10 tulevikutehnoloogiat 2007

Tänavu, nagu varasematelgi aastatel, tutvustame kümmet tehnoloogiat, mis lisaks sellele, et nad tunduvad äärmiselt põnevad, hakkavad kõige tõenäolisemalt mõjutama ettevõtlust, teadust ja ka meie igapäevast elu.

Nagu alati, katab Technology Review’ tänavuste tähelepanuväärivate tulevikutehnoloogiate nimekiri mitmeid valdkondi alates meditsiinist ning lõpetades energeetika ja internetiga. Mõne, näiteks optiliste antennide ja metamaterjalide puhul on tegu fundamentaaltehnoloogiatega, mis toovad kaasa murrangulisi arenguid mitmetel aladel infotöötlusest bioloogiani. Ülevaated P2P-videost, persona­liseeritud meditsiinilistest jälgimissüsteemidest ja signaalivisandusest näitavad, kuidas hästi läbimõeldud algoritmide abil on võimalik päästa internet, lihtsustada ja parandada meditsiinidiagnostikat ja tõsta uuele tasemele kaame­rate ja meditsiiniliste piltdiagnostikaseadmete digitaalne pilditöötlus. Nanoravi ja kvantpunktpäikeseenergia annavad tunnistust sellest, kuidas nanotehnoloogia võib otseselt mõjutada meie argielu, muutes põhjalikult vigastuste ravi ja aidates meil paremini ära kasutada päikeseenergiat.

Närvirakkude täppiskontroll võib pakkuda arstidele oluliselt täpsemaid vahendeid ajutalitluse häirete, nagu depressiooni ja Parkinsoni tõve raviks. Ning ühe raku tasemel uuringud võivad mitte üksnes pea peale pöörata meie arusaamad esmatasandi bioloogilistest protsessidest, vaid ka anda meedikute käsutusse ennetavad testid, tänu millele saab hoopis tõhusamalt ravida vähkkasvajaid. Ja lisaks eeltoodule võib asukohaandurite ja tänapäevaste visuaalsete algoritmide sobitamine taskutelefonidele aidata meil märksa paremini aru saada, kus me parajasti asume.

 

INTERNET
Pilk video homsesse päeva

Digivideo kipub uputama kogu internetti. Hui Zhangi arvates
võiksid päästerõngaks osutuda partnervõrgud.


Ted Stevensist, 83aastasest Alaska senaatorist, sai möödunud aastal üleüldine pilkealune, kui ta määratles oma kõnes internetti kui “trobikonda torusid”. Ent kuigi Stevensi kujund võib paista kohmakas, oli tema jutus ometi iva sees: torud võivad ummistuda. Ja see võib juhtuda varem kui arvatud – digivideo plahvatuslikult kasvanud populaarsuse tagajärjel.

Telesaated, YouTube’i klipid, multikad ja muu videomaterjal moodustab juba üle 60 protsendi internetiliiklusest, väidab Inglismaal Cambridge’is tegutsev firma CacheLogic, mis tegeleb meedialahenduste müügiga sisuomanikele ja interneti teenusepakkujatele (ISPdele). “Ma arvan, et kahe aasta pärast on see 98 protsenti,” lisab Carnegie Melloni üli­kooli IT-teadlane Hui Zhang. Ja sellega kaasneb allalaadi­mise aeglustumine kõigile.

Zhangi meelest võib abi tulla ootamatust kohast – partnerpõhimõttel (P2P) toimivast failivahetustehnoloogiast. Teadagi pole olemas paremat mängumaad piraatidele ja miljonid inimesed on kasutanud selliseid P2P-võrke nagu Gnutella, Kazaa ja BitTorrent, et autoriõigustega kaitstud materjalile küüned taha saada. Ent Zhangi meelest on võimalik seda patust tehnoloogiat reformida ja aidata selle abil seaduslikel sisuomanikel ja internetioperaatoritel pakkuda rohkem videot, ilma et võrgud seejuures kinni jookseksid.
Zhangi ja teiste P2P propageerijate jaoks on küsimus ainult arhitektuuris. Tavapäraselt jõuab video ja muu veebimaterjal tarbijani puud meenutavat teed pidi, kus tüve moodustavad sisuomanike keskserverid, oksteks on arvukad “sisuedastusserverid” ja lehtedeks tarbijate arvutid. Puukujulised süsteemid töötavad hästi, aga neil on kolm olulist nõrkust. Kui mõni oks lõigatakse ära, langevad maha ka kõik lehed. Andmed kulgevad ühesuunaliselt, seega “lehte­de” – arvutite – üleslaadimisvõime jääb kasutamata. Ja mis vahest kõige tähtsam – uute arvutite ühendamine võrku üks­nes suurendab selle ummistusi ja serverite koormust.

