Nano assembly with meccano

The term nanorobotics is used quite often by science fiction authors. They are imagine a software controlled mini robot swarm who is able to do useful things. The main idea behind nanorobotics is, that it is working with the same principle like the large scale EV3 brick from Lego mindstorms.. That means, on the microcontroller a program is started which is equal to the Artificial Intelligence and the programs controls the robot.

Unfortunately, this vision is wrong. Real nano machines are not realized by programmers, but by meccano like principle. A meccano machine is an all mechnical device which doesn’t need software. A typical large scale example are knitting machines which are able to produce a rope. This principle of a software-less fabrication can be shrinked down into the nano level. That means, the enginees have no demand for a subatomic microcontroller which is programmed in Forth, but what they need is a mechanical blueprint which is working by it’s own.

What does that mean? Suppose a large scale assembly line is built with the normal meccano set. It contains of motors, gears, boxes and lots of metal. If the production line is ready we can put at the left the input material and get on the right the result. The machine is working by it’s own. The difference to a robot controlled system is, that no decisions are made during the production. It is not a problem from Cybernetics or control theory, but it is a mechanical design problem. A nanofabrication system works with the technology from the 19th century. That means before the computer was invented and before the first computer algorithm were created.

The question is, what is the potential of such a nanoscale production line? The limit are the same like for real meccano. What can be automated with mechanics can be realized on smaller level too. What is not possible are everything which has to do with decisions. That means, if some optimizing problem has to be solved, meccano will fail. That means, it is hard or impossible to realize with meccano like structure a thinking machine, better known as a computer. That means, if some sort of game is there on the subatomic level, similar to pacman, it is not possible to automate it. In a game, the player must take decision. This is the field of Artificial Intelligence, and Artificial Intelligence needs per sure a computer for execute the software.

The question which has to be answered by the engineers is how to transform game like problems into a non-software problem which doesn’t need a decision but can handled autonomously. repetitive automated manufacturing systems are sometimes described with marked graph. It is a decision free system in which the road to the goal is predifined.

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Extending life expectancy with Artificial Intelligence

The latest medical advancement is not able to extend the lifespan of human individuals very much. Nanorobotics for wound treatment inside the body are not invented yet and even simple questions like “which food is the most healthy one” isn’t answered by university research right now. For most diseases no effective treatment is known, that means that each year many people die simple because they are too old and fall ill into a major disease.

The good news is, that it is possible to predict how long new born humans have to life. According to https://www.death-clock.org/ a male student who was born in year 2000 in the US will die in the year 2075, that means after 75 years in total. If he makes a bit sport and stay’s healthy he can reach one year more and will die in 2076. That is given by so called mortality tables which is the basis of a life expectancy calculator. In the sum, these predictions are working surprisingly accurate, that means the individual can plan what he want’s to do with the years he has.

There is another good news: in the last 50 years the life expectancy has increased dramatically. A few decades ago an average person died in the age of 50-60 years, that was for today’s perspective very young. The sad news is, that even with modern medicine it is impossible to raise the lifespan to 100 years and more. Even if somebody selects every parameter in the life-expectancy calculator to the optimal value, which means not drinking any alcohol, making sport everyday and be happy with friends, he is not able to life very long. The problem is, that aging is a biological process which has to with with cell modification inside the human brain. That means, under the condition that the environment provides the best conditions for staying healthy, the human body will become ill after some decades. The most obvious sign are face fold but the cells themself get broken too.

In science fiction movies a possible bypass to the problem is explained. It is called Nanotechnology and means to use tiny robots which are injected into the blood stream for repairing all problems from the inside. In theory, nanorobots are able to cure any disease, but today’s medical research is far behind a working prototype. That means, such technology isn’t available right now and it will take many decades to develop such robots.

Simplify robotics programming with Nanorobotics

A look into current robotics conferences like the ICRA and IROS are showing large scale robots which are expensive and difficult to program. To simplify the workflow it make sense to focus on small scale robotics, so called Nanorobotics. Even if it’s sound futuristic the needed amount of research is smaller. A typical nanorobot is a “magnetic tweezer” for micromanipulation. It is controlled by an external field. The advantage is, that such a robot costs nearly nothing. It is only a dust-particle. If the robot is “broken” it can replaced by another magnet. That means, the box with 1 million robots in it is sold for 0.10 cents in the store and the team gets as much robot tweezers they like.

The next interesting aspect of nanorobots is, that the programming challenges are surprisingly easy. In contrast to expensive robots the task is not to go to the kitchen, open the shelf and have a longer conversation with a human, instead a magnetiz tweezer needs to follow a line, or pick&place a ball into the goal.

How far Nanotechnology is developed?

The best way to measure the scientific progress is to ask for commercial application. Everything what can be bought in a store is COTS hardware which is equal the cheap price. In case of Nanotechnology a typical COTS hardware is a DLP-Beamer. Or to be more specific, the Digital micromirror device which is an array of microscopic mirrors which are generated by MEMS assembly. The most amazing feature of this array is, that the number of servo motors is hundred of thousands, that the size is very tiny and that it is consumer product which is sold for under 1000 US$.

What can we do with such a mirror array? In a DLP beamer the mirror is used to focus the light for the display. But apart from this usecase, it is some kind of mechanical robotics system. That means, there are tiny servo motors which can be controlled by software. And the price for each motor is very low. In theory, it is possible to arrange the servo motors to any structure. From a fabrication point of view, the technology is available, that means it is possible to build such machines as a consumer product. The open question is only what the purpose is. DLP beamers are an interesting product, but they can’t be called high-tech. But what is, if we use the same MEMS technology to build robots which can walk?

Magnetic controlled robot

The fascinating feature of MEMS devince in a beamer is, that the combination of many thousands of movable mirrors together with a cheap price for the system. In comparison to a toy robot, for example the Lego Mindstorms EV3 kit, the customer gets more actuators for a lower price. In the EV3 kit, only a few servos are included, and it is possible to build exactly one robot. If the aim is to build 12 robots who can play soccer, the customer has to spend 12×300 US$ which is a lot of money for beginners.

How can we reduce the costs? One possibility is to use microrobots which are actuated by magnets. This technique is some kind of simplified nanorobotics, in which the robot is only a magnet which is driven by the environment. The advantage is, that such a device can be built tiny and it is possible to reduce the costs to nearly zero. That means, it is possible to buy 12 mini-magnetic robots for under 1 US$.

A second advantage over classical toy robots like the Lego EV3 kit is, that magnetic mini-robots are scaling very well to complex tasks. It is possible to build smaller robots which can move and it is possible to increase the number into 1000s of them. The costs remain stable. That means it is possible for the customer to be owner of the own robotic swarm without paying much money.

Nanorobotik wird Realität

In dem Wikipedia Artikel zu Nanorobotik steht noch, dass es sich um reine Spekulation handeln würde und allenfalls in den Science-Fiktion Romanen von Eric Drexler beschrieben wurde. Auch in Star Trek Voyager kamen mehrfach sogenannte Nanoroboter zum Einsatz. Die praktische Einführung, so Wikipedia, sei noch Jahrzehnte entfernt. Recherchiert man etwas genauer so ist das nicht die volle Wahrheit. Hier http://nanoss.de/de/nano3dsense-der-erste-3d-drucker-in-konkurrenzloser-nanometer-praezision/ stellt eine Firma aus Deutschland ihren kommerziellen Nano 3D Drucker vor, der im Bereich von 10 Nanometer einen Sensor auf eine Oberfläche drucken kann. Was man damit machen kann ist simpel: Nanoroboter bauen und zwar zu Hause. Wer so ein Gerät verwendet kann tatsächlich das selbe tun was auch Wesley Crusher auf der Enterprise NCC1701-D gemacht hat: Abends noch lange mit den neuen Bots herumspielen, dabei irgendwie einschlafen und am nächsten Morgen feststellen, dass die selbst-gedruckte Armee aus winzig kleinen Robotern sich aufgemacht hat um den Zentralprozessor der Enterprise anzugreifen. Kleiner Spaß, ganz so weit ist die Technologie dann doch nicht, aber das es noch Jahrzehnte dauert bis zur kommerziellen Verbreitung ist wohl auch übertrieben.

Leider ist die Menschheit nicht im geringsten darauf vorbereitet auf die Nanorevolution. Bekanntlich kann man derartige Strukturen mit dem Augen nicht sehen und mit den Fingern auch nicht fühlen. Smart Nanodust kann man auch nicht riechen, um ihn zu messen benötigt man selbst ebenfalls Messinstrumente auf subatomarer Ebene. Theoretisch könnte sich sowas schon längst in der Atemluft befinden, ohne dass wir davon etwas mitbekommen. Im Grunde müsste man schon aus Paranoia Gründen eine Armee aus Nanosensoren bauen nur um festzustellen ob es nicht schon jemand anderes gemacht hat … Natürlich ist klar, dass sowas die Grundlage für eine veritable Rüstungsspirale ist bei dem die Kosten sinken, die Verbreitung der Technologie steigt und am Ende der komplette Planet von einer Blackgoo ähnlichen Substanz aufgefressen wird.

