может одновременно использоваться для управления роботом. Действительно, используя какой-то источник питания (например, индукционный), его можно легко применять в качестве системы управления, то есть применять для передачи соответствующих команд или сигналов о состоянии самого робота. Я говорю не о сложных сетях связи или координации (типа соединения через спутник и т. п.), а об организации простейшего управления на очень небольших расстояниях с очень малыми объектами. Проблема сводится лишь к подаче сигналов и приему ответов на них.

Интересно и поучительно, что настоящие проблемы в создании микроустройств связаны с теми действиями, которые представляются очевидными и забавными. Например, каким образом может вообще передвигаться в воде микроробот? Конечно, мы можем снабдить его, например, микроскопическим вращающимся хвостиком или щупальцами, но стоит вспомнить, что для объекта или существа размером в несколько микрон вода представляет собой (с учетом пропорций тела) чрезвычайно вязкую жидкость. Представьте, что вам приходится плыть в бассейне, заполненном густым медом! Единственным разумным выходом представляется использование изогнутых, S-образных плавников, которые могли бы «ввинчиваться» в вязкую среду и обеспечивать продвижение. Такое движение требует больших усилий, так что следует особо позаботиться об источнике энергии. Кстати, каким механизмом следует воспользоваться при использовании сложных плавников, типа винта?

Существует классический вопрос, который постоянно задают друг другу биологи и физики: почему природа никогда не использует в биологических структурах колесо? Ответ обычно сводится к тому, что колесо представляет собой изолированную структуру, которую организму трудно «обслуживать» (смазывать, снабжать кровью, наращивать и т. п.). Поэтому мы не будем пока вспоминать о колесе, а начнем конструировать наши микророботы из проверенных природой и временем деталей. Вспомним, что бактерии двигаются посредством щупальцев, называемых флагеллами (отростки, имеющие форму штопора), и закрученных ворсинок, позволяющих им перемещаться в вязких средах. Именно флагелла в биологии простейших обладает действительно необычной, отдельной, подвижной (ее можно даже назвать съемной!) деталью. Я говорю о том, что на конце флагеллы обычно располагается некое подобие диска, покрытого белками и ферментами. На этой поверхности могут происходить сложные ферментные реакции с молекулой АТФ (адезинтрифосфорная кислота, обычный источник энергии в биологических структурах), в результате чего диск прокручивается на некоторый угол, позволяя осуществлять вращательные движения отдельными щупальцами или ворсинками. (Фейнман демонстрирует руками молекулярные конформации, приводящие к вращению.) После окончания реакции молекула АТФ отделяется и движение прекращается, но затем к диску присоединяется другая молекула АТФ и т. д., так что вся структура, напоминающая известный в механике храповик, постоянно вращается и заставляет (через трубку) вращаться спиральное щупальце, флагеллу микроорганизма.

Более двадцати лет назад, когда я прочел лекцию, мой друг Ал Хибс, представивший меня аудитории сегодня, первым предложил использовать микроустройства в медицинских целях. Сейчас, когда я заговариваю об этом, мне постоянно отвечают: «Прекрасно! Давайте сделаем устройство размером с клетку и научимся применять его. Если у вас проблемы с печенью – просто проглотите немного клеток печени и постарайтесь выздороветь!» На самом деле в те годы я, естественно, говорил о гораздо более крупных устройствах, а Хибс первым предложил создать микроскопического «хирурга», то есть снабженную инструментами и инструкциями лечебную машину. Ее можно ввести в организм больного и применять для самых различных целей (например, она может просто разыскивать в ваших артериях жировые бляшки и уничтожать их!).

Идея состоит в том, что мы можем научиться вводить в биологические системы управляемые устройства, которые затем по инструкциям или командам будут производить требуемый «ремонт» органов, удаляя или, наоборот, добавляя к ним необходимые структуры. Если сама мысль о создании и использовании микроскопических устройств не кажется вам безумной, то можно сказать, что широкое использование таких автоматических роботов в медицинской практике является лишь вопросом времени. Мне представляется разумной разработка проглатываемых устройств, управляемых по тонким проводам. Многим из нас приходилось в лечебных и диагностических целях заглатывать толстые или тонкие трубочки (например, при обследования желудка и т. д.), а для управления роботами понадобятся лишь очень тонкие провода. Кроме того, провода будут полезны для точной локализации самих роботов.

Вообще говоря, применение проводов в этой методике играет побочную роль, и мы можем даже прекрасно обойтись без них, управляя движением устройств различными внешними источниками (магнитными полями, индукцией и т. п.). Я говорю не о создании особо мелких устройств типа упоминавшихся выше моторов, а об аппаратах вполне разумных и представимых размеров. Почему нам не начать с производства приборов, имеющих размеры около сантиметра или меньше? В таких делах важно начало, а дальнейшее уменьшение размеров изделий будет происходить само собой. Предположим, мы запускаем в организм микроскопического «хирургического» робота и следим за его перемещением при помощи, например, рентгеновской или ЯМР-установки. В требуемый момент мы подаем команду, и робот по сигналу начинает операцию. В любом случае, мы контролируем его положение и поведение.

Мне нравится идея Хибса о «проглатываемом хирурге», однако по-настоящему она получит развитие лишь тогда, когда мы научимся изготавливать очень маленькие устройства, которые могут стать промежуточным этапом на пути создания самых крошечных машин, которые я в названии этой беседы назвал «инфинитезимальными», то сеть бесконечно малыми.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.