Partnervõrkudel seevastu puuduvad keskserverid: kõigi kasutajate arvutid vahetavad andmeid paljude teistega pidevalt kuju muutva nn hajusvõrgu vahendusel. See tähen­dab, et serveritele ja nende ülekoormatud võrguühendus­tele langeb väiksem koormus; andmed pärinevad hoopiski teis­test samasugustest arvutitest, mis säästab interneti pea­magistraale.

Kui keegi hajusvõrgust lahkub, täidavad tema koha vaevata teised. Ja kasutajate lisandumine üksnes suur­endab partnervõrgu võimsust.

Sisuedastajad ja nende internetiteenuse pakkujad (ISP) on seni hajusvõrkudesse jahedalt suhtunud kahel tähtsal põhjusel. Esiteks, et üksikutele arvutitele langevat koormust ühtlasemalt jaotada, jagavad arenenumad partnervõrgud, nagu BitTorrent, suured failid plokkideks, mis jaotatakse paljude arvutite vahel. Et need plokid tervikuks ühendada, kasutab võrku ühendatud arvuti hinnalist ribalaiust, et edastada “metaandmeid” selle kohta, milliseid plokke ta vajab ja millised on tal juba olemas.

Teiseks ei armasta ISPd tegelda P2P-liiklusega, sest see on suur raharaiskaja. Tavalise ühesuunalise andmeedastuse puhul saavad ISPd maksustada sisuomanikke, nagu Google ja NBC.com, kasutatava ribalaiuse alusel. P2P-liiklus aga lähtub võrguteenuse kasutajatelt, kes tavaliselt maksavad igakuist kindlaks määratud teenustasu olenemata sellest, kui palju andmeid nad alla või üles laevad.

Zhang ja mitmed teised usuvad end olevat lähedal mõlema probleemi lahendusele. Cornelli ülikoolis katsetab infotehnoloog Paul Francis P2P-süsteemi nimega Chunkyspread, mis ühendab endas puude ja hajusvõrkude parimad omadused. Osalejate arvutid paiknevad klassikalises puu skeemis, kuid saavad suhelda ka omavahel otse, vähendades okstele langevat koormust.

Sugugi vähem tähtis pole asjaolu, et Chunkyspread ei koosta faile mitte plokkidest, vaid pigem
“sektoritest”. Sektori moodustab kõikidest plokkidest konkreetne bitt järjekorranumbriga n – näiteks kõikide 20bitiste plokkide viies bitt. Alice’i arvuti hangib näiteks Bobi arvutilt nõus­oleku, et see saadaks talle kõigist plokkidest biti number viis, Caroli arvutilt, et see saadaks biti number kuus, ja nii edasi. Kui need nõusolekud on saadud, puudub vajadus edasiseks metaandmevahetuseks, seega ei koormata võrku. Francise sõnul ületab Chunkyspread simulatsioonides igati harilikke puukujulisi multiedastussüsteeme.

Zhang usub, et uus tehnoloogia muudab P2P-liikluse vahendamise ka ISPdele meelepärasemaks. Seni on operaatoritel olnud üsna vähe aimu sellest, mis laadi andmed nen­de võrgus liiguvad. Oma tagasihoidlikus Pittsburghi firmas Rinera Networks töötab Zhang välja tarkvara, mis selgitab välja P2P sisu, võimaldab ISPdel otsustada, mida sellