Аналитика

IT-байки: виртуальная 3D реальность для медицинских нанороботов

Покажите мне человека, который 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 одной из наших публикаций мы обязательно коснёмся современных исследований в области обретения бессмертия, благо, не исключено, что такую информацию удастся получить, что называется, "из первых рук". Сегодня же мы рассмотрим один из прикладных, более "приземлённых" аспектов - применение нанороботов в медицине. Или, или, если хотите, в наномедицине, ибо нынче что ж за сказ без приставки "нано-". 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. Весьма наглядный, хоть и утрированный, пример такого воздействия на организм, могут припомнить зрители мульт-сериала "Футурама" – в серии, где команда Космического Экспрессе путешествует внутри организма Фрая, съевшего на космической заправочной станции несвежий бутерброд вместе с колонией паразитов. Правда, очисткой сосудов от холестериновых бляшек, восстановлением нейронных связей в мозгу и прочей профилактикой в мультфильме занимались микроорганизмы-паразиты, но кто мешает создать подобных "нанопаразитов" – роботов?
Futurama
Что ж, в каждой шутке есть лишь доля шутки, а 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. Так, на днях в очередном номере авторитетного журнала Nanotechnology появилась интересная статья Nanorobot architecture for medical target identification, по сути, послужившая предлогом для нашей сегодняшней публикации.
Наноробот
Не буду пересказывать полное содержание серьёзной научной 15-страничной статьи, насыщенной формулами и снабженной аннотацией на 129 смежных работ. Суть новости в том, что 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, ибо 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.
Наноробот
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! Словом, моделирование поведения наноробота в такой среде – ещё та задачка.
Наноробот
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.
Пункт
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.
Наноробот
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.
Наноробот
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. Благо, заказчиков среди медицинских и фармацевтических предприятий будет хоть отбавляй, а про военных и говорить не приходится.
Что ж, на словах всё это звучит замечательно. Но! Виртуализация – виртуализацией, а когда же, собственно, 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? Учёные говорят, что ждать осталось не так уж долго. К примеру, ряд компонентов для нанороботов будущего реализован на практике уже сейчас. Это биосенсоры, это варианты нанодвигателей, антенн, и всё это уже применяются в ряде специфических наноустройств. Следующим шагом как раз должна стать интеграция всех этих разрозненных компонентов в единое целое с названием "медицинский наноробот". Начало массового производства "интегрированных наноэлектронных молекулярных машин" – то есть, медицинских нанороботов, по мнению разработчиков системы NCD, наступит до 2015 года. Столь длительный период понадобится не столько на собственно разработку технологии производства, сколько на тестирование совместимости и безопасности таких устройств – всё же, как-никак, запускать их придётся не куда-нибудь, а непосредственно в тело человека.
Лично мне трудно представить столь сложную ситуацию в своей жизни, когда я позволю запустить в свой организм каких-то биоэлектронных микроскопических букашек. Бррр… Им же может понравится внутри, и однажды они откажутся выбираться наружу. И вообще, сидишь так себе в кресле, читаешь книжку, а внутри тебя шарахаются сотни и тысячи микроскопических жучков – даже если они делают доброе дело, вычищая холестерин из сосудов, всё равно жуть, а тем более если вытворяют там себе втихомолку что-нибудь недоброе. Что? Говорите, жить захочешь - никуда не денешься? Может быть, может быть... В любом случае, люди будущего будут совсем не похожи на нас – и мобильники у них будут совсем неведомые, и одёжка диковинная, а с такими темпами развития биотехнологий, может быть, и вовсе будут непохожи на людей. Счастья им, конечно, и долгих лет жизни, но я пока уж как-нибудь по-старинке, аспиринчиком да валидольчиком… Такие дела.
Ссылки на первоисточники. Места в Интернете, где о медицинских нанороботах можно почитать подробнее.
- Обсудить материал в конференции


 
 
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Материалы по теме
⇣ Комментарии
window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