Вопросы иммортологии

Как утверждают ученые, большинство медицинских препаратов в конце ХХI века будут представлять собой совокупность специально разработанных медицинских нанороботов. При этом ученые надеются на развитие молекулярной нанотехнологии, позволяющей создавать структуры с атомарной точностью. Примеры подобных медицинских нанороботов уже разработаны и смоделированы методами квантовой механики ab initio. Следующим шагом будет создание полного проекта наноробота на атомарном уровне, и, естественно, разработка соответствующего программного обеспечения. Цель данной статьи – рассмотреть в общем основные механические узлы нанороботов.

Как и в любом механизме, совершающем какие-либо движения, в нанороботе должны присутствовать: подшипники, редукторы, двигатели, передачи, и, наконец, манипуляторы (так как это, все-таки, робот). Рассмотрим все с начала.

Примитивные передачи.

Как может передаваться движение? С помощью валов, цепных, ременных и фрикционных передач. Не мудрствуя лукаво, «соберем» из атомов углерода различные стержни (валы), которыми будет передаваться движение:

вал на основе углерода (диаметр – 8 атомов):

серые атомы – углерод, белые – водород (смоделировано автором на основе [1]).

Приведем некоторые соотношения для определения жесткости полученного вала.

Как известно, площадь поперечного сечения подобной конструкции равна:

где n – количество химических связей, приходящихся на площадь поперечного сечения. Для нашего вала этот параметр равен n= 4. Получим S = 20,8х10-20 м². Сила, необходимая для разрыва связей, выражается как:

получим El

21,8x10^-8 Н.

Модуль Юнга равен:

Подставив значения, получим модуль Юнга для данной конструкции: E = 1,04x1012 Н/м². Для сравнения, модуль Юнга для алмаза – 1,05 x1012 Н/м². Как видим, жесткость достаточно приличная.

вал на основе углерода (диаметр – 4 атома):

серые атомы – углерод, белые – водород (смоделировано автором на основе [1]).

вал на основе углерода (диаметр – 16 атомов):

серые атомы – углерод, белые – водород (смоделировано автором на основе [1]).

Фрикционные, цепные и другие передачи сложнее реализуются в наномире. Фрикционные передачи, вероятно, вообще невозможны, т.к. они используют при передаче движения посредника – силу трения. В мире нанотехнологий, где все подогнано до атома, сила трения скольжения будет минимальной, и не сможет передавать движения. Искусственно созданные поверхности с шероховатостями будут действовать, скорее, как зубчатые нанопередачи. Таким образом, фрикционные передачи в наномасштабах приобретают вид зубчатых. Цепные и ременные передачи будут реализованы в масштабах намного больше атомных. Их будут использовать для автоматических линий сборки, микроконвееров в нанопроизводстве. Приведу пример зубчатой передачи, составленной из атомов углерода:

передача на основе углерода (диаметр – 16 атомов):

серые атомы – углерод (смоделировано автором).

Расположив несколько таких зубьев по окружности, получим зубчатое колесо, на основе которого можно строить всевозможные редукторы и зубчатые передачи.

Подшипники.

Для обеспечения вращения какого-либо вала, необходимо его зафиксировать. Это делают с помощью подшипников качения (если внутри шарики) или скольжения (если внутри уплотнение, по которому скользит вал). В наномире лучше обходиться вторым способом. Это связано с отсутствием того же трения скольжения. При правильной конструкции подшипника трение скольжения в нем будет отсутствовать! Приведем пример:

смоделировано автором на основе [1], атомов 206

Этот подшипник разработан из кремния (желтым). Места присоединения к субстрату «заняты» атомами водорода. Места трения в подшипнике – атомы кислорода (красным).

Естественно, что возможны различные варианты как самого подшипника, так и его внутреннего вала. Например, вал, выполненный с контактной поверхностью из азота:

белый – водород, синий – азот, серый – углерод; атомов – 60.

Или, вал, выполненный с контактной поверхностью из кислорода и углерода с повышенной жесткостью:

красный – кислород, белый – водород, серый – углерод; атомов – 54.

