Микророботы вместо хирургов. Будущее медицины

Медицина... Один из важнейших аспектов нашей жизни. Какую пользу в медицине может принести роботизация и автоматизация? С какими угрозами в будущем могут столкнуться люди? Может ли робот превзойти человека? Могут ли люди и искусственный интеллект существовать в гармонии и при каких условиях? Какие перспективы открываются при объединении людей и всего научно-технического потенциала в Созидательном обществе?

Достаточно лишь «ввести» запрос о роботизации в поисковую систему и самому удостовериться в том, что какую сферу деятельности человека ни возьми, роботы с успехом её осваивают. На сегодняшний день в мире существуют роботы-хирурги, роботы-медсёстры, терапевтические роботы, роботы-транспортировщики, биопринтеры.

Меня более всего заинтересовала набирающая популярность тема о микроробототехнике в медицине. Сейчас много учёных занимаются разработкой микророботов, нанороботов с целью адресной доставки лекарств в организм человека или осуществления микроопераций. Будущее данной индустрии очень перспективно, так как перед ней открывается масса возможностей. 

Прежде чем мы приступим к ознакомлению с примерами микророботов, хочу раскрыть понятия, которые удалось найти, что такое «микро» и «нано». Принято считать, что в природе существуют микро-, нано-, пико- и другие диапазоны измерений. В микро- входят все объекты от 100 мкм до 100 нм, а в нанодиапазон – от 1 до 100 нм. Наглядно представлено на рисунке ниже.

Также из других источников об определении «нано» следует обращать внимание больше на момент изменения свойств самого объекта. Например:

«...наиболее существенным является указание на то, что «настоящее нано» начинается с момента появления новых свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам и отличающихся от свойств объёмных материалов. То есть существеннейшим и важнейшим качеством наночастиц, основным отличием их от микро- и макрочастиц является появление у них принципиально новых свойств, не проявляющихся при других размерах» [13]. 

В данной статье очень часто будут использоваться слова «микророботы» или «микроботы». Для понимания, микророботы/микроботы – это дистанционно управляемые роботы, которые способны выполнять определённые виды задач [5]. 

Итак, начнём.

Микророботы, управляемые ультразвуком и пузырьками воздуха

Группой учёных во главе с профессором Мингмин Ву (Mingming Wu) были разработаны микророботы размером с клетку, которые управляются с помощью ультразвука. В сентябре 2021 года в журнале «Лаборатория на чипе» вышла статья «Биологически вдохновлённые микророботы-пловцы, дистанционно управляемые ультразвуковыми волнами» [1].

Напечатаны микророботы на 3D-принтере с помощью лазерной литографии NanoScribe. Этот принцип создаёт трёхмерные наноструктуры путём прямой записи на светочувствительную смолу. Как сама профессор утверждает, на создание данных микропловцов вдохновило их команду именно движение бактерий и сперматозоидов. 

Микроботы имеют форму треугольника, которая с виду напоминает насекомого, скрещенного с ракетным кораблём.

Важной особенностью робота является пара впадин на его спине. Когда микропловец погружается в раствор, маленькие пузырьки воздуха автоматически захватываются в каждой плоскости, потому что полимерный материал, из которого он создан, является гидрофобным, а значит водоотталкивающим. При наведении ультразвукового преобразователя на бота пузырьки воздуха начинают колебаться, таким образом создаются вихри, которые толкают вперёд микропловца.

В будущем планируется создать микророботов из биосовместимого и биоразлагаемого материала, чтобы они могли безвредно растворяться в организме человека после того, как задача будет выполнена. Микророботизация может продвинуть современные технологии в области адресной доставки лекарств и удалённой микрохирургии.

В Швейцарии разработали микроботов, умеющих менять форму под окружающую среду

Исследователи EPFL и ETH Zurich создали крошечных роботов-медиков, которые подстраиваются под условия внешней среды, они меняют форму и способ передвижения. Для того, чтобы робот мог эффективно трансформироваться, разработчики сконструировали его так, чтобы переход осуществлялся с помощью считывания уровня сахара в крови. Данные боты сделаны из слоёв биосовместимого гидрогеля, который сложен по принципу оригами. А с помощью магнитных микрочастиц можно без вреда извлекать ботов из тела, используя переменное электромагнитное поле. 

Как утверждают сами создатели, новые микророботы могут также самостоятельно передвигаться.

Учёные проводили эксперименты с микроботами, пропуская их через узкие стеклянные трубочки, имитирующие форму кровеносных сосудов. Их пропускали через жидкости с разной вязкостью. Эти эксперименты позволили исследователям определить, какая форма для какой среды более эффективная. В будущем этих роботов можно будет применять в доставке лекарств в необходимое место или совершать микрооперации в организме человека [2]. 

Калифорнийские учёные создали микророботов-врачей

Как сообщает издание ScienceRobotics, учёные из Калифорнийского технологического института создали микроботов, которые могут перемещаться по организму человека с помощью внешнего управления [3]. Эти роботы имеют форму микроскопической сферы, изготовленной из металлического магния. Сфера покрыта тонким слоем золота и парилена, то есть устойчивого полимера к агрессивной среде желудка человека. В микророботе есть небольшое отверстие, наподобие иллюминатора, который оставляет открытым металлический магний. Когда робот попадает в желудок, то магний вступает в реакцию с жидкостью, создавая струю пузырьков. Это позволяет микропловцу передвигаться в организме человека, пока он не столкнётся с чем-либо. В структуру микросферы ещё добавили слой с лекарством.

Также исследователи поместили устройство в микрокапсулу из парафина, что позволяет микророботу быть устойчивым к агрессивной среде. Управление микроботом осуществляется с помощью фотоакустической компьютерной томографии, где благодаря импульсам инфракрасного лазерного света в режиме реального времени осуществляется контроль движения микросфер.

Испытания проводились пока только на мышах. В будущем планируется использовать данную технологию для доставки лекарства в необходимое место в организме человека.

Китайские исследователи научили микророботов плавать

Учёные из Харбинского политехнического университета (провинция Хэйлунцзян, КНР) сконструировали микророботов, которые могут плавать по кровеносным сосудам человека [4]. Управлять роботами-пловцами можно путём внешнего магнитного поля. Исследователи установили, что если управление устройством в жидкости происходит при частоте 25 гц, а размер бота составляет около 5 микрометров, то он может передвигаться со скоростью примерно 60 микрометров в секунду. А это почти в 12 раз больше, чем размер самого микропловца.

Робот состоит из трёх частей: центральной, которая изготовлена из золота, и двух подвижных никелевых «рук», которые соединяются с центральной частью благодаря пористым «шарнирам» из серебра.

Испытаний на людях (путешествие по кровотоку) пока не проводилось, поскольку сами микророботы должны состоять из биосовместимых материалов. Учёные утверждают, что через 5–10 лет уже можно проводить эксперименты на человеческих органах. Например, мочевыводящих путях или глазном яблоке. Исследователи также сообщают, что для адресной доставки лекарств понадобится возможно не один робот-пловец, а тысячи.

Хищные растения помогли учёным создать микроботов, которые побывали внутри глаза

Учёные из Германии, Дании и Китая во главе с Пиром Фишером (Peer Fischer) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка разработали микророботов, которые управляются с помощью внешнего магнитного поля. Исследователи научились управлять устройством в плотном стекловидном теле глаза. До этого микроботы могли перемещаться лишь только в биологических жидкостях, но не тканях. Данные роботы в будущем могут излечивать глазные заболевания, такие как диабетическая ретинопатия, глаукома и другие, как сообщается в статье, опубликованной на сайте Science Advances [6]. 

Микропловцы состоят из двух частей: головки размером 500 нм и спиралевидного хвоста. Длина робота составляет 2 мкм. Это примерно соответствует ячейке сетки гиалуроновых макромолекул, из чего и состоит стекловидное тело глаза. Микроробот изготовлен из диоксида кремния и никеля.

Главной особенностью данного устройства является его скользящее покрытие на основе перфторуглеродов. Идею учёные одолжили у «хищных растений» рода Nepenthes. Их кувшинки, которые они используют для ловли насекомых, покрыты очень скользким веществом, что позволяет удерживать жертву внутри. Перфторуглеродное покрытие устойчиво к давлению и механическим повреждениям.

Испытание проводилось на свинном глазе, поскольку по структуре он очень близко напоминает глаз человека. Результатом стало успешное преодоление роботами около сантиметра и проникновение до сетчатки глаза.

В США изобрели живых микророботов

Учёные во главе с автором эксперимента Майклом Левином (эволюционный биолог) из Университета Тафтса в США впервые создали биологических микророботов – ксеноботов. Это микроскопические роботы, названные в честь африканской когтистой лягушки Xenopus laevis, собственно из клеток которой они были созданы. 

Исследователи взяли самый оптимальный вариант и создали программируемый организм из стволовых клеток эмбрионов лягушки. Учёные разделили клетки и поместили в чашку Петри. А уже в чашке эти организмы стали развиваться сами по себе. Двигаться они начали за счёт сокращения клеток сердечной мышцы, а клетки кожи создали некий каркас, удерживающий всю конструкцию организма. Данные боты были разработаны в январе 2020 года [7]. 

Размер сформировавшихся сфер в среднем составляет около 487 ± 39 (у маленьких) и до 602 ± 30 (у крупных сфер) микрометров. Продолжительность жизни организмов составляет 9–10 дней, при этом не требуя источников пищи.

В исследовательском центре Университета Вермонта были смоделированы различные комбинации клеток кожи и сердца с помощью искусственного интеллекта. Произведённые расчёты определяют форму биороботов для выполнения определённой задачи: его движение и функции. Ксеноботы были созданы в строгом соответствии с алгоритмом, а поведение заранее спланировано. Биологи заметили, что действия ксеноботов зависит от их строения и формы. Данные были отправлены программистам, которые смоделировали виртуальную среду обитания по типу симуляции для цифровых версий ксеноботов. Таким образом было создано несколько форм.

Ещё одной особенностью для ксеноботов оказалась способность к регенерации и полному восстановлению изначальной формы при повреждении. А недавно исследователи обнаружили, что биороботы способны сами создавать себе подобных, повторяя свою форму.

Применение данных микроботов прогнозируется самими разработчиками в сфере медицины в качестве адресной доставки лекарства, а также для очистки от радиоактивных отходов или для сбора микропластика из мирового океана. О данном открытии была опубликована работа в Science Robotics [8].

Интересные факты

1. Микророботы способны удалить радиоактивные отходы

Учёным удалось разработать микророботов для захвата и удаления радиоактивного урана из воды. В 2019 году к боту был добавлен микромотор ZIF-8. Его размер в 15 раз меньше диаметра человеческого волоса. В структуру устройства были внесены атомы железа и наночастицы оксида железа для того, чтобы стабилизировать микробота и сделать его магнитным. В реакцию вступают наночастицы платины, размещённые на концах стержня, которые превращают перекись водорода в воду. При этом выделяются пузырьки кислорода, что и приводит в движение робота. Из опытов следует отметить, что микроботы справились с задачей за час и удалили 96% радиоактивного урана в имитируемых сточных водах. По словам исследователей, данных роботов можно использовать не только для устранения отходов, но и также в их переработке [9].

2. Микроботы могут очистить воду

Учёным из университета Макса Планка удалось разработать микророботов по очистке воды. Микроботы Janus представляют из себя сферу, которая состоит из двух частей: одна сделана из магния, что позволяет двигаться в воде, поскольку магний вступает в реакцию и создаёт пузырьки, другая же часть состоит из сплава железа, золота и серебра, с помощью которой и удаляются вредоносные бактерии. Данные роботы двигаются самостоятельно, магниевого топлива хватает на 15–20 минут. За этот период они очищают воду до 80%. Извлечь ботов из воды можно с помощью магнита. Учёные также сообщают, что ими не было замечено каких-либо вредных отходов в воде от очистки. Об этих разработках сообщается в журнале ACS Applied Materials & Interfaces [10].

3. Микроробот очищает воду от микропластика

В Нидерландах группа учёных разработала миниатюрного робота, размером 1х1 см. Робот, который сконструирован из быстро реагирующих полимеров по принципу коралловых полипов, может передвигаться с помощью света и гравитации. У него имеются щупальца, которыми притягивает к себе мусор. В будущем планируется создать массив искусственных полипов, которые смогут взаимодействовать между собой. Об этом сообщается в журнале PNAS [11].

В журнале Matter опубликовали исследование о том, что учёные разработали новый вид микророботов, которые позволяют расщепить микропластик из мирового океана. Их называют миниатюрными магнитными катушками, их размер составляет менее 1 мм. Эти боты представляют из себя металлические катушки, которые покрыты азотом и марганцем. Когда проводили эксперименты по утилизации микропластика, то на выходе получили углекислый газ, воду и ряд нейтральных солей, которые не опасны для окружающей среды. Учёные помещали ботов в разную по составу воду и выяснили, что за восемь часов сократилось содержание микропластика на 30–50% [12].

ВЫВОДЫ, УГРОЗЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Как мы видим, наука и технологии развиваются довольно успешно в направлении роботизации и автоматизации. Как сами исследователи говорят, микророботизация позволяет не только проводить микрооперации и осуществлять адресную доставку лекарств в будущем, но и также позволит лучше понять устройство мира на микроуровне. Пока ещё микророботы не могут заменить врачей полностью, всё равно нужно контролировать действия ботов и ими управлять. В них всё ещё пока нет искусственного интеллекта, но ксеноботы уже очень близки к этой идее. Я думаю, это вопрос нескольких лет, а может и меньше. Ведь когда изобретут искусственный суперинтеллект, то под его контролем будет находиться вся жизнедеятельность человека.

Угроза тотальной безработицы также здесь присутствует. Поскольку стоит лишь научиться внедрять искусственный интеллект в микроробота, хирурги будут не нужны. Даже не нужны будут люди для того, чтобы контролировали данного робота. У него будет ИИ, который не сделает ошибки, он выполнит то, что в него вложили. А это значит, огромное количество специалистов останутся без средств существования.

Я слышала утверждение от людей на тему четвёртой промышленной революции, что роботы не вечны, они также изнашиваются, им нужно проводить техобслуживание, создание новых устройств. Но к сожалению, мы пока не видим в полноте ситуацию. Мы смотрим на это сквозь розовые очки… Дело в том, что если искусственный интеллект уже заменяет человека в искусстве, то взять и починить другого робота ему не представит никакого труда и уж тем более провести техобслуживание. Мы создаём что-то новое с благими намерениями, видим только положительные свойства той или иной технологии, но не смотрим на угрозы, которые она может создать. Будем ли мы лечить и спасать жизни или запрограммируем микроробота на убийство человека? Робот – это всего лишь инструмент, и как мы будем этим пользоваться – всё зависит от человека.

Теперь давайте взглянем на эту технологию в нынешнем потребительском обществе. Что мы видим? Прекрасная технология, которая способна за короткий период без каких-либо отягощающих последствий для организма спасти жизнь человеку и сэкономить средства на лечение. Будут ли люди приходить к человеку-врачу или воспользуются дешёвой и качественней услугой микробота-врача? И как мы понимает, что развитие этой ситуации дальше приведёт к безработице врачей.

Сейчас разрабатывают роботов, которые успешно очищают воду от радиоактивного урана, даже очистка мирового океана от микропластика им под силу. А это весьма существенный инструмент, который может решить в короткий срок вопросы экологии. Но будет ли в потребительском обществе человек думать об этом? К сожалению, мы стали заложниками сложившегося формата. Мотивацией для производителя в основном является потребность в зарабатывании денег или значимости. А мотивация для потребителя – пользоваться удобствами цивилизации или просто для имиджа. Будет ли производитель выпускать микророботов только потому, что нужно спасти экологию Земли? Ведь он также, как и все, является жителем планеты Земля? И это тоже его касается. На сегодняшний день многие учёные вынуждены брать гранты на совершенно бесполезные для общества исследования, просто потому, что кушать же хочется. А если и найдутся честные люди, которые хотят во благо работать, так всё равно они сталкиваются с абсурдностью потребительского общества: материалы, техника не бесплатны. Или просто уважаемые коллеги могут не поддержать для получения гранта, даже если дело благородное. Долго ли смогут такие учёные работать на одном энтузиазме? Надолго ли хватит собственных сил и средств?

На сегодняшний день учёные, врачи вынуждены запрашивать непомерные средства за свои услуги из-за существования потребительского формата, или искать нелегальный заработок, который может граничить с угрозой для жизни других людей. В условиях, когда лечение людей рассматривается как неустойчивая бизнес-модель, доктор, переступая совесть, не излечивает человека, а как бы поддерживает состояние неполного выздоровления. Ведь это гарантия того, что человек к нему опять обратится. Это как вложенные дивиденды, обеспеченное будущее. Будет ли каждый медик честно бороться за жизнь человека лишь только потому, что это наивысшая ценность? Тем более во времена климатических катастроф, когда врачи могут стать как никогда востребованы. Люди, которые потеряли из-за изменения климата всё, довольно часто не имеют средств оплатить даже элементарную медицинскую помощь. Что тогда им делать? А что делать медику? Ведь он также вынужден выживать.

Будем ли мы запускать микророботов, которые могут очистить территории, загрязнённые радиацией по человеческой вине, лишь только потому, что это влияет на окружающую среду и на здоровье каждого человека в целом? Будем ли мы поступать как люди в период стремительного климатического изменения на планете, где будет ценно всё для нашего спасения?

В потребительском обществе – нет. Ведь каждый озабочен тем, как не остаться без крова, пищи и одежды. Винить кого-либо в чём-то не стоит, ведь каждый из нас вложил свою долю в формирование нашего современного общества. Мы все зависим друг от друга. 

Человек сейчас в обществе зачастую проявляет свои низменные качества. Он не умеет контролировать свои эмоции, он не распознаёт в себе гордыню. Он борется с внешним врагом, считая окружающих потенциально опасными, при этом забывает, что единственной причиной всех конфликтов является человеческая гордыня и эго. Человек проявляет власть и доминацию над другими, манипулирует. С учётом вышесказанного, как вы думаете, каким образом мы воспользуемся микророботами, будь они в наших руках?

Как сказал Игорь Новиков, глава киевского отделения SingularityU, на международной онлайн-конференции «Глобальный кризис. Это уже касается каждого» о работе нейросети:

«...есть простое правило: если Датасет, на котором обучена нейронка, составлялся людьми, то действия и качество работы этой нейронки будет зеркалом Датасета. То есть по большому счёту, если у нас будут расовые предрассудки заложены в Датасеты, либо религиозные, либо какие-то ещё, то нейронка, которую мы считаем абсолютно рациональной, будет на самом деле иррациональной и предвзятой так же, как её создатель».

Теперь давайте рассмотрим эту технологию в Созидательном обществе. Представим, что мы уже живём в таком обществе, где ценность жизни любого человека стоит на первом месте и все вопросы, решения, действия, технологии, развитие будут отталкиваться от первой основы – Жизнь Человека. Тогда перед учёным, медиком открываются масса возможностей. Например, когда всё человечество приняло решение, что нам нужно очистить Землю от микропластика, или расчистить территории от радиоактивного урана, или усовершенствовать технологии спасения жизни, то на это будут направлены средства, чтобы изготовить необходимое количество микророботов и запустить их в океан, загрязнённые участки или в организм человека. 

Вы скажете, так в чём разница тогда с нашим потребительским миром, будут же опять воровать? Разница существенная. Дело в том, что условий для невыполнения принятого обществом решения не будет, поскольку каждый человек сможет контролировать процесс выполнения с помощью электоральной платформы. Даёт на это право каждому человеку восьмая основа – Самоуправление общества. Каждый на своём месте в любой момент может зайти и в режиме реального времени предпринять меры, если это необходимо, и получить достоверную информацию. И для этого существует четвёртая основа – Прозрачность и открытость информации для всех. То есть, по сути, сам же человек, который понимает всю ответственность, не допустит, чтобы происходило что-то античеловечное. Ну и для того, чтобы человек понимал разницу между человеческими качествами и античеловечными, ему необходимо ответственно подходить к воспитанию в себе высокоморальных, нравственных качеств. А это пятая основа – Созидательная идеология.

Гарантию сохранения средств для комфортного существования любому человеку в обществе даёт третья основа – Безопасность Человека. Сюда входит бесплатная и качественная медицина, образование, жильё и пища, полное социальное обеспечение. А седьмая основа – Справедливость и равенство – гарантирует человеку трудоустройство и одинаковую по всему миру достойную оплату труда за идентичную специальность. Ограничение капитализации индивида позволяет контролировать справедливость распределения ресурсов между всеми людьми на планете. Где мы найдём средства на бесплатную медицину, образование, жильё и пищу? Да просто уберём финансирование тех отраслей, которые забирают жизнь или не приносят никакой ценности и пользы для общества, так как противоречат первой основе. Например, военная отрасль. При этом специалисты, ранее занятые в этих областях, смогут направить весь свой опыт и потенциал в созидательное русло: военные могут стать отличными спасателями, а учёные вместо создания оружия займутся теми же нанотехнологиями или любой другой полезной для общества темой.

Как мы видим, что одна основа вытекает из другой, они взаимосвязаны. Это нам говорит лишь о том, что 8 основ Созидательного общества могут работать только сообща, когда они будут приняты на законодательном уровне во всех странах мира.

Сейчас разные группы учёных пытаются создать что-то уникальное и универсальное в микророботизации. Не скажу, что их попытки на все 100% успешны, хотя хорошие результаты уже есть. Исследователи работают над усовершенствованием биосовместимости материалов, способов вывода как микророботов, так и нанороботов из организма и утилизации наноотходов. Проводят тесты управления нанороботами, оценку токсикологических рисков и побочных эффектов. Но пока не хватает знаний, опыта, умений, средств, возможностей. А почему? Условия потребительского общества. Мы все разрозненны, боремся за первенство, за эксклюзивность. А зачем это? Да потому, что если будем первыми, то значит и сможем заработать целое состояние, привлечь к себе внимание. 

А представьте, если выбросить весь этот мусор из головы, убрать все разделения и объединиться на идее Созидательного общества, то перед человечеством открываются невероятные возможности. Из вышепредставленных примеров микроботов у каждого из них есть какая-то особенность: один умеет плавать, второй сделан из биосовместимых материалов, третьи вообще созданы из живой ткани. Конечно, учёные сталкиваются с проблемами или неудачами при создании новых технологий, но если объединить этот весь потенциал величайших умов нашего мира и их достижения, направить на одну цель, то наша медицина, наука, технологии прорвутся далеко вперёд. Такие перспективы открываются не только в сфере нанотехнологий, но и в любой другой – образовании, климатологии, экологии, экономике, изучении космоса и других.

Объединение – великая сила. Ещё К. Э. Циолковский говорил:

«В Золотой век войдут люди, которые научатся объединяться.

И объединение имеет тоже свой закон: две ауры усиливают друг друга в 7 раз, если люди – единомышленники, волна одинаковая, в одну цель направлена. 3 человека – в 7 в квадрате, то есть в 49 раз. Если 4 человека – они усиливают друг друга в 7 в 3-й степени – в 343 раза!

Поэтому чем больше людей, тем ценнее каждый следующий, он умножает силу во много раз. Коллектив – великая сила».

Так что мы выбираем?

---

Литература и источники изображений: