Robert Freitas Jr,

"Respirocytes - Artifical Mechanical Red Blood Cell."

Респироциты - искусственные механические красные кровяные клетки.

Март 2002 г.

© Компилятивный перевод и адаптация на русский - Immortality team.

На сегодняшний день биохимия газового транспорта человека ясна. Кислород и углекислота (диоксид углерода - СО₂) переносятся от легких к тканям и наоборот посредством красных кровяных клеток. Гемоглобин, основной белок эритроцитов, может реверсивно (т.е. как присоединять, так и отдавать молекулы) присоединять к себе кислород, формируя оксигемоглобин. 95% О₂ переносится именно таким путем, а 5% растворяется в плазме. СО₂ также может реверсивно соединяться с гемоглобином, образуя карбаминогемоглобин. В составе этого соединения переносится около 25% СО₂, 10% растворяется в плазме, а еще 65% переносится внутри эритроцитов в виде бикарбонат ионов, получающихся после гидратации СО₂.

Роль красных кровяных клеток состоит в основном в переносе О₂ и СО₂ от легких к тканям и наоборот. Так зачем нужно заменять "родные" эритроциты, которые прекрасно справляются со своей задачей, механическими роботами?

• Во - первых, они долговечней и прочнее.

• Во - вторых - не повержены старению и генетическим заболеваниям.

• В - третьих - они могут полностью контролировать весь газовый транспорт в человеческом теле - от легких до тканей.

Таких причин на самом деле еще больше. Мы покажем остальные далее, по ходу рассмотрения конструкции и работы респироцитов. Главное - они смогут противостоять многим болезням и генетическим отклонениям, возникающих в кровеносной системе человека. По сути дела, это часть нового "нестареющего организма", находящегося под постоянным контролем нанороботов.

Что же представляет собой респироцит?

Это "насосная станция" диаметром в 1 микрон (мкм) из атомов углерода, собранных атом-за-атомом по кристаллической решетке алмаза, что и придает роботу высокую прочность. Столь малый размер обусловлен тем, что респироцит должен иметь доступ во все ткани и капилляры. Наноробот не может быть больше, чем 8 мкм, т.к. это средний диаметр капилляров; да и кровяные эритроциты имеют вид вогнутых дисков с размерами 7,82х2,58 мкм.

Так как основная задача респироцита - газовый транспорт, то они выполнены в виде емкости для хранения О₂, СО₂, СО₂, Н₂О и глюкозы. Сферическая форма позволит давлению газов равномерно распределяться по поверхности респироцитов. Энергию респироциты будут черпать из взаимодействия глюкозы с кислородом. Получаемая при этом механическая энергия будет передаваться к насосам загрузки/выгрузки газов, механокомпьютеру и сенсорам по каналам передачи энергии. Глюкоза, как и остальные вещества и газы, хранится в специальных емкостях, называющихся "танками" или баками. Объем этих емкостей рассчитывается в зависимости от рабочего давления в них с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса. Так как респироцит изготовлен из алмаза (или сапфира), то его поверхность отличается высокой прочностью, что позволит повысить давление газов в баках до 1000 атмосфер (атмосфер). Вообще, решение уравнения Ван-дер-Ваальса для кислорода, азота и углекислоты дает семейство решений, благодаря которым давление газов можно увеличить от 1 до 10 000 атм но во избежание механической деформации респироцита было выбрано оптимальное значение - 1000 атм.

Как мы видим, основная функция респироцитов состоит в накоплении и отдаче в кровяную плазму молекул газов. Для наполнения резервуаров можно использовать устройство, работающее наподобие насоса, которое представляет собой ротор, сортирующий молекулы (далее - МСР). Он детально описан Э. Дрекслером в его книге . Каждый ротор имеет "гнезда" по окружности, конфигурированные под определенные молекулы. Находясь в плазме крови, "гнезда" селективно связывают молекулы газов, воды и глюкозы и удерживают их до тех пор, пока молекула не окажется внутри респироцита. От "гнезда" ее отсоединяет стержень, расположенный внутри ротора. (см. рис.1).

Такие роторы могут быть спроектированы из 105 атомов и иметь размеры порядка (7х14х14 нм) при массе 2х10-21 кг. Они смогут сортировать молекулы, состоящие из 20 и менее атомов со скоростью 106 молекул/сек при энергозатратах в 10-22 Дж на 1 молекулу. МСР позволяет создавать давление в 30 000 атм потребляя 10-19 Дж. Роторы полностью реверсивны и поэтому могут быть использованы как для нагнетания так и для выгрузки газов, воды и глюкозы. Каждый ротор имеет 12 "гнезд" для присоединения молекул, расположенных по длине окружности ротора. Несколько МСР, объединенных в каскад (рис. 2), позволят нагнетать в резервуары химически чистые вещества, в которых не будет ни одной чужеродной молекулы.

Молекулярный Сортирующий каскад "Гнезда" роторов имеют специфическую структуру и будут производиться путем конструирования атом-за-атомом по примеру строения активных центров некоторых ферментов.

Так, фермент гексокиназа, разрывающий молекулу 6-ти углеродной глюкозы на две 3-х углеродные молекулы при гликолизе, имеет присоединительные "гнезда" для глюкозы. Для того, чтобы наноробот имел достаточную подвижность в плазме крови и не "всплывал" из-за находящегося в нем кислорода и других газов, в нем предусмотрена емкость для водяного балласта. Накопление молекул воды позволит респироциту менять свою массу и, соответственно, погружаться или всплывать со скоростью 0,1-0,6 мм/час. Нагнетание и выпускание воды регулируется компьютером, который, в зависимости от показаний сенсоров о местоположении в крови, будет определять необходимую массу респироцита.