Auf anderen Webseiten von kommerziellen 3D PCB Nanoprinter sind kühlschrankgroße Geräte zu sehen mit denen man komplette Hauptplatinen drucken kann. Also fast so wie die Reprap 3D Drucker nur verkleinert. Nanotechnologie an sich ist nicht das Problem, sondern die Schwierigkeiten beginnen dort wo die Kosten so niedrig werden, dass es von Privatleuten und unkontrolliert eingesetzt wird. Weil es dann Leute nutzen, die eigentlich von der Thematik keine Ahnung haben, die Fehler machen wie Wesley Crusher und am Ende die Sache nicht zu kontrollieren sein wird.

Wie ist der Stand in Sachen Nanorobotics?

Normalerweise werden hier im Blog Softwarefragen thematisiert, ganz besonders und häufig die Programmierung von intelligenten Robotern. Darum soll es heute einmal nicht gehen, sondern heute steht die Hardware im Mittelpunkt. Wie weit ist die Technik schon, und vor allem wie klein lassen sich Roboter bauen? In den Medien relativ ausführlich wurde der Nanoroboter aus dem Jahr 2004 thematisiert, der an der ETH-Zürich entwickelt wurde und mittels Magnetfeld in einem Auge gesteuert wird. Es handelt sich dabei um keinen echten Nanoroboter sondern es ist eine ferngesteuerte Pipette. Man kann damit schon viel machen, aber noch nicht genug. Interessant wird es, wenn man den Antrieb und die Sensorik in den Roboter selbst verbaut. Wie das konkret geht verrät http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=37541.php Darin wird 3D Printing auf Nanoebene vorgestellt. Die Idee lautet, dass man Lithium Ionen Batterien, Getriebe, Motoren und Fahrgestellt ausdruckt. Ergänzend kommt auch ein Laser-Strahl zum Einsatz um Material abzuschleifen. Laut Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Nanorobotics#cite_ref-60 lassen sich damit Roboter in der Größenordnung von kleiner als 100 nm herstellen. Das ist 1% der Dicke eines Haares.

Um die Sache auf die nächste Stufe zu bringen braucht es eine Zwischenlösung. Genauer gesagt, einen Nanoroboter der sich zunächst einmal mittels Joystick steuern lässt. Wo also lediglich die Hardware bereitgestellt wird und ein Human-Operator die undankbare Aufgabe hat mit einem simplen Bedienpult komplexe Operationen auszuführen. Wenn so eine Manipuluationsstation einsatzbereit ist, kann man sich daran machen, den Automatisierungsgrad zu erhöhen, also Software zu entwickeln um die Roboter mittels Künstlicher Intelligenz zu steuern. Der einzige mir bekannte Wettbewerb wo sowas durchgeführt wird ist die Mobile Microrobotics Challange. Dort ist der Maßstab etwas größer, rund 750 Mikrometer http://robohub.org/robots-podcast-mobile-microrobotics-challenge/ um genau zu sein. Exkurs:

1 Millimeter = 1000 Mikrometer = 1 Million Nanometer

Das wichtigste Bauteil bei solchen Unternehmungen ist nicht etwa der Roboter sondern das Mikroskop. Also jenes Gerät wodurch letztlich die Schiedsrichter sehen können, wer gewonnen hat. Theoretisch lässt sich die Mirorobotics Challange auch ohne Roboter spielen (wenn man schummelt), aber nicht ohne Mikroskop. Man könnte beispielsweise einen Magneten drunterhalten und wenn keiner sieht so den Roboter ins Ziel bringen.

Hier wird vielleicht auch klar, wie der Weg zu medizinischen Nanorobotern verläuft. Zuerst muss man ein Mikroskop erfinden was man in den Körper einführen kann. Es sollte klein und biegsam sein und ein Bild auf den Monitor bringen. Dann kann man sich überlegen welche nanoroboter man einsetzen möchte. Entweder vollautonome Systeme mit eigenem Motor und eigener Stromversorgung oder doch eher die altbewährte Technologie von der ETH-Zürich die über externe Magneten gesteuert wird.

Warum 3d Nanoprinting nicht die Zukunft ist

[1] In einigen populärwissenschaftlichen Zeitschriften war zu lesen, dass chinesische Forscher mit Hochdruck an 3D nanoscale Bioprinting arbeiten. Also mit einem Drucker sehr kleine biologische Strukturen wie die Retine eines Auge regenerieren. Der mögliche Anwendungszweck ist überwiegend medizinischer Natur, also vereinfacht gesagt sollen Blinde wieder sehen, Lahme wieder laufen und Kranke geheilt werden. Obwohl das Forschungsgebiet sicherlich faszinierend ist, sehe ich derzeit noch nicht, dass das die Zukunft sein wird. Und zwar deshalb weil das Nanoscale Bioprinting überwiegend innerhalb von kommerziellen Unternehmen und staatlich geförderten Universitäten erforscht wird, was bedeutet dass überhaupt nichts publiziert wird, und die Verfahren patentrechtlich geschützt sind. Das heißt, eigentlich ist man an medizinischen Anwendungen gar nicht interessiert, sondern worum es wirklich geht ist es einen technologischen Vorspruch zu sichern. Und genau das ist nicht zukunftsfähig.

