Нанороботы

Об авторе: Юрий Георгиевич Свидиненко - аналитик NanoNewsNet.ru "Новости нанотехнологии и нанобизнеса".

Одна из наиболее важных задач нанотехнологии и наноробототехники (нано – приставка, обозначающая масштабы порядка 10^-9 м) – создание робота размерами с бактерию или меньше, способного «строить» из атомов различные объекты. Но, может быть, самая важная особенность таких роботов (наноботов) – реализованная в них функция самосборки из тех же атомов. То есть речь идет о способности наноботов «размножаться» (реплицироваться), как это делают настоящие бактерии. Эрик Дрекслер, пионер нанотехнологии, назвал подобные машины «ассемблерами», то есть сборщиками. Другими словами, самореплицирующаяся структура сможет производить собственные копии, построенные из того же материала, что и сам репликатор. Естественно, что такой робот должен быть изготовлен из составных частей буквально с атомарной точностью. Сделать это можно будет с помощью управляемого механосинтеза – формирования химических связей за счет механического приближения электронных оболочек атомов друг к другу.

Природа использует репликаторы повсеместно – как в клеточной машинерии клетки, так и при репликации живых организмов. Давно созданы компьютерные программы, способные к репликации, одни из них, в особенности «вирусные» программы, ведут себя подобно настоящим вирусам. Поэтому нет причин полагать, что самовоспроизводящиеся структуры создать невозможно. Мало того, если не разработать технологию самореплицирующихся структур, молекулярное производство фактически сведется только к созданию микроскопических продуктов. Поэтому для применения нанотехнологии в конструировании макроскопических объектов необходима технология создания и управления реплицирующимися структурами. Фундамент теории самореплицирующихся структур был создан еще в 1940 году. Это – теория фон Неймана.

Опираясь на модель фон Неймана, можно сделать ряд интересных выводов о самореплицирующихся структурах. Если представить себе подобный репликатор как «конструктор», то при изготовлении третьего репликатора двумя другими репликаторами процесс репликации будет проходить в два раза быстрее. Далее, увеличивая количество репликаторов и специализируя их, получим сложную систему, репликация которой будет гораздо быстрее, чем в системе из обычных репликаторов.

Репликаторы могут быть простые и сложные. Простая система состоит из руки робота и контроллера, который обрабатывает входящие сигналы (Ральф Меркле, 1996). Наноманипулятор, описанный Эриком Дрекслером, состоит из 4x10⁶ атомов. Пусть с добавлением контроллера движения и вспомогательных механизмов простой репликатор будет состоять из 10⁷ атомов. Пусть далее манипулятору необходимо 10⁴ шага для размещения атома, включая время смены инструмента.

Предположим, что манипулятор работает со скоростью 10⁶ шагов в секунду. Тогда такой простой системе необходимо сделать 10¹¹ шагов для того, чтобы собрать свою копию. Это займет 10⁵ секунд, или около 28 часов. Для производства макроскопических объектов необходимо выполнять 10²⁰ операций (размещения атомов, перемещения узлов и т.д.) в секунду. Для этого необходима популяция репликаторов в количестве 10¹⁸ штук (каждый в отдельности работает со скоростью 10² шага в секунду). Для производства такого количества репликаторов необходимо 60 генераций, что займет около 69 дней.

Задача совместного согласованного функционирования такого количества наноботов сложна, и ее невозможно решить без использования беспроводных систем и мощных компьютеров, способных точно управлять гигантским количеством автономных роботов. Не случайно тот же Эрик Дрекслер дал описание системы репликаторов, вышедшей из-под контроля человека. Он назвал эту техногенную катастрофу «серой слизью».

Представьте себе, что алмазоподобные наноботы из-за ошибки в компьютерной программе стали разбирать все вокруг себя на атомы, из которых они тут же собирают собственные копии. Так, за два года (используя модель фон Неймана) вся биосфера Земли может превратиться в месиво, состоящее из одних нанороботов. Это, конечно, очень страшно.

но вряд ли возможно. К счастью или к сожалению - дело десятое. Наноробот - сложный комплекс молекул и действовать он будет практически точно так же, как природный прототип - бактерия (вариант с вирусами не рассматриваем ввиду их пассивности - вирус сам по себе ничего сделать не может, ему обязательно нужна клетка-хозяин). Скорее всего, на самом деле наноробот и будет бактерией (зачем изобретать велосипед, который природа изобрела уже многие миллионы лет назад?), просто он будет либо сильно изменён либо даже спроектирован полностью искуственно, работы в этом и смежных направлениях ведутся давно и активно. А бактерии безо всяких ошибок, а вполне целенаправленно пытаются "разбирать всё вокруг себя на атомы" и создавать из этого свои копии. Почему же вся Земля не погрязла под слоем бактерий, сожравших всё и вся? А потому, что против бактерий работает вся остальная биосфера - те же вирусы (бактериофаги), хищные микробы, многоклеточные существа и их иммунные системы и т.п. Да, действительно, среди бактерий попадаются монстры-терминаторы, которым и радиация нипочём, и антибиотики их не берут, и вирулентность у них колоссальная (а генетики, в принципе, могут усилить и изменить эти свойства так, как кому надо). Но всё же - Земля до сих пор как-то выживала.

Вряд ли когда-нибудь будет создан наноробот, способный сделать свою копию из чего угодно и при каких угодно условиях. Скорее всего, нанитам для функционирования нужна будет контролируемая среда с постоянным хим.составом, температурой, освещённостью и т.п. - как бактериям в биореакторах.

Вариант с сумасшедшим учёным или группой террористов, занимающихся разработкой "нанороботов Судного дня" отметаем, как нереальный - ввиду колоссальнейшей сложности и стоимости работ. Таким "террористам" гораздо проще взять обычную и вполне работоспособную дрянь типа той же сибирской язвы и заразить ею водопровод.

Совсем недавно было сообщено, что NASA совместно с несколькими исследовательскими лабораториями провело исследования, которые доказали: репликатор можно построить! При этом он будет не сложнее, чем процессор Pentium IV. Но та же команда доказала, что построить систему репликаторов, разрушающих все на своем пути, достаточно трудно – ее надо специально спроектировать. По ошибке никакая репликативная система не сможет привести к катастрофе.

Интерес NASA к самореплицирующимся наноботам отнюдь не случаен. Репликаторы могли бы помочь в создании сверхмалых кибернетических летательных аппаратов, которые можно будет использовать в качестве зондов, в том числе для исследования планет Солнечной системы. Также, вероятно, станет возможным построение автономных орбитальных комплексов на основе самореплицирующихся структур. Американские исследователи всерьез изучают возможность создания автономных кибернетических устройств, способных к репликации для освоения Луны и Марса. Короче, создание сверхмалых автономных космических устройств откроет новое направление в освоении космоса и Солнечной системы.

КАК РАЗМНОЖАЕТСЯ «СЕРАЯ СЛИЗЬ»

Срок «беременности» исскуственных механизмов размером с бактерию или вирус – чуть больше суток