Самая интересная особенность заключается в том, что подобные подшипники не требуют смазки (вследствие отсутствия трения) и будут составлять с машиной единое целое, после присоединения химических связей, вместо занятых водородом.

Часть II

Дифференциальные передачи и наноредукторы.

Для передачи движения в макромире, как правило, используют дифференциальные передачи. В них два вала связаны через шестерни на корпусе таким образом, что сумма вращательных углов валов равны вращательным углам корпусных шестерней. В автомобиле дифференциал позволяет управлять колесами, достигая для них других углов вращения. То же самое можно реализовать и в наномире, причем показанный ниже нанодифференциал состоит из нескольких тысяч атомов.

На этом разрезе виден нижний вала (верхний удален для наглядности действия передачи) и конические передачи (как на валах, так и на корпусе). Причем на корпусе – 4 конических шестерни. Вращение верхнего вала по часовой стрелке вызовет вращение корпусных шестерней, которые передадут движение нижнему валу, вращая его против часовой стрелки. Плавность хода валов (несмотря на низкую степень детализации шестерней) обеспечивается геометрией передаточных поверхностей и их симметрией. Так, например, вал устройства имеет 14-уровневую симметрию, в то время как корпус имеет 4-х уровневую. Таким образом, боковые шестерни являются точным прототипом шестерней вала, и так называемый «пустой ход» (когда вал вращается, а зубцы шестерен еще не вошли в зацепление) дифференциала невозможен. Валы вращаются в корпусе на ранее рассмотренных подшипниках скольжения, что тоже существенно повышает плавность хода.

При разработке были использованы, в основном, атомы углерода, водорода, серы, кислорода, кремния, азота и фосфора. Большой размер атомов второго ряда корпуса позволяет создать жесткий внешний цилиндр. Такие структуры пока не реализуются методами синтеза в растворах, но, естественно, что при развитой молекулярной нанотехнологии создание таких структур станет возможным.

Для редукции (понижения) либо для мультипликации (повышения) количества оборотов вращения вала, а также для увеличения момента, в макромире используют различные типы редукторов. Редуктор, как правило, соединяет в себе 2-3 передачи.

Схема устройства планетарного редуктора:

– Подшипник планетарной передачи

– Планетарная передача

– Солнечная передача

– Кольцевая наружная передача

– Несущее кольцо планетарных передач

Существует разные виды редукторов: эллиптичекие, круговые (форма передач соответственно либо круг, либо эллипс), планетарные (их схема рассмотрена выше). Специалисты IMM (Эрик Дрекслер вместе с Ральфом Меркле) смоделировали планетарный наноредуктор, свойства и строение которого мы рассмотрим ниже.

Быстрое вращение солнечной передачи (см. схему) передается планетарным передачам, которые вращаются медленнее (планетарные передачи закреплены на подшипниках несущего кольца), но зато с большим моментом. Разница в скорости вращения определяется передаточным числом передач, а оно, в свою очередь, определяется соотношением зубьев передач. Так, передаточное число планетарного редуктора будет составлять:

I = (nвнешн + nвнутр) / nпланет , (4)

где nвнешн – число зубьев кольцевой наружной передачи, nпланет – число планетарных передач, nвнутр – число зубьев солнечной передачи (взято из [1]). В рассмотренном выше редукторе nвнутр = 16, nвнешн = 29, nпланет = 9, получим значение I = 5. Это значит, что при входном моменте 1 Н/м и при вращении солнечной передачи 5 раз в минуту, выходной момент будет равен 5 Н/м и внешняя передача будет вращаться со скоростью 1 оборот в минуту [1].

В данной разработке кольцевая передача состоит из кремния и углерода, солнечная – из специальной структуры – соединения вырожденной углеродной поверхности (100) и кислорода; планетарные передачи, состоящие из углерода и кремния, присоединены к несущему кольцу мостиками из кислорода, образуя подшипник (см. часть первую данной статьи).