Во всех биосистемах гликолиз глюкозы дает КПД в среднем 68%. В респироците КПД будет немного меньше - 50%. Двигатель, работающий на механохимической реакции кислорода с глюкозой (далее глюкозовый мотор) способен полностью заполнить резервуары с О₂ за 10с, потребляя при этом 3х10-13 Вт. Размер глюкозового мотора 42х42х175 нм и он состоит из 108 атомов (при массе 10-18 кг). Емкость для топлива (глюкозы) имеет размеры 42х42х115 нм. Этого количества топлива хватает для работы респироцита в режиме максимального использования энергии на протяжении 10с. Энергия от мотора передается механически (с помощью стержней, шпинделей и редукторов) или гидравлически (с помощью рабочей жидкости). Процесс работы мотора и передачи энергии полностью управляется компьютером. Связь с нанороботом будет осуществляться путем приема им акустически модулированных колебаний, которые принимаются механическими приемниками, расположенными на поверхности механической клетки. Предполагается использовать для этой цели ультразвуковые модулированные колебания с частотой около 10 МГц.

Приемные устройства состоят из 105 атомов, выполнены в форме куба и имеют размер 21 нм. Передача сигналов внутри респироцита достигается посредством стержней или гидросистемами с рабочей жидкостью внутри. Для получения информации о состоянии окружающей плазмы крови нужны различные сенсоры. Самая простая конструкция такого сенсора пердставлена на рис. 3.

Сортировка ведется со скоростью 1% от скорости МСР. Причем счетный ротор связан с компьютером. Сенсор состоит из 500 000 атомов и имеет размеры 45х45х10 нм и может посчитать 100 000 мол/сек глюкозы или 30 000 мол/сек углекислоты или 2000 мол/сек кислорода. Для подсчета количества газа и горючего внутри резервуаров респироцита также устанавливаются сенсоры. Главная вычислительная система респироцита - механокомпьютер. Он управляет работой всех бортовых систем - нагнетанием и выпуском газов; работой роторов и каксадов; работой с балластными емкостями; распределением энергии и управлением работой глюкозового мотора; преобразованием в данные сигналов сенсоров и команд, поступающих извне; самодиагностикой, активацией протоколов неисправности и постоянной коррекцией своей работы in vivo (т.е. работой в живом организме). Все это может обеспечить механокомпьютер со скоростью обработки информации 104 бит/сек. Такая производительность примерно соответствует транзисторному компьютеру IBM 1620 (1960 г.).

Для механокомпьютнра нанометрических размеров ожидаются следующие показатели ~500 бит/сек/нм³ и 1018 бит/сек/Вт с плотностью памяти 5 бит/нм³. Каждый 104 бит/сек CPU (Central Processor Unit - центральный процессор) занимает обьем ~104 нм³ и потребляет ~10-14 Вт (3% от максимального выхода мощности глюкозового мотора). А 500 килобит памяти будут требовать ~105 нм². Использование реверсивной логики заметно снизит используемую мощность.

Общая компоновка респироцита представлена на рис.4,5,6.

Отдельно дано изображение сечения робота по экватору и полюсу. Так как весь наномеханизм состоит из 12-ти повторяющихся насосных станций, то достаточно рассмотреть компоновку одной из них на рис. 6.

Общее количество МСР - 29 160, внутренних сенсоров - 150, внешних - 288. На каждую станцию приходится по 1-му глюкозовому мотору и емкости с горючим.

Как и говорилось выше, диаметр респироцита - 1мкм, масса пустого робота - 3,556х10 в минус 16-ой степени кг, а заполненного - 7,18х10-16кг. Причем в этой модели кислород хранится отдельно от углекислоты.

Рассмотрев конструкцию респироцита, можно говорить о его медицинском применении.

Среднее человеческое тело содержит 3х10 в 13-той степени эритроцитов; каждая красная кровяная клетка содержит 2,7х10 в 8-ой степени молекул гемоглобина, который, в свою очередь, присоединяет к себе 4 молекулы кислорода. Суммарное количество молекул кислорода в теле человека составляет 3,24х10 в 22 степени. При этом только 25% сохраненных молекул доступны тканям. Поэтому количество активных молекул - 8,1х10х21. Для сравнения, один респироцит может хранить 1,51х10х9 молекул, которые полностью доступны к тканям. Получается, что для полной замены эритроцитов респироцитами потребуется 5,36х10х12 наномеханизмов.

Для чего это нужно?

В основном, как универсальный донор при потере крови. Респироциты могут использоваться при разных видах анемии, заболеваний легких, генетических отклонений (напр. серповидноклеточная анемия).

Респироциты не подвержены старению, атакам вирусов гепатита, СПИДа, малярийных паразитов и др. Особенно такие наноустройства помогут при трансплантации в качестве носителя кислорода. Роботы способны обеспечить дыхание новорожденных младенцев при маточной асфиксии, травмах и других заболеваниях. С помощью респироцитов водолазы и космонавты смогут по 4 часа находиться без доступа кислорода, т.к. наномеханизмы обеспечивают работу ВПДА - Внутреннего Подводно - Дыхательного Аппарата (англ. SCUBA). При этом подводникам можно не бояться компрессионной болезни. Запас кислорода в таком случае пополнятся с помощью 6-12-ти минутной гипервентиляции, после котрой можно опять плавать 4 часа.

Жаль, что в настоящее время такое устройство пока ещё нельзя сконструировать. Но будем надеяться, что, примерно, через 30 лет первые ассемблеры облегчат производство респироцитов.

Дизайн сайта разработан KN Graphics