Mikro roboti proti nanostrojům

PAVEL VACHTL  |  Věda
Mikro roboti proti nanostrojům

Jak malý musí být robot, aby si vysloužil přídomek nano? A máme se těchto mikroskopických strojků bát, nebo se na ně těšit? A kdy vlastně? A k čemu nám něco tak malého bude?

Již mnoho let slýcháme zprávy o příslibech nanotechnologie, které jsou již za dveřmi. Skutečnost je jiná. Doba přeje v praxi hlavně mikrotechnologii, tedy souboru metod, sloužících k ovládnutí domény zhruba tisíckrát větší či „hrubší“. Pro součástky a zařízení v této oblasti se vžila zkratka MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

MEMS nezahrnují jen oblast mechaniky či elektroniky, ale rozumějí se jimi i jakákoliv jiná zařízení v rozměrech řádu mikrometrů (106 metru). Za mikrostroje se také považují ta zařízení, jenž zabírají méně než jeden kubický milimetr objemu. MEMS již pronikly do technologické praxe – nelze si bez nich představit např. airbagy v autech, hlavy pevných disků a spoustu dalších komponent pro výpočetní elektroniku nebo měřicí techniku. Někdy se považují MEMS a nanotechnologie za jednu oblast. Jindy se oddělují – kvůli odlišné technologii výroby, odlišným funkcím, vlastnostem a jiným potenciálním aplikacím. Pomocí přístrojů na bázi MEMS lze manipulovat i s některými nanosystémy, NEMS (Nano Electro Mechanical Systems). Mikromechanika a MEMS budou „vládnout“ po celé nejbližší desetiletí a změní náš svět dříve než nanotechnologie. Její aplikace budou patrnější až za 15 až 20 let.

Ústředním pojmem MEMS jsou transducery (převodníky elektrické energie na mechanický aj. fyzikální pohyb či fungující opačným směrem – první případ se nazývá aktuátor či motor, druhý a opačně směřující je senzor, čidlo). Cílem je integrace elektronických a komunikačních obvodů (mozek) s mikrosenzory (čidla) a výkonnými členy (ruce a nohy), případně i s vlastními mikrozdroji energie. Výsledkem má být inteligentní mikrosystém – mikrorobot, který si dobře rozumí s okolním prostředím.

Inspirace ze sci-fi

Příznivci Star Treku znají borgské nanosondy, fanoušci Červeného trpaslíka či Krajních mezí různé bizarní nanoboty, pronikající do těla. První výskyt, dokonce ve formě létajícího a kooperujícího mikrohmyzu, byl však zaznamenán v románu Stanislawa Lema Nepřemožitelný (1964).

Lem se zabýval podobnými tématy i nadále a popisoval mj. neviditelné (nano)zbraně, způsobující plíživou erozi nepřátelské infrastruktury.

Nechybějí však ani pozitivní vize, využívající armády nanostrojů k výzkumu vesmíru či terraformingu planet nebo ke zdokonalení lidského průmyslu (Neal Stephenson – Th e Diamond Age). Mikro- a nanostroje lze využít při sběru či zpracování dat z rozsáhlé oblasti (distribuované senzory), lze jimi také plošně působit na prostředí, resp. přetvářet hmotu v molekulárním či atomovém měřítku. Tyto stroje by teoreticky mohly čistit životní prostředí, upravovat suroviny a materiály či vyrábět energii. Systémy či roje drobných strojů by se ale mohly teoreticky vymknout původnímu účelu a lidské kontrole. Tato představa je popisována pod názvem grey goo problem – „zdivočelé“ nanostroje by pak mohly vše, na co přijdou, přeměnit v „šedý šmír“. Ovšem pro jakékoliv vymoženosti technické civilizace platí, že čím lepší sluha, tím horší pán.

Trnitá cesta zmenšování

Realita je zatím skromnější -mikrominiaturizace s sebou nese výrobní i provozní problémy. Musíme totiž zvládnout v tomto měřítku vyrábět nejen elektronická zařízení (mikroelektronika má již přes 50 let dlouhou tradici), ale i mechanické součástky, známé z „velkého“ světa. Rozdíl mezi výrobou mikroelektronických a mikromechanických je značný – v prvním případě vyrábíme zpravidla plošné a statické vodivé struktury (2D obvody, tištěné spoje), avšak pohyblivá mikromechanika vyžaduje rozměry tři (3D), navíc zcela geometricky přesné tvary. Někdy i u výroby 3D součástek vystačíme s upravenými klasickými postupy (přesná litografie, leptání), jindy potřebujeme metody novější. I v mikromechanice je častým materiálem křemík. MEMS se prosadily např. jako měřicí senzory (tlakové, mikroakcelerometry – součásti airbagů u aut), také jako stabilizující mikroaktuátory u hlav pevných disků. Dále u digitálních projekčních monitorů a optických sdělovacích obvodů (otočná či deformovatelná mikrozrcátka – Digital Light Processing, světelné routery a switche) a u trysek inkoustových tiskáren (aplikace mikrofl uidiky). Není daleko doba, kdy PC na bázi MEMS bude vážit cca 100– 200 g.

