Информационный, интегрированный проект: "Бионика. Нанотехнологии"
план-конспект урока (10 класс) по теме

Материалы интегрированного урока-конференции в 10 А классе

Бионика - что это?

        Бионика - наука, находящаяся на границе между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов.

        Идея принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями орнитоптер. В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки.

        Существует 3 основных вида бионики:

• биологическая бионика, изучающая процессы, происходящие в биологических системах;
• теоретическая бионика, которая строит математические модели этих процессов;
• техническая  бионика, применяющая  модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

        В этом плане она приносит пользу и самой биологии, так как помогает активно понять и моделировать те или иные биологические явления или структуры.

            Моделирование живых организмов

        Именно так проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в специальной технической построении модели — изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели .

                        НЕЙРОБИОНИКА

НЕЙРОБИОНИКА - направление в бионике, связанное с изучением и моделированием деятельности центральной нервной системы человека и животных для использования закономерности их строения при создании новых технических приспособлений, кибернетических систем.

Мы будем рассматривать нейробионику с трех позиций:

1. искусственный интеллект
2. нанороботы
3. киборги          

             ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ (ИИ)

Иску́сственный интелле́кт  (англ. Artificial intelligence, AI) — это наука и разработка интеллектуальных машин и систем, особенно интеллектуальных компьютерных программ, направленных на то, чтобы понять человеческий интеллект.

Различные виды и степени интеллекта существуют у многих людей, животных и некоторых машин, интеллектуальных информационных систем и различных моделей экспертных систем с различными базами знаний. При этом как видим такое определение интеллекта не связано с пониманием интеллекта у человека — это разные вещи. Более того, эта наука моделирует человеческий интеллект, так как с одной стороны, можно изучить кое-что о том, как заставить машины решить проблемы, наблюдая других людей, а с другой стороны, большинство работ в ИИ вовлекают изучение проблем, которые требуется решать человечеству в промышленном и технологическом смысле.

 История ИИ

История искусственного интеллекта как нового научного направления начинается в середине XX века. К этому времени уже было сформировано множество предпосылок его зарождения: среди философов давно шли споры о природе человека и процессе познания мира, нейрофизиологи и психологи разработали ряд теорий относительно работы человеческого мозга и мышления, экономисты и математики задавались вопросами оптимальных расчётов и представления знаний о мире в формализованном виде; наконец, зародился фундамент математической теории вычислений — теории алгоритмов — и были созданы первые компьютеры.

Модели и методы исследований

Можно выделить два основных подхода к разработке ИИ.

1.Символьный подход .

Термин «сильный искусственный интеллект» ввел Джон Сёрль, его же словами подход и характеризуется:

«Более того, такая программа будет не просто моделью разума; она в буквальном смысле слова сама и будет разумом, в том же смысле, в котором человеческий разум — это разум».

Символьный подход позволяет оперировать слабоформализованными представлениями и их смыслами. От умения выделить только существенную информацию зависит эффективность и вообще результативность. Широта классов задач, эффективно решаемых человеческим разумом, требует невероятной гибкости в методах абстрагирования. Не доступной при любом инженерном подходе, который исследователь выбирает изначально по заведомо порочному признаку, за его способность быстро дать эффективное решение какой-то наиболее близкой этому исследователю задачи. То есть уже за реализованную в виде правил единственную модель абстрагирования и конструирования сущностей. Это выливается в значительные затраты ресурсов для непрофильных задач, то есть система от интеллекта возвращается к грубой силе на большинстве задач и сама суть интеллекта улетучивается из проекта. Особенно трудно без символьной логики приходится когда задача состоит в выработке правил, так как их составляющие, не будучи полноценными единицами знаний, не логичны. Большинство исследований останавливается как раз на невозможности хотя бы обозначить новые возникшие трудности средствами выбранных на предыдущих этапах символьных системах. Тем более решить их и тем более обучить компьютер решать их или хотя бы идентифицировать и выходить из таких ситуаций.

        Исторически символьный подход был первым в эпоху цифровых машин, так как именно после создания Лисп, первого языка символьных вычислений, у его автора возникла уверенность в возможности практически приступить к реализации этим средствами интеллекта. Интеллекта как такового, без всяких оговорок и условностей.

2.Биологический подход . Напротив, сторонники слабого ИИ предпочитают рассматривать программы лишь как инструмент, позволяющий решать те или иные задачи, которые не требуют полного спектра человеческих познавательных способностей.

        Мысленный эксперимент «Китайская комната» Джона Сёрля — аргумент в пользу того, что прохождение теста Тьюринга не является критерием наличия у машины подлинного процесса мышления.

        Мышление есть процесс обработки находящейся в памяти информации: анализ, синтез и самопрограммирование.

        Аналогичную позицию занимает и Роджер Пенроуз, который в своей книге «Новый ум короля» аргументирует невозможность получения процесса мышления на основе формальных систем.

        Существует разумный критерий отбора наиболее вероятных гипотез будущего развития (в том числе появления ИИ) - внимательное изучение развития в прошлом. В данном случае, имеет смысл обратиться к истории появления первых нервных клеток в многоклеточных организмах:

        Первые нейроноподобные клетки появились из обычных клеток наружных слоёв первобытных многоклеточных организмов. Постепенно они мигрировали внутрь организма.

        ИИ (точнее электронную личность) создадут на основе человеческой личности, что будет сходно с процессом появления нервной клетки в результате трансформации обычной клетки.

        Пройдёт время и часть электронных личностей, будет постепенно консолидироваться в отдельные структуры, целые ансамбли из миллионов и даже миллиардов электронных единиц. Причём в специально отведённых для этого суперкомпьютерах будущего. Где-то появится и "головной мозг" нашей Цивилизации - СуперИИ. Но уже не мы станем его создателями. Он будет состоять из совершенных электронных личностей (примерно так, как и мозг любого животного состоит из нейронов), сплотившихся под руководством единой программы, позволяющей ему ощущать себя некой сверхличностью, а всю цивилизацию - своим реальным телом.

Другие области исследований

Существует масса приложений искусственного интеллекта, каждое из которых образует почти самостоятельное направление. В качестве примеров можно привести программирование интеллекта в компьютерных играх, нелинейное управление, интеллектуальные системы информационной безопасности.

Современный искусственный интеллект

Современное положение дел

        ASIMO — Интеллектуальный гуманоидный робот от Honda.

В настоящий момент в создании искусственного интеллекта (в первоначальном смысле этого слова, экспертные системы и шахматные программы сюда не относятся) наблюдается интенсивное перемалывание всех предметных областей, имеющих хоть какое-то отношение к ИИ, в базы знаний. Практически все подходы были опробованы, но к возникновению искусственного разума ни одна исследовательская группа так и не подошла.

Исследования ИИ влились в общий поток технологий сингулярности (видового скачка, экспотенциального развития человека), таких как информатика, экспертные системы, нанотехнология, молекулярная биоэлектроника, теоретическая биология, квантовая теория(и), ноотропики, экстромофилы и т. д. см. ежедневный поток новостей Курцвейля, MIT.

 Перспективы развития

 В ближайшем будущем просматриваются два направления развития ИИ:

·        первое заключается в решении проблем, связанных с приближением специализированных систем ИИ к возможностям человека, и их интеграции, которая реализована природой человека.

·        второе заключается в создании Искусственного Разума, представляющего интеграцию уже созданных систем ИИ в единую систему, способную решать проблемы человечества.

Связь с другими науками

        Искусственный интеллект тесно связан с трансгуманизмом. А вместе с нейрофизиологией, эпистемологией когнитивной психологией он образует более общую науку, называемую когнитивистикой. Отдельную роль в искусственном интеллекте играет философия.        

 Информатика и кибернетика

        В информатике проблемы искусственного интеллекта рассматриваются с позиций проектирования экспертных систем и баз знаний. Под базами знаний понимается совокупность данных и правил вывода, допускающих логический вывод и осмысленную обработку информации. В целом исследования проблем искусственного интеллекта в информатике направлено на создание, развитие и эксплуатацию интеллектуальных информационных систем, включая вопросы подготовки пользователей и разработчиков таких систем.

Психология и когнитивистика

        Наука «о создании искусственного разума» не могла не привлечь внимание философов. С появлением первых интеллектуальных систем были затронуты фундаментальные вопросы о человеке и знании, а отчасти о мироустройстве. С одной стороны, они неразрывно связаны с этой наукой, а с другой — привносят в неё некоторый хаос.

        Философские проблемы создания искусственного интеллекта можно разделить на две группы, условно говоря, «до и после разработки ИИ». Первая группа отвечает на вопрос: «Что такое ИИ, возможно ли его создание, и, если возможно, то как это сделать?» Вторая группа (этика искусственного интеллекта) задаётся вопросом: «Каковы последствия создания ИИ для человечества?»

 Отношение к ИИ в обществе

        Если в будущем машины смогут рассуждать, осознавать себя и иметь чувства, то что тогда делает человека человеком, а машину — машиной?

ИИ и религия

        Среди последователей авраамических религий существует несколько точек зрения на возможность создания ИИ. По одной из них мозг, работу которого пытаются имитировать системы, по их мнению, не участвует в процессе мышления, не является источником сознания и какой-либо другой умственной деятельности. В соответствии с другой точкой зрения, мозг участвует в процессе мышления, но в виде «передатчика» информации от души. Мозг ответственен за такие «простые» функции, как безусловные рефлексы, реакция на боль и т. п. Обе позиции на данный момент обычно не признаются наукой, так как понятие душа не рассматривается современной наукой в качестве научной категории.

        По мнению многих буддистов ИИ возможен. Так, духовный лидер далай-лама XIV не исключает возможности существования сознания на компьютерной основе.

        Раэлиты активно поддерживают разработки в области искусственного интеллекта.

        Кибернетика — в большей степени наука о живых организмах, человеке и обществе, чем о машинах. Машина — скорее инструмент и модель в общей кибернетике, а не предмет изучения. Так считал сам Винер.

Винер сравнивал машины создаваемые человеком, и машины, создаваемые природой и делал вывод, что машины созданные природой (люди) более эффективны и приспособляемы, но машины, созданные человеком, дали человеку в руки орудие для естественного эксперимента и эксперимента мысленного.

У Винера возможность обучения машин, как и живых систем не вызывала сомнений, он приводил в пример обучение играющих машин, в том числе и шахматных. Но он, конечно, не знал, хотя, я думаю, и не сомневался, что будет создан такой суперкомпьютер, который сможет на равных разыгрывать труднейшие шахматные партии с чемпионом мира по шахматам Гарри Каспаровым.

        А вот еще пример: создание "водяного" (Merman) группой, работающей с компьютерной анимацией подводного мира. Они моделировали нервные системы обитателей подводного мира, причем подводный человек (Merman) обучался "мыслить", стараясь избежать столкновения с акулой, хотя в программу такие его действия не были заложены. Чем не разумное поведение, но оно, очевидно, явилось следствием действия заложенной в программу модели нервной системы живого существа, для жизненной программе которого свойственно прятаться в случае опасности.

Свойства искусственного интеллекта

- наличие в них собственной внутренней модели внешнего мира; эта модель обеспечивает индивидуальность, относительную самостоятельность системы в оценке ситуации, возможность семантической и прагматической интерпретации запросов к системе;

- способность пополнения имеющихся знаний;

- способность к дедуктивному выводу, т.е. к генерации информации, которая в явном виде не содержится в системе; это качество позволяет системе конструировать информационную структуру с новой семантикой и практической направленностью;

- умение оперировать в ситуациях, связанных с различными аспектами нечеткости, включая "понимание" естественного языка;

- способность к диалоговому взаимодействию с человеком;

- способность к адаптации.

Данные  характеристики достаточно точно соответствуют характеристикам нашего интеллекта.

        На ранних стадиях разработок ученые ставили задачу создания общего интеллекта, который мог бы действовать в любой области, но затем пришли к созданию систем, решающих интеллектуальные задачи каких-либо ограниченных областей.

        В восьмидесятые и девяностые годы прошлого века также предпринимались попытки создания универсальных экспертных систем, которые содержали банки данных из миллионов различных утверждений, соединенных семантическими связями, в надежде на то, что многие задачи можно будет свести к последовательности этих утверждений. Некоторые из этих систем пополняются и по сей день, так и не научившись решать задачи из реального мира.

        Многих ошибок при создании искусственного интеллекта можно было бы избежать, если бы сразу пришли к мнению, что интеллект появился не у человека, а является продуктом преемственной эволюции усложнявшегося адаптивного поведения.

        Своеобразным интеллектом или способностью к решению своих проблем и адаптации в неизвестной среде, способностью к предвидению и выбору между разными вариантами действий, к обучению и формированию необходимых знаний обладают многие живые существа, даже с примитивной нервной системой. Следовательно, стоит обратить внимание на модели свойств и братьев наших меньших.

        Когнитивная наука возникла, когда ученые различных областей знания поняли, что у них возникает много одинаковых вопросов о природе человеческого разума, и все они используют соответствующие методы для их решения. За прошедшие годы произошел небывалый скачок в информационных технологиях, а также огромные наработки в науке о мозге, что дает новые возможности для развития искусственного интеллекта.

 Зачем нужны нанороботы

         Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом  проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии непохожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно  выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.

Наноро́боты, или нанобо́ты — машины, размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Описание нанороботов

Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») - это гипотетические устройства - роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких единиц и десятков  нанометров (один нанометр — это миллионная доля миллиметра), которые могут самостоятельно манипулировать отдельными атомами. Переставляя атомы, нанороботы смогут самовоспроизводиться, создавать из произвольного материала (земли, воды) любые предметы и так далее: изменениям могут подвергаться практически любые — как органические, так и неорганические вещества. В конечном итоге,  нанороботы посредством манипуляций с молекулами смогут создать любой предмет или существо.

Нанороботов условно разделяют на два вида: способных конструировать что-либо, например, самовоспроизводиться (ассемблеры), или деконструировать, разбирать (дизассемблеры).

Молекулярные ассемблеры — основной инструмент человека для манипуляций в наномире. Любой вирус в определённом смысле также является ассемблером. Нанороботов нередко так и называют — "искусственные вирусы".

Современные достижения

        В мире появился первый наноробот, который уже успешно прошел первые лабораторные испытания. Ученые из американского Университета Джона Хопкинса создали наноробота для использования в медицинских целях в организме человека. Таким образом, создание первых нанороботов уже не дело далекого будущего - а реалии сегодняшнего дня. Этих нанороботов планируется использовать в медицинских целях - устройства будут заниматься решением проблем на клеточном уровне.
        Наноробот сможет реализовывать сложные операции на клеточном уровне с большой точностью. Размер аппарата в диаметре меньше одной десятой миллиметра. Наноробот может проникать в человеческий организм, и далее, используя в качестве индикатора биохимические сигналы клеток, бороться со продолжат модернизацию своего изобретения. злокачественными клетками. Министерство здравоохранения США выделила команде нанотехнологов грант на создание разработки в размере 1,5 млн долл.

        Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда в которой работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстровыводимые компоненты. Внешний вид наноробота довольно причудлив - у него есть туловище и три пары конечностей с клешнями, которыми аппарат сможет манипулировать с частичками ткани. При этом конечности наноробот выпускает лишь при достижении цели, а в организме человека аппарат передвигается в виде шарика. Этому нанороботу не нужно дополнительного питания - заряжается от с помощью тепловых, биохимических и магнитных импульсов. В рамках эксперимента нанороботу было дано задание - пролезть в специальную пробирку с живой тканью и найти определенные частицы. Наноробот успешно выполнил задание - он выбрал именно те частицы, которые и были предусмотрены программой. Однако наноробот ещё требует усовершенствования - сейчас он способен лишь захватывать клетки, но не умеет переносить их. В дальнейшем ученые

        Наноробот должен обладать полной защитой автономных подсистем, конструкция которых зачастую скопирована с биологических прототипов. Надо полагать первым, кто указал на похожесть сложных устройств с биологические модели в их структурных компонентах был Эрик Дрекслер (Eric Drexler K., Molecular Engineering: An Approach to the Development of General Capabilities for Molecular Manipulation, 1981 год).

"До сих пор все опыты в наномире были похожи скорее на детские забавы, — считают журналисты "Огонька" Кирилл Журенко и Дмитрий Назаров. — Самая маленькая в мире ручка рисует на поверхности золота круги в несколько атомов шириной, буквы "IBM" высотой в 6-8 атомов выложены с помощью туннельного микроскопа, коробочка с длиной ребра в несколько нанометров, открывающаяся и закрывающаяся от приложенного импульса, одностенные нанотрубки диаметром 1 нанометр и длиной от 100 до 300 нанометров, пропеллерообразная молекула, способная вращаться на медной поверхности...

Проект манипулятора уже достаточно подробно описан. У позиционирующего устройства "руки" будет шесть степеней свободы. Каждая будет управляться своим храповиком, приводимым в действие давлением инертного газа, цилиндрами будут служить углеродные нанотрубки. Всё достаточно просто, однако пока такая "рука" пока не создана.

        Еще в октябре 1998 года датские учёные продемонстрировали атомный триггер, состоящий из одного атома кремния и двух атомов водорода. Современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (минимальная единица информации) с помощью одного электрона. А там уже и до искусственного разума рукой подать".

- В кибернетике произойдёт переход к объёмным микросхемам, а размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится долговременная быстродействующая память на белковых молекулах, ёмкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.

- За счёт внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека. На всё это, по разным оценкам, понадобится около 100 лет.

"Однако новые открытия могут иметь и негативные последствия", — пишет в своей статье "Угрозы новых технологий" профессор Евгений Абрамян.

-    Представим себе, что в устройстве, предназначенном для разборки промышленных отходов до атомов, произойдет сбой, и оно начнёт уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей.

При этом самым неприятным может оказаться то, что это будут нанороботы, способные к самовоспроизводству (саморепликации, размножению).

Как видите, нанороботы, вышедшие из-под контроля могут стать оружием массового поражения.

  -  Можно представить себе и нанороботов, запрограммированных на изготовление уже существующего оружия. Овладев секретом создания подобного робота или каким-то образом достав его, воспроизвести универсального "малыша" в большом количестве сможет небольшая группа людей или даже террорист-одиночка.

  - Отметим также принципиальную возможность создания устройств, выборочно разрушительных: например, воздействующих на определённые этнические группы или заданные географические районы".

Так или иначе, но главный шаг на пути создания нанороботов группа нью-йоркских учёных, по собственному признанию, уже сделала. Судя по тому, что на создание первой ДНК-машины ушло около 10 лет, первый наноробот появится максимум лет через 5-7.

        Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации.

·        Ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клетки

·        Биомедицинский инструментарий

·        Хирургия

·        Фармакокинетика

·        Мониторинг больных диабетом

·        Производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам

·        Военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия. Потенциальные возможности использования нанороботов в качестве оружия демонстрируются в некоторых фантастических произведениях (Терминатор 2: Судный день, День, когда остановилась Земля (фильм, 2008), Бросок кобры).

·        Космические исследования и разработки (например, зонды фон Неймана)

рис. 1. Нанороботы, восстанавливающие поврежденный синапс.

Теперь подробнее о нанороботах – основной лечащей силе наномедицины.

Типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота микронного (мкм) размера, собранного из наночастей. Эти части будут варьироваться от 1 до 100 нм (1 нм = 10-9 м), и будут должны составлять работоспособную машину, размерами около 0.5-3 мкм (1 мкм = 10-6 м) в диаметре. Три микрона – максимальный размер для медицинских нанороботов кровотока, т.к. это минимальный размер капилляров.

Невозможно сказать сейчас, как будет выглядеть универсальный наноробот. Нанороботы, предназначенные для путешествий внутри человеческого кровотока, возможно, будут иметь размер 500-3000 нм. Нанороботы, находящиеся в тканях, могут быть размерами от 50 до 100 мкм. А наноустройства, функционирующие в бронхах, могут быть еще больше. Каждый тип медицинского наноробота будет разработан под необходимые условия, и, поэтому, возможны разные их размеры и формы.

        Очень простой наноробот, которого разработал Роберт Фрайтас несколько лет назад  - искусственная красная кровеносная клетка, названная «респироцитом». Размер респироцита – 1 микрон в диаметре и он просто протекает в кровотоке. Это сферический наноробот, изготовленный из 18 биллионов атомов. Эти атомы, в основном, - углерод, с кристаллической решеткой алмаза, образующие сферическую оболочку механизма (см. рис. 2, 3).

рис. 2. Возможный вид респироцитов.

рис. 3. Респироциты в сравнении с красными кровяными тельцами.

        Респироцит, по сути дела, - гидропневмоаккамулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 биллионов молекул кислорода  (O2) и молекул диоксида углерода (CO2). Позже, эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер. (Респироциты могут быть изготовлены невоспламеняющимися благодаря оболочке из сапфира, негорючего и материала со свойствами, близкими к алмазоиду).

        Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29160 молекулярными сортирующими роторами (E. Drexler, «Nanosystems», стр. 374), которые могут нагнетать и выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, парциальное давление O2 выше, чем CO2, поэтому бортовой компьютер говорит сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO2. Когда устройство определит свое местоположение в тканях, бедных кислородом, произойдет обратная процедура: так как парциальное давление CO2 относительно высокое, а парциальное давление O2 низкое, то роторы будут нагнетать CO2, выпуская O2.

Респироциты подражают естественным функциям эритроцитов, наполненных гемоглобином. Но респироцит может переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Этот наноробот намного более эффективен естественного, благодаря исключительной прочности алмазоида, позволяющего поддерживать внутри устройства высокое давление. Рабочее давление красной кровяной клетки – 0.51 атм, при этом только 0.13 атм доставляется тканям. Таким образом, инъекция 5 см3 дозы 50% раствора респироцитов в кровоток сможет заменить несущую способность 5400 см3 крови  пациента (то есть ее всю)!

Респироциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменить их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться. Позже, врач может дать команду о включении.

Что будет, если добавить 1 литр респироцитов в ваш кровоток (это максимально безопасная доза)? Вы теперь можете задерживать дыхание  на 4 часа, спокойно находясь при этом под водой. Или, если вы спринтер, и бежите на предельной скорости, то можете задержать дыхание на 15 минут до следующего вдоха!

Описанное «простое» устройство имеет очень полезные возможности, даже при его использовании в малых дозах. Другие, более сложные устройства, будут иметь больший набор возможностей. Некоторые устройства должны быть мобильными и способными плавать в крови, либо переползать внутри тканей. Естественно, что они будут иметь различные цвета, формы, в зависимости от выполняемых ими функций. Они будут иметь  различные виды манипуляторов роботов, различные наборы сенсоров и т.д. Каждый медицинский наноробот будет спроектирован на определенный тип работы, и будет иметь уникальную форму и поведение.

