Созданы нанороботы, способные перемещаться в жидкой среде при помощи биохимических реакций и ультразвука - «Наука и технологии»

На страницах нашего сайта мы достаточно часто рассказывали о различного рода микро- и нанороботах, которые обладают огромным потенциалом в области медицины. Они, к примеру, могут использоваться для выполнения тонких микрохирургических операций в труднодоступных местах, для целевой доставки сильнодействующих лекарственных препаратов и многого другого. Самым тяжелым делом в этой области является обеспечение подвижности нанороботов в условиях вязких жидкостей естественного происхождения, к примеру, в крови и в синовиальной жидкости, заполняющей объем глазного яблока. Некоторые группы исследователей использовали для этого внешние магнитные поля, свет лазера, принципы реактивного движения, а ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка, Германия, разработали еще два новых принципа создания двигательных установок для крошечных "пловцов". В одном из этих принципов используются колебания, вызванные воздействием ультразвуковых волн, а во втором - ферментативные химические реакции, родственные естественным реакциям, протекающим внутри организма.

Начнем рассказ со второго случая. В качестве наноробота выступает тонкостенная нанотрубка из диоксида кремния, диаметр которой равен 220 нанометрам. Любая частица подобных размеров не в состоянии продвинуть себя в жидкости без дополнительных уловок, и этой уловкой стал слой фермента, уреазы, которым покрыта или внешняя или внутренняя поверхность нанотрубки. Уреаза замечательна тем, что она расщепляет мочевину на аммиак и углекислый газ. И когда такая обработанная нанотрубка попадает в жидкость, содержащую мочевину, а она содержится почти во всех жидкостях внутри организма, газообразные продукты реакции расщепления начинают вырываться из "сопла" нанотрубки, двигая ее в противоположном направлении. Проведенные испытания показали, что нанотрубка может разгоняться до скорости в 10 микрометров в секунду, около 4 сантиметров в час.

В нанороботах, использующих подобные химические двигатели, нет ничего нового. Однако в данном случае, наноробот, размером в 220 нанометров одновременно является самым маленьким в мире реактивным двигателем на сегодняшний день. "Наш предыдущий двигатель, который сейчас занесен в Книгу мировых рекордов Гиннеса, имеет на три порядка большие размеры" - рассказывает Сэмуэл Санчес (Samual Sanchez), глава группы Smart NanoBioDevices. И у данного достижения имеется еще один положительный аспект. Большинство нанороботов с химическими двигателями полагаются на реакцию расщепления перекиси водорода при помощи металлического катализатора. Но перекись водорода и чистый кислород, в силу их высокой химической активности, являются не очень полезными для организма веществами. Продукты же распада мочевины, в отличие от этого, являются естественными для организма веществами и их наличие не вызывает никаких отрицательных побочных эффектов.

Второй принцип построения двигательной системы нанороботов был изобретен исследователями группы микро-, нано- и молекулярных систем (Micro, Nano and Molecular Systems). В нем также используются крошечные газовые пузырьки, но в данном случае они, пузырьки, не выбрасываются в окружающее пространство, а заключены внутри специально устроенных для этого камер, расположенных на поверхности пластикового корпуса миниробота. Источником энергии для движения являются ультразвуковые колебания, под воздействием которых пузырьки начинают поочередно расширяться и сжиматься, оказывая давление на стенку камеры, к которой они прикреплены. Конечно, один пузырек способен выработать лишь крошечную силу тяги, но ученые расположили множество камер с этими пузырьками на поверхности полосы из полимерного материала.

Вектором направления и силой создаваемой тяги можно управлять, изменяя параметры - фазу, форму, амплитуду и частоту ультразвуковых колебаний. Так же частота колебаний зависит о размеров пузырьков, и чем ближе она к их резонансной частоте, тем эффективней начинает работать этот "пузырьковый" двигатель. Для подтверждения работоспособности такой идеи, ученые изготовили крошечный кубик, две противоположные грани которого были покрыты камерами с пузырьками. Подобрав частоту ультразвука, ученые заставили этот кубик вращаться вокруг своей оси, при этом, скорость вращения достигла значения тысячи оборотов в минуту.