Diagnostické mikrosoučástky také postupně směřují do nitra lidského těla. Skupinám mikrosoučástek, které jsou schopny monitorovat okolí a podle situace v něm reagovat nebo vytvářet struktury, se říká chytrý prach (smart dust). Další oblastí výzkumu jsou roje mikrotransformerů, ty mají svou konfi gurovatelností nahradit několik předmětů najednou. Někdy se pro ně používá termínu utility fog (užitková mlha), jindy se používá pojmu catomy (claytronické atomy, této oblasti se někdy říká claytronika) či programovatelná hmota.

Do lidského těla

Mikrostroje dnes umožňují pokrok na poli sluchových kochleárních protéz a kardiostimulátorů. Také jsou k dispozici pasivní endoskopické minikapsle s kamerou (PillCam s rozměry 1×2,5 centimetru), které zevnitř snímají tenké střevo.

Kromě zmenšování diagnostických sond a implantátů se očekává rozvoj mikrochirurgie pro opravy poškozených orgánů a tkání. Také se pracuje na dopravě léků na konkrétní místo v těle (inteligentní mikrokapsle) a detailní automatické analýze DNA, krvinek a proteinů pomocí nástroje, vybaveného kapilárami. V Japonsku byly sestrojeny rotující spirálky, které jsou schopné pohybovat se uvnitř lidských cév. Měly by také být schopny zavrtat se do rakovinných nádorů, do těla mají být vpraveny pomocí podkožní injekce. Uvnitř těla mají být řízeny i poháněny pomocí vnějšího magnetického pole. Někdy bude třeba opatřit mikro/nanosondu vlastním motorkem. Zde se zkouší pohony typu rotujících bází s bakteriálními bičíky, což funguje podobně jako lodní šroub, piezoelektrické „svaly“ nebo reaktivní pohon uhlíkových nanotrubek pomocí uvolňování peroxidu vodíku. Zatím jsou ale v tomto směru velmi malé zkušenosti přímo v těle. V počítačích se již objevují i budoucí nanotransportéry, molekulární kontejnery, schopné na přesném místě (uvnitř buňky) vypustit přesnou dávku léčivé substance. Další větev výzkumu je věnována pokusům o hybridní sondy, které by obsahovaly jak neživý, tak i živý materiál najednou. Ty však zatím nelze příliš ovládat. A zcela v oblasti sci-fizůstávají nanosondy, schopné obnovit buňky a tkáně.

Kosmonautika a letectví

Nezaostává ale ani daleký vesmír. První satelity postavené na technologií MEMS byly vypuštěny v lednu roku 2000 (DARPA, pikosatelity, hmotnost 400 g, rozměry těles 102×76×25 mm).

V budoucnu mají kooperující mračna malých a levných sond, ne větších než mince, přinášet data z vesmíru či z povrchu jiných planet. Lehké mikrosondy se snadno zabrzdí i v řídké planetární atmosféře, aniž by shořely nebo se rozpadly při dopadu, celý roj prostě spadne jako déšť. I kdyby bylo cestou 50 % mikrosond zničeno, zbytek odvede rovnocennou práci. Firma TRW již 10 let připravuje subcentimetrové raketové mikromotory. V rámci monitorování stavu letadel se vyvíjejí pásy tlakových senzorů pro měření pole zatížení na křídlech a trupu, také systémy aktivního ovlivňování tvaru proudění vzduchu u povrchu letadla. Zvláštní kapitolou jsou komunikující roje drobných létajících robotů („robohmyz“).

Nejmenší stroje a roboty

Donedávna nejmenší mikroroboty (670×170×240 mikrometrů) byly vyvinuty v roce 2000 ve Švédsku, za účelem lékařských operací a výzkumu uvnitř těla – byly schopny existovat i v agresivnějších tekutinách. Byly vyrobeny z vrstev polymeru a zlata a dokázaly zvednout skleněný korálek, okem neviditelný. Paralelně jsou vyvíjeny křemíkové mikromotory, soustavy ozubených mikrokol, mikrogyroskopy, mikrozávěrky či mikrokleště.

Nejmenší současné mechanismy, které jsou schopny řízené činnosti, jsou vyvíjeny paralelně na Duke University a Dartmouth College. Mají rozměry 60×250×10 mikrometrů (cca 80–100 mikrometrů je šířka lidského vlasu). Vypadají jako obdélníkové pláty opatřené „pacičkou“ a pohybují se díky bezdrátovému ovlivňování v elektromagnetickém poli. Skupina těchto robotů byla schopna synchronizovaně „tančit“ na Straussův valčík. Později mají sloužit k zasouvání detekčních uhlíkových nanotrubiček do nervových buněk.

NANOFOTBAL

Přes 10 let se koná mezinárodní „fotbalová“ soutěž pro roboty -Robocup. V roce 2007 byla vypsána kategorie mikrostrojů pod názvem Nanogram (hmotnosti strojů činí kolem desítek až stovek nanogramů, jejich rozměry desítky až stovky mikrometrů). Zúčastnilo se jí 5 týmů a „klání“ se odehrávala na skleněné destičce s úhlopříčkou 3 cm. Hřišť se sem vešlo 16, o rozměrech 2,5×2,5 mm, dění snímal optický mikroskop a „hráči“ byli řízeni lidmi. V této kategorii nešlo o zápas jako takový, spíš o závody na čas, dále o slalom mezi statickými obránci protivníka (tečky z polymeru) a umístění co nejvíce „míčů“ do branky během 3 minut. Zvítězila skupina odborníků ze Swiss Federal Institute of Technology, Zürich. V budoucnu se má tato kategorie stát samostatným turnajem.

Roje drobných strojů by se ale mohly vymknout lidské kontrole, „zdivočelé“ nanostroje by pak mohly vše, na co přijdou, přeměnit v „šedý šmír“.

Mikro roboti proti nanostrojům

MIKRO A NANO

hranice a rozdíly Hranice mezi MEMS a NEMS nejsou ostré. Za horní hranici „mikrosvěta“ lze považovat jeden kubický milimetr. Dolní leží kdesi kolem 100 nm = 0,1 mikrometru (rozměr viru). Někdy „marketingový“ název zařízení nesouhlasí s jeho faktickými rozměry – nanorobotem je zváno zařízení MEMS a za mikroroboty se označují přístroje o rozměrech milimetrů či centimetrů. Oblast mikrotechnologií se vyznačuje zmenšováním klasických makroobjektů (přístup top-down, seshora dolů), u nanosystémů pouze s tímto postupem nevystačíme. Někdy lze využít konstrukčních nástrojů dimenze MEMS, např. „psacích sond“ na bázi mikroskopů se skenovací sondou (SPM – scanning probe microscope), abychom vyrobili struktury menší, nanoskopické. Přístroje SPM nejen skenují, ale i manipulují s mikrovrstvami či nanokousky materiálu. Typičtější pro nanovýrobu je ale samovolná či řízená organizace nebo „pěstování“ struktur na atomární či molekulární úrovni (přístup bottom-up, zezdola nahoru), což hraničí s metodami chemie, mikrofyziky či molekulární biologie. Někdy zde lze využít funkční analogie ze světa biologických struktur nebo přímo biologického materiálu.

Vypadají jako obdélníkové pláty opatřené „pacičkou“. Skupina těchto robotů byla schopna synchronizovaně „tančit“ na Straussův valčík

NEJMENŠÍ „AUTO“ NA SVĚTĚ – NANOCAR

Vědci z Rice University v říjnu 2005 vytvořili autu odpovídající nanostrukturu s šířkou asi 4 nanometry, která se skládá z jednotlivých atomů (molekula DNA je ještě užší). Každé ze 4 točících se kol, napojených k šasi, je tvořeno 60 atomy uhlíku (3D molekula zvaná buckyball) a nanoautomobil se pohybuje po podložce ze zlata.

JAK MALÉ

JE OPRAVDU MALÉ?

1 cm brouk, komár

1–2 mm blecha, běžná kapka vody

80–100 mikrometrů tloušťka vlasu

6–10 mikrometrů krvinky, kapička vody v mlze

1 mikrometr bakterie

50–100 nm virus, detaily integrovaného obvodu

10 nm tloušťka bakteriálního bičíku

2 nm průměr šroubovice DNA

0,1 nm poloměr atomu síry

Nejčtenější