Пару слов о репликации (самовоспроизводстве) медицинских наноустройств. Медицинские нанороботы не нуждаются в репликации вообще. В действительности FDA, или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации invivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем.

Когда планы и мечты воплотятся в жизнь?

По-видимому тогда, когда будет создан первый наноманипулятор, полностью управляемый человеком или программируемый компьютером. Пока его создание планируется на 2050 год. Потом на базе наноманипулятора, и уже готового к тому времени нанокомпьютера, можно будет сделать первый наноробот, способный собирать любые вещи. Но первым объектом, который он произведет, будет он сам! Затем эти двое снова скопируют себя, и так далее до тех пор, пока мы не получим достаточное количество нанороботов для создания нами всего задуманного, вообще всего, что не противоречит законам природы. Итак, середина нашего века - время, до которого нам необходимо дожить! Тогда станет возможным почти всё, на что только способно человеческое воображение. Тогда главной проблемой будет понять то, чего же мы на самом деле хотим от человеческой жизни.

Целью создания нанороботов является создание устройства, способного к манипулированию отдельными атомами. Таким образом, можно будет создавать структуры любой сложности с требуемыми свойствами. Нужно только писать соответствующие программы. Кроме того, запрограммировав одного наноробота на копирование самого себя, мы получим практически бесплатное производство. Эти роботы смогут складывать из атомов и уникальные изделия, и предметы повседневного пользования, и чинить поломки человеческого организма.

Однако, чтобы достичь всего этого, нужно ответить на множество вопросов. До сих пор неизвестен чертеж наноробота с детальной расстановкой всех его атомов. Неизвестно как сделать этот чертеж, чтобы атомы при сборке попросту не разлетелись. Общая схема ясна - робот должен иметь двигатель, располагать манипуляторами для перестановки атомов и иметь некоторый контейнер для переноски груза. Отдельные части этих конструкций уже созданы. Но как собрать их все вместе, да и создать недостающие элементы, пока непонятно - строгие методы проектирования не дают ответа, а экспериментальные требуют значительных финансовых затрат.

Современные методы проектирования нанороботов представляют собой либо набор итераций по экспоненциально сходящимся алгоритмам, которые имеют чрезмерно большую трудоемкость, иногда требующую миллионы лет расчетов, либо набор экспериментальных методов, требующих больших финансовых и временных затрат. А для создания проекта наноробота с минимальными временными и финансовыми затратами необходимо создание полиномиального по времени алгоритма с соответствующим программным обеспечением. Таким образом, оптимальное решение задачи необходимо определять на основе компромисса точных и вероятностных методов.

Рассмотрим классический метод определения координат атомов и сил, воздействующих на них, - метод молекулярной динамики. В нем определяется структурные, термодинамические, транспортные свойства и их взаимосвязи. Точность результатов определяется размерностью (числом частиц) моделируемой системы. Порядок увеличения эффективности использования вычислительных ресурсов будет возрастать с возрастанием количества частиц в модели. Насколько сейчас понятно для ассемблера нужна модель порядка 1 000 000 атомов и соответственно учета их взаимодействий.

                                     Киборги

Киборг — (сокращение от англ. cybernetic organism — кибернетический организм) — биологический организм, содержащий механические компоненты; реже неверно используется в качестве термина для обозначения робота, содержащего биологические компоненты (данное значение термина популяризовано во многом благодаря серии кинофильмов «Терминатор», хотя все терминаторы — роботы, а не киборги)

Идея создания искусственного человека не половым путем из различных конструкционных материалов восходит своими корнями в глубину времен. Уже тысячи лет назад сама идея человека созданного искуственно, находила отражение в культуре человечества в виде сказок и мифов. Глина, дерево, железо, медь, бронза мыслились древними авторами сказаний о искусственном человеке как главные конструкционные материалы, а «механизмом запуска» предполагалось волшебство. С течением времени происходило увеличение объема знаний о человеке, законах природы и появление и развитие естественных наук, в результате чего обозначились известные ограничения на пути создания искуственного организма. В то же время эти знания позволили обеспечить определенный прогресс в протезировании органов человека (зубные протезы, имитации глаза, вставки в кости). В определенной степени наметились пути движения к решению проблемы создания киборга, с двух направлений: прогресс в протезировании, и прогресс в технологиях производства и науки. Данные направления с ходом развития цивилизации сходятся в историческом аспекте все теснее и теснее, и в 20-м, 21-м веке в результате научно-технической революции и фундаментальных открытий во всех областях знания касающихся прямо или косвенно данной проблемы, позволяют дать утвердительный ответ - создание киборга технически осуществимо.

Термин введен 1960 году, в связи концепцией расширения возможностей человека для выживания вне Земли. Эта концепция являлась результатом размышлений на тему необходимости более близких отношений между человеком и машиной, по мере того как космические исследования становятся реальностью.

                                    Цели создания

Основные цели создания киборгов многообразны, и продиктованы естественным стремлением научной мысли как эксперимент, и сугубо практическими целями. Применение человекообразных роботов-киборгов имеет самый широкий спектр, и первостепенными качествами киборга в предполагаемых областях его использования являются: устранение так называемого «человеческого фактора», возможность эксплуатации без усталости присущей живому организму, возможность применения в экстремальных условиях

Возрастание зависимости человека от механизмов, а также замена органов механическими приспособлениями (протезами, имплантатами) создаёт условия для постепенного превращения человека в киборга. Техника по сути является проекцией человека: одежда — проекция кожи, молоток — проекция кулака, кастрюля — органопроекция желудка. Тонкая грань между киборгом и роботом проходит в принципиальном различии рассматриваемых систем, и с ростом успехов в биотехнологии и микроэлектронике неуклонно сокращается в сторону сращивания различий понятия киборга и робота.

                                           Практика.

        Применяются кохлеарные имплантаты, позволяющие восстановить слух пациентам с выраженной или тяжёлой потерей слуха сенсоневральной этиологии.
        Проводятся эксперименты с применением стволовых слуховых имплантатов, позволяющих восстановить слух некоторым пациентам с глухотой невральной этиологии.

        Сегодня система C-LEG используется для замены ампутированных человеческих ног. Значительный эффект оказывает использование сенсоров в искусственных ногах. Это один из первых шагов к киборгизации.

        В 2008 году немецкие ученые-офтальмологи впервые имплантировали человеку глазной электронный протез, полностью помещающийся внутри глаза, добившись частичного восстановления зрения. Ранее все экспериментальные имплантаты, частично восстанавливающие зрительную функцию человека, имели массивные внешние элементы.

        В 2009 году агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США продемонстрировало радиоуправляемых жуков, в нервные узлы которых были вживлены электроды. Средняя продолжительность управляемого полёта составляла 45 секунд, но один из экземпляров управлялся около 30 минут.

                                      Киборги идут.

Японская корпорация Cyberdyne начала экспорт экзоскелетов HAL-5 за пределы страны. Шесть HAL-5 в августе получат датские госпитали. Там экзоскелеты в течение полугода будут проверяться на безопасность и эффективность.

HAL-5 — Устройство представляет собой робокостюм, позволяющий пациентам с различными формами паралича передвигаться и даже поднимать тяжелые объекты. Он улавливает через кожу сигналы мозга и преобразует их в команды для передвижения. Фактически речь идет об объединении человека и устройства в кибернетический организм, киборг.

HAL разрабатывается уже более пяти лет. «Рост» робокостюма составляет 1 метр 60 сантиметров. Стандартный экзоскелет весит 23 килограмма. Костюм компенсирует свой вес, так что пользователь его не замечает. Аккумулятор обеспечивает автономную работу HAL-5 в течение двух с половиной часов.

Целью компании Cyberdyne является объединение человека с машиной. Создатели HAL надеются произвести мировую революцию в отрасли по производству киборгов.