Die Zukunft liegt in OpenScience, wo also Paper mit anderen Forschern geteilt werden. Das heißt, wenn überhaupt wird sich die Technologie nur durchsetzen, wenn man das ganze als freies Wissen versteht, worauf jeder Zugriff hat unabhängig davon, ob er zufällig in einem Projekt involviert ist oder nicht. Die Frage ist weniger ob es technisch möglich ist, Hautzellen künstlich zu erzeugen, sondern die Frage ist wie es im Detail gemacht wird. Ich glaube, der Fokus sollte zunächst einmal darauf liegen, dass man die Dinge unter eine Creative Commons Lizenz stellt und erst im Schritt 2 über inhaltliche Dinge nachdenkt. Nur so kann eine breitere Öffentlichkeit etwas darüber lernen und mögliche Probleme diskutieren.

Es geht eben nicht darum, Blinde wieder sehend zu machen, sondern zunächst einmal geht es um medizinischen Unterricht. Also Ärzten zu erzählen was möglich ist und was nicht. Die Anwendung dieser Verfahren kommt erst danach. Weiter oben habe ich ein Youtube Video verlinkt, es ist eine Lecture von Stanford, wo medical bioprinting einem breiten Publikum nähergebracht wird. Meiner Ansicht nach ist genau das die Zukunft, also das Unterrichten dieser Methode. Mit dem Video selber ist noch niemand geheilt, eigentlich handelt es sich auch nicht um Medizin sondern um Education. Also das Vermitteln von Wissen. Aber genau das wird den Durchbruch bringen. Denn was nützt einem der beste Sportwagen, wenn man keine Ahnung hat von Technik?

Die Frage ist nicht so sehr, welche Methode des Bioprintings nun die beste ist, sondern zunächst einmal geht es darum, wie man das Wissen über diesen Komplex effizient an Studenten weitergibt. Meiner Meinung nach geht das am besten anhand von gescheiterten Projekten. Wo also ein Forscher erläutert, was er alles falsch gemacht und wie seine gedruckte Zellkultur leider die erste Woche nicht überstanden hat und dann entsorgt werden musste. Sowas merken sich die Studenten komischerweise am besten. Das heißt, man muss Tissue printing als Failed Project unterrichten. Unabhängig davon, ob das Experiment nun ein Erfolg war oder nicht, muss in einem guten Unterricht der Ausblick immer pessimistisch sein. Das heißt, man erläutert im Detail wie man auf gar keinen Fall arbeiten sollte. Dadurch wird das wissenschaftliche Niveau selbstverständlich gesenkt und möglicherweise wirkt das auf Außenstehende sogar zynisch.

KOSTEN
Medizinische Wunder, transplantierte Retinas und neuartige Heilungsverfahren gibt es schon heute. Im Regelfall kann man für genügend Geld eine linear bessere Behandlung erzielen. Auch 3D Bioprinting ist nur eine Innovation unter vielen. Was wirklich hilft ist jedoch wenn es gelänge die Kosten für die medizinische Behandlung zu senken, also das selbe Ergebnis zu geringeren Kosten zu erreichen. Das wäre der eigentliche Fortschritt. Wenn die Kosten niedriger sind, hat ein Arzt ungleich mehr Auswahlmöglichkeiten was er dem konkreten Patienten empfielt, gleichzeitig erhöht sich der Personenkreis der überhaupt in Frage kommt für aufwendige Behandlungen.

Ijad Madisch (Pressesprecher von ResearchGate) hat einmal großspurig gesagt, er möchte irgendwann den medizinischen Nobelpreis haben für seine Arbeit. Das ist umso erstaunlicher weil sich Madisch aus dem Bereich der Medizinforschung zurückgezogen hat und auch kein innovativen Ideen in Sachen 3D Bioprinting vorantreibt. Schaut man sich jedoch einmal objektiv an, was ResearchGate ist so ist die Plattform womöglich mehr wert als einfach nur eine neue Behandlungsmethode gegen irgendwas. Von mir aus hat Ijad Madisch den Nobelpreis verdient.