Kde potkáme nanotechnologie v budoucnosti?

Samočisticí textilie, lepidlo místo svářečky. Motorem digitální revoluce jsou pokročilé materiálové technologie. Miniaturizace sestoupila na úroveň molekul a atomů. Čekejte podivuhodné věci.

Samoopravující se kompozitní materiál. Kredit: Rice University / Jeff Fitlow.

Nano je měřítko neviditelného rozměru. Rozdíl mezi jedním nanometrem a metrem je jako rozdíl velikosti tenisáku a zeměkoule nebo mravence a fotbalového hřiště. Těžko si asi představíme, že nanovlákno je tisíckrát tenčí než lidský vlas. Nanotechnologie manipulují s hmotou v těchto velmi malých a před lidským okem ukrytých dimenzích a vytvářejí nové vlastnosti materiálů, jaké nelze vytvořit v makrosvětě. Objem světového trhu nanotechnologických produktů neustále roste a v roce 2020 se odhaduje na 3 bilióny USD.

Senzor analýzy potu na chytrém náramku. Kredit: UC Berkeley.

Očekávané hlavní oblasti rozvoje nanotechnologií v blízké budoucnosti můžeme rozdělit do pěti skupin a tu poslední z nich dejme do závorky jako symbol, že naprosto překračuje naši dosavadní zkušenost: 1. pervazivní nanosenzorika, 2. chytré materiály, 3. decentralizovaná energetika, 4. big data, a konečně, v závorce (5. nesmrtelnost a singularita).

Pervazivní nanosenzorika: obaly potravin vám ohlásí, že se kazí

Slovo pervazivní naznačuje, že senzory detekující nejrůznější fyzikální a chemické parametry budou ve světě žijícím v digitální síti úplně všude. Autonomní stroje s umělou inteligencí si budou ohmatávat svoje okolí neviditelnými čidly, ať už to budou auta bez řidiče, vojenské helikoptéry bez pilota nebo robosekuriťák v supermarketu. Můžeme si být jistí, že daleko předčí lidské smysly. Nanosenzory v konstrukci staveb budou sledovat namáhání materiálu a kritické hodnoty vlivu prostředí. Nanosenzory v obalu potravin budou zákazníka nebo třeba naši inteligentní ledničku informovat, že se něco kazí.

Monitor EKG na smartphonu. Kredit: Dexter Johnson.

Velmi slibné využití nanosenzorů nabízejí tzv. wearables, což by se dalo neobratně česky přeložit jako miniaturizovaná nositelná elektronika. Můžeme si představit chytré hodinky nebo náramky, ale zdá se, že ohebnou neviditelnou elektronikou a nanosenzory bude v blízké budoucnosti doslova protkané oblečení od hlavy až k patě, které bude monitorovat naše zdraví i náladu. Pro ilustraci dva příklady publikované v první polovině letošního roku: senzory, které analyzují lidský pot a tak mohou diagnostikovat řadu nemocí; grafenová náplast, která monitoruje glukózu v krvi a automaticky injektuje lék, když je třeba.

Grafenová vrstva na FV panelu vyrábí elektřinu z deště. Kredit: Wiley-VCH.

Pověřená umělá inteligence bude mít k dispozici nonstop informace o našem stavu a bude na to reagovat. On-line AI lékař nás bude včas varovat, aplikovat lék na dálku nebo rovnou pošle autonomní sanitku. AI ukrytá v eshopech, facebooku nebo googlu bude vždycky vědět, co nám má anebo nemá podle našeho momentálního rozpoložení nabízet. Neviditelné senzory v kombinaci se smartphony se také velmi pravděpodobně změní na flexibilní mobilní laboratoře. Firma Oxford Nanopore Technologies letos představila přenosnou čtečku DNA, na kongresu MWC 2016 v Barceloně věnovanému mobilním technologiím byla předvedena technologie na bázi grafenu a kvantových teček, která udělá ze smartphonu monitor EKG.

Chytré materiály: superpevné metalické nanolepidlo nahradí svařování

Chytrým materiálem může být nanovlákenná bariéra v protiroztočových lůžkovinách pro alergiky, samočisticí nátěr na fasádu s nanočásticemi TiO2 ale i superpevné a ultralehké křídlo letadla z grafenu. Velmi zjednodušeně řečeno chytrý materiál umí prostě vedle základního účelu použití ještě něco navíc – díky nanotechnologiím. Například bostonský startup MesoGlue v lednu 2016 představil superpevné metalické nanolepidlo, které nahradí svařování a pájení kovových dílů. Na australské univerzitě RMIT vědci naopak pracují na samočisticí textilii, která se vyčistí sama, pouze pomocí světla a katalytické reakce nanostruktur. Nový nanokompozitní materiál vědců na Rice University se sám opraví a zůstane přitom pevný jako dřív. Vědci v Londýně nechali zmizet předmět pokrytý nanokompozitním materiálem. Nezačíná vám to připomínat sci-fi nabo Harryho Pottera?

Samostatnou kapitolou jsou nanotechnologické materiály ve spojení se 3D tiskem. Budoucí elektronika založená na grafenu se bude přímo tisknout do libovolných 3D tvarů grafenovým inkoustem. Když na to přijde, nemusí být tak daleko doba, kdy si nový smartphone jednoduše vytiskneme doma. 3D tiskem to ale nekončí. Na Northwestern University v Illinois ve Spojených státech běží projekt 4D tisku v nanoměřítku. Tím čtvrtým rozměrem je čas a vytisknuté objekty jsou schopné se v průběhu své životnosti postupně transformovat do jiných tvarů k plnění dalších funkcí.

Nanostrukturovaný 5D disk. Kredit: University of Southampton.

Decentralizovaná energetika: tričko bude dobíjet smartphone

Průmyslové revoluce se projevují současnou změnou ve třech klíčových technologiích: přenosu informace, dopravě a energetice. Nástup nového ekonomického paradigmatu sdílení, na jehož prahu dnes stojíme a nálepkujeme ho „Druhý věk strojů“, „Třetí popř. Čtvrtá průmyslová revoluce“ nebo „Průmysl 4.0“, se dá v tomto smyslu popsat novou digitální komunikační technologií internetu, autonomní dopravou a decentralizací energetiky založené na obnovitelných zdrojích. Nanotechnologie v následujících letech významně přispějí ke zvýšení účinnosti výroby energie z těchto zdrojů a k vyřešení levného způsobu akumulace energie.

Energie bude všude a prakticky zadarmo. Zatím jsme zvyklí na střešní fotovoltaické panely, ale mnozí proti nim argumentují závislostí na slunečném počasí. Jenže například chytrá okna s nanostrukturou vyrobí elektřinu i pod mrakem. Na Ocean University v Číně vyvíjejí fotovoltaické panely s grafenovou vrstvou, která umožní vyrábět elektřinu i z kapek vody za deště. Decentralizované levné skladování energie může mít nejrůznější podoby. Od vláken bundy, co se změní v superkondenzátor a dobijeme si mobil nebo tablet, až po český vynález 3D baterie, která by měla srazit současné ceny baterií na třetinu. Energii ale nemusí vyrábět jen slunce nebo déšť. Vědci v Jižní Koreji vyvinuli nositelnou textilii, která generuje elektřinu pouhým ohýbáním a skládáním, tričko může tedy dobíjet wearable jenom tím, že si ho jeho majitel oblékne a bude se v něm hýbat.

Big data: knihovna Kongresu USA se vejde do krychličky o hraně 0,1 milimetru

Všechno souvisí se vším. Umělá inteligence potřebuje ke svému dokonalému fungování trvalý přístup k obrovskému množství informací, ať už to budou údaje sbírané pervazivní senzorikou nebo znalosti ve světových knihovnách a výzkumných centrech. Velká data musejí být někde uložená, a tím jak jejich velikost exponenciálně roste, roste i potřeba ukládat je co nejúsporněji.

Replaceable Me. Kredit: Jeong Suh/Bryan Christie.

Do hry vstupují nanotechnologie. Podle zprávy z dubna 2016 se týmu vědců z Washington University a Microsoftu poprvé podařilo uložit binární kód do syntetické DNA. Data, která by dnes zaplnila paměť velikosti supermarketu, by se vešla do velikosti kostky cukru. V červenci 2016 se objevila na serveru BBC informace, že vědci v Holandsku vytvořili novou přepisovatelnou paměť, kde se informace ukládá už do jednotlivých atomů. Celá knihovna Kongresu USA se prý teď vejde do krychličky o straně 0,1 milimetru. Dalším důležitým aspektem práce s velkými digitálními daty je jejich trvanlivost. Na Univerzitě v Southamptonu se nedávno podařilo uložit data na speciálních 5D discích 360 TB z nanostrukturovaného skla, které vydrží prakticky věčně. Jako jeden z prvních dokumentů na miniaturní disk už například vypálili Velkou listinu práv a svobod.

(Nesmrtelnost a singularita)

A nakonec, nanotechnologie se významně prosadí i v opravování lidského těla a ve finále i v přímém propojení člověka se strojem. Všechno směřuje k tomu, že se naplní vize špičkového technologa Googlu a futurologa Raye Kurzweila. Před více jak deseti lety vyšla jeho kniha “Singularita je blízko”, popisující bod zlomu v historii lidstva, kdy inteligence strojů předežene člověka a dojde k trvalému propojení umělé inteligence s lidskými mozky. Ray Kurzweil tomu říká hybridní mysl. Hra Pokémon GO letos odstartovala na globální úrovni rozšířenou realitu, ale musíme se připravit na to, že časem zcela zmizí hranice mezi fyzickým a virtuálním světem počítačových simulací.

V lednu 2016 vědci z několika zemí otestovali bezpečný grafenový interface s neurony. Paralelně s tím se pracuje na kvantovém internetu. Některé atomy si totiž dokážou uchovat kvantovou informaci a elektroniku by mohla nahradit tzv. spinotronika. Definici nehledejte, kvantový svět je těžko pochopitelný a řídí se úplně jinými pravidly, než jsme zvyklí. Zjednodušeně to však znamená, že v takovém internetu už nebude tématem rychlost přenosu informace, ta bude v momentě svého vzniku přítomná okamžitě všude. Tak jako neustále cítíme všechny části svého těla, bude hybridní mysl vnímat neustále celou síť.

Možná se tam jednou lidská mysl přestěhuje zcela k umělé inteligenci a nebude potřebovat biologické tělo. Jenže zatím to tak není a my fyzicky stárneme a ohrožují nás různé nemoci. Nanomedicína proto sleduje dva směry výzkumu, jedním je cílená doprava léků a údržba orgánů, druhým je pak kompletní výroba náhradních částí lidského těla. Už existují technologie jemného skeletu z nanovláken potřebného tvaru, kolem kterého kmenové buňky v laboratorních podmínkách dotvoří lidský orgán. Nanotechnologové vám tak dokážou vyrobit třeba náhradní ucho, navíc bude z vašich kmenových buněk, takže ho tělo bez problému přijme. Nedávno se také objevila kombinace předešlého s tiskem výchozího tvaru orgánu přímo na 3D tiskárně. Jako třetí možnost se pak jeví vylepšení člověka kompletně syntetickým materiálem. Olivio Labs oznámili, že vyvinuli nový polymer, který replikuje mladou lidskou kůži. Materiál na bázi grafenu vytvořený vědci Monash University v Melbourne je citlivější než lidská kůže a může být použitý pro roboty i na náhradní ruce člověka.

Někdy ale postačí jen stávající orgán opravit. Ve Švýcarsku staví z nanočástic dálkově ovládané lékařské mikroboty opraváře. Už mají první funkční prototyp. Explodující nanobubliny dokážou zničit buňky rakoviny. Na Vanderbilt University zase vyvinuli čip s nanofiltrem, který v umělé ledvině nahradí dialýzu. To je jen několik příkladů neuvěřitelných možností nanotechnologií v lékařství. Čeká nás tedy věčné mládí, energie zadarmo, samočisticí oblek a mysl propojená s umělou inteligencí? Vítejte na prahu nanorevoluce!

Publikováno se svolením autora

Autor: Jiří Kůs

Datum: 27.08.2016

Tisk článku

Související články:

Jsou české nanotechnologie bezpečné? Autor: Jiří Kůs (21.04.2015)
Lidská práce možná nebude důležitá Autor: Jiří Kůs (23.09.2015)
Nanoboti v mozku budou pro každého Autor: Jiří Kůs (14.03.2016)

Diskuze:

Rozhovor s panem Kusem

Josef Skramusky,2016-08-29 21:23:40

Diky za clanek. A koho zaujal a ještě neviděl, mohu doporučit i toto video http://video.aktualne.cz/dvtv/nanotechnologie-alchymie-21-stoleti-rika-jeji-propagator/r~35476f6cc8da11e497be0025900fea04/