Было проведено моделирование работы этого устройства при вращении передач с частотой 500 гигагерц. Было установлено, что при таких частотах устройство не работает, происходит проскальзывание вала солнечной передачи относительно планетарных передач. В данной разработке это нормально, т.к. взаимодействие зубьев вследствие их малого размера, равном фактически размеру атомов кислорода и кремния, не позволяет передавать большие моменты, а, равно, и высокие частоты. Также, при работе с температурой 300 К наблюдается наложение на несущую частоту «теплового шума», неизбежного при данном конструктивном исполнении. В общем, тема наноредукторов и передач остается до сих пор открытой. Разработки ведутся исключительно в областях математического моделирования, но такие разработки помогают на первых этапах разработать действующую модель устройства, заранее отсеяв нежизнеспособные.

Наноманипуляторы.

Большинство нанороботов должны манипулировать различными объектами – от атомов до живых клеток. У макроскопических машин для подобных задач есть целый набор рабочих манипуляторов типа «рука робота». Естественно, что основная задача нанороботов будет манипулирование отдельными атомами и молекулами. Поэтому манипулятор будет должен обеспечивать точное позиционирование перемещаемых объектов с атомарной точностью. Детальных разработок подобного устройства пока нет. Вероятно, что это будет макромолекула с набором различных свободных радикалов, в так называемом «держателе инструментов».Для нанороботов, работающих в теле человека, «держатель инструмента» должен иметь набор антигенов для успешного присоединения различных органических макромолекул (ДНК, РНК, АТФ, и др.). Ниже на рисунке представлен тип наноробота для восстановления поврежденных клеток. В проекте предусматривается наличие около 1000 наноманипуляторов, управляемых компьютером, для доступа к отдельным молекулам и атомам [2].

Если наномедицинские роботы манипулируют макромолекулами, для которых часто не нужна высокая точность позиционирования, то ассемблеры будут манипулировать отдельными атомами. Точность позиционирования должна быть достаточной для образования между атомами различных химических связей. Этого можно добиться, используя так называемый «гибкий инструмент», присоединяющий к себе необходимый атом одной химической связью, а, затем, присоединив его на место более сильной связью, разорвать присоединяющую к инструменту.

медицинский наноробот с набором молекулярных наноманипуляторов

Столь гибкое функционирование наноманипулятора подразумевает высокую степень свободы. Из устройств с высокой степенью свободы и высокой жесткостью на сегодняшний день известна платформа Стюарта [3], показанная на нижеследующем рисунке.

Как видно, платформа Стюарта состоит из шести выдвигающихся стержней-опор, гибко присоединенных к базе и держателю инструмента. В ходе работы длина стержней изменяется, соответственно изменяется положение держателя инструмента. Степень свободы платформы равна шести. К примеру, степень свободы человеческой руки равна двадцати семи. Но и шести степеней свободы будет достаточно для выполнения задач, стоящих перед наноманипулятором ассемблера. У платформы Стюарта один недостаток – низкая жесткость. Для повышения жесткости и прочности была разработана система из двух треног, названная «двойной трипод», которая представлена на рисунке.

Как видим, двойной трипод – эволюция платформы Стюарта. Конструкция состоит из двух треног, каждая из которых состоит из одного главного и двух несущих стержней. Их функция – изменение положения части верхнего шарнирного соединения, в котором размещается инструмент. Вся конструкция в целом имеет большую жесткость, чем платформа Стюарта. Поэтому целесообразней использовать именно ее в качестве «скелета» для будущего манипулятора.

На ее основе был спроектирован наноманипулятор (правда без приводных элементов). Его можно видеть на рисунках. Отдельным планом показан держатель инструмента цилиндрической формы. К нему можно будет присоединять различные радикалы для удержания различных атомов. Посредством вращения боковых платформ, можно добиться плавного перемещения в пространстве держателя инструмента.

Устройство состоит из 2596 атомов (что гораздо меньше, чем в платформе Стюарта). В конструкции задействованы атомы азота, углерода, кремния, кислорода и водорода. Азот – синий, углерод – серый, кислород – красный, водород – белый, кремний – желтый. Создание подобного устройства возможно только методами механохимии, которые, к сожалению, еще не разработаны.

Подобные манипуляторы будут управляться нанокомпьютерами (либо макрокомпьютерами) и предоставят возможность манипулировать отдельными атомами.