Student World

Jednou nadejde doba, ve které budou diamanty levnější než sklo, takže budou používány jako okenní tabule. Alespoň podle románu Neala Stephensona nazvaného Diamantový věk. A svět se tehdy bude hemžit nanoroboty, stroji tak malými, že je lidské oko nespatří.
Budou se starat o lidské zdraví i o výrobu všeho potřebného, včetně výše zmiňovaných diamantových oken. Prozatím se jedná o sci-fi, podle odhadů odborníků však můžeme první vlaštovky v oblasti molekulární nanotechnologie (MNT) očekávat už za necelých 10 let.

Základy nanotechnologie

Název tohoto oboru pochází od měřítka, ve kterém se pracuje. Tím jsou prozatím stovky až tisíce nanometrů, tedy miliardtin metru. Do 1 nm se přitom vejdou zhruba 3–4 atomy. Pro představu o stupni miniaturizace: virus je velký zhruba 100 nm, lidský vlas má průměr plných 200 mikrometrů.
Základním stavebním prvkem MNT je atom. Různým uspořádáním atomů se mohou měnit vlastnosti výsledného produktu. Tak například přerovnáním atomů v uhlí lze stvořit diamant. Úpravou a přerovnáním atomů písku zase křemíkovou destičku — základní polotovar pro výrobu polovodičových součástek.
Je ovšem otázkou, nakolik bude křemík v dalším vývoji důležitý. Prozatím vše nasvědčuje tomu, že tím nejpodstatnějším prvkem bude uhlík, na jehož bázi je ostatně stvořen i život na zemi. Diamant se totiž osvědčil nejen pro svou odolnost a pevnost, ale i proto, že uhlíku je v našem světě opravdu dostatek.

Utopie?

Vhodným uspořádáním atomů tak může vzniknout stroj velikostí srovnatelný s molekulou. Jakmile se to podaří, svět, tak jak jej známe dnes, se dramaticky změní. Spotřební zboží se bude "samo" vyrábět, opravovat nebo modernizovat. Původci nemocí budou ničeni nanoroboty vpuštěnými do organizmu, polámané kosti budou přerovnávány, potrhaná kůže zacelena. Lidé tedy přestanou stárnout a dokážou si poradit s jakoukoli nemocí či zraněním.
Ti, kdo si hledí zevnějšku, získají prostředek na změnu barvy očí, tvaru nosu nebo celé postavy. Ve vzduchu budou poletovat roje čističů, kteří budou z ovzduší odstraňovat škodlivé látky. Potraviny budou sestavovány v podstatě z čehokoli, takže nikdo již nikdy nepozná hlad. Znovu oživnou vyhynulí živočichové a znovu porostou zaniklé rostliny. Lidstvo bude mít snadnější přístup do blízkého vesmíru. Ostatní planety ve sluneční soustavě bude možno připravit na lidskou kolonizaci.
Každá mince má ovšem dvě strany. Kromě užitečných věcí tak mohou vzniknout různé "neviditelné" inteligentní zbraně nebo sledovací přístroje. Teoretici se samozřejmě zaobírali i otázkou, zda se nanoroboty nevymknou kontrole. Ať už kvůli příliš jednoduchému programu autoreprodukce, nebo kvůli postupnému zvyšování inteligence, které povede až k uvědomění si vlastní identity, a tím i získání vlastního rozumu. První problém by byl řešitelný omezeným počtem generací (například postupným zkracováním délky života jedince).
Ale zpět na zem. Jak se dokážou s takovou situací vyrovnat současné mocenské struktury? Těžko odhadnout. Lze však předpokládat, že v době plné soběstačnosti každého jedince by ztratily státy svůj současný význam, stejně tak jako vzájemná spolupráce lidí při udržování života. Touto otázkou se zabývali všichni teoretici oboru, aniž by dospěli k jednoznačným závěrům.

Průkopníci

Za prvního věrozvěsta principů, na kterých staví MNT, lze považovat Johna von Neumanna. Ten se totiž zabýval možností autoreprodukce strojů, i když pouze z teoretické stránky. Jeho autonomní stroj se skládal ze dvou základních modulů — univerzálního počítače a univerzálního stavitele. Univerzální stavitel byl v podstatě manipulátorem, který si bral z okolí potřebné stavební prvky a skládal z nich výsledný stroj. Počítač obsahoval mimo jiné i program, který popisoval postup výroby identického stroje. Jakmile byl stroj vyroben, byly do jeho počítače zkopírovány všechny programy. Tím mohl počet strojů růst geometrickou řadou.
Prvním, kdo poukázal na možnosti využití nanotechnologie, byl Richard P. Feynman. Ten se v roce 1959 snažil obrátit pozornost vědců od výzkumu vesmíru k výzkumu mikrosvěta. Nastínil totiž možnost působení na molekuly nebo dokonce jejich atomy a sestavování strojů z těchto stavebních prvků.
K. Eric Drexler navázal na von Neumannovy myšlenky, posunul je ovšem na molekulární úroveň (o velikosti kolem 100 nm). Princip však zůstal zachován. I Drexlerovy teoretické stroje se skládají z inteligentního a výkonného modulu, základními stavebními prvky jsou však atomy. Nově také zavedl myšlenku specializace. Jeho stroje se liší podle funkce, k jaké jsou určeny. Vzájemnou spoluprací a spojováním tak mohou vznikat různé struktury, které se co nejlépe hodí ke splnění konkrétního úkolu.
V Drexlerově hlavě se mimo jiné zrodily i všechny ty fantastické vize zmíněné výše. A zřejmě na jeho podnět vznikl i literární směr zvaný "nanopunk".
Praktickými otázkami MNT se zabývá Ralph C. Merkle, který nedávno přestoupil z výzkumných laboratoří Xeroxu v Palo Alto (PARC) do Zyvexu — první komerční firmy zabývající se výzkumem a vývojem MNT. V současnosti se věnuje zejména vývoji manipulátoru, prvního stupně na cestě k autonomnímu staviteli. Kromě MNT se věnoval kryptografii a právě on jako první využil principu asymetrických šifrovacích klíčů.
Za zmínku stojí také výzkumná laboratoř IBM v Curychu. Tamní vědci totiž vyvinuli skenovací tunelový mikroskop (STM), který umožňuje sledovat atomy a dokonce jimi i pohybovat. Díky jejich vynálezu si také mohou vývojáři MNT prohlédnout, co vlastně tvoří. V curyšké laboratoři také vzniklo jakési atomární sochařství, tedy vytváření konkrétních obrazců a tvarů sestavováním atomů různých prvků.

Základní prvky

Mozkem nanorobotů je molekulární počítač. Spíše než stroji na bázi polovodičů, jak známe počítače dnes, se podobá viktoriánskému Babbagovu diferenciálnímu stroji. Pracuje na mechanickém principu za pomoci táhel, pák, vahadel a ozubených soukolí. Mechanický počítač má totiž menší nároky na prostor (ekvivalent tranzistoru je velký jen 5 krychlových nanometrů) a protože se nezahřívá tokem elektronů, nepotřebuje chlazení. Má také nižší spotřebu energie a je dostatečně rychlý (změna stavu trvá zhruba 50 ps).
Protože první roboty budou disponovat ještě velmi omezenou inteligencí, je vhodné zajistit, aby mohly jejich počítače přijímat instrukce zvenčí. Ty budou dávat podněty ke změně činnosti, funkce nebo tvaru. Merkle počítá s jednosměrnou akustickou komunikací v megahertzových frekvencích. Za tím účelem by měl být každý stroj vybaven tlakovým snímačem, který by zastával funkci přijímače. Vzhledem k určité specializaci robotů v pracovní skupině by každý reagoval jen na tu svou část plošně vysílaných signálů. Pokud by se signály vysílaly v pravidelných intervalech, mohla by být činnost nanorobotů řízena skokově.
Počítač by se naprogramoval na jednoduchou činnost a vykonával by ji tak dlouho, dokud by nedostal další podnět nebo dokud by nesplnil zadaný úkol. V záložní paměti by měl uloženy pouze dva programy — vrozenou specializaci a možnost autoreprodukce. Tento přístup by mu umožňoval pracovat ve dvou základních režimech. V reprodukčním režimu by každý stroj vyráběl své kopie tak dlouho, dokud by nedostal povel k jiné aktivitě. Pak by přešel do aktivního režimu, ve kterém by setrval buď do splnění úkolu, nebo do dalšího povelu.
Základním prvkem molekulárního stavitele je manipulátor, přičemž jeden robot jich může mír i několik. Manipulátor slouží nejen k práci, ale i ke komunikaci a ke spojování s ostatními stroji. Tak mohou z miniaturních stavebních prvků vznikat struktury, které dokážou v čase měnit svůj tvar i funkci. Spojením své výpočetní kapacity zároveň získávají vyšší inteligenci, takže mohou plnit složitější úkoly.
V současnosti jsou vyvíjeny manipulátory podobající se lidské ruce. Tak může robot při stavbě své kopie nebo při jiné požadované činnosti "přerovnávat" atomy tak, jak právě potřebuje. Aby se atomy zase nerozbíhaly a aby na ně nepůsobilo neznámé okolní prostředí, je potřeba — po vzoru přírodních molekul — vytvořit kolem nich obal. Protože je ovšem třeba přenášet materiál mezi vnitřkem molekuly a jejím okolím, navrhují vědci tři v sobě vložené válce nebo koule vybavené otvory. S tím, jak by se pohyboval prostřední plášť, otvíral by propusti mezi vnější a střední nebo mezi vnitřní a střední vrstvou. Vznikaly by tak jakési přechodové komory bez použití složitých mechanických uzávěrů.

Zásobování a reprodukce

Nanoroboty budou ke své činnosti potřebovat dva základní prostředky — stavební materiál a energii. Nabízejí se přirozeně dvě základní cesty. Menší závislost na podpoře zvenčí zaručí adaptace stroje na okolní prostředí. V tom případě by za stavební materiál používal vše, co se nachází bezprostředně kolem něj. To samozřejmě vyžaduje větší "znalosti", protože robot bude muset umět rozebírat molekuly a vybírat si z nich jen ty atomy, které potřebuje. Zároveň ovšem musí dbát na to, aby "odpad" nijak neškodil. V nejlepším případě by jej měl umět využít jako zdroj energie pro svou práci.
Jednodušší přístup z hlediska návrhu robota je dodání potřebných látek zvenčí. Tak by byl například nemocnému do žil kromě nanostrojů vpraven i výživný roztok a další látky obsahující potřebné stavební prvky, které se v danou chvíli v lidském organizmu nenachází.
Přirozenou vlastností všech těchto strojů by měla být i možnost vlastní reprodukce. A to nejen z důvodu rychlejšího plnění úkolů a záruky přežití v nehostinném prostředí, ale i kvůli dalšímu vývoji. MNT totiž v současnosti uvažuje spíše o vývoji shora dolů. To znamená, že první generace robotů (vyrobená člověkem) by byla podstatně větší než požadovaný cílový stav. Každá další generace by pak vytvářela svou kopii o něco menší. Po několika generacích by vznikl stroj, který je již pro lidské nástroje ovládané člověkem příliš titěrný.

Nejbližší vývoj

Jak je vidět, nápadů je kolem MNT dost a dost. Teď záleží jen na lidských možnostech a schopnostech, kdy je bude možno uvést do praxe. Prozatím se můžeme setkat hlavně s počítačovými modely, i když první předvoj se již objevuje.
V poslední době se objevily hned dva molekulární motory. Nejsou však prozatím dostatečně účinné na to, aby se daly využít k pohonu něčeho jiného než vlastního rotoru. K vidění jsou také molekulární přepínače, které však dokážou změnit stav pouze jednou. Funkční příklady z mikrosvěta ovšem už existují, takže teď zbývá jen sestoupit v měřítku o pár řádů níž.

autor Jiří T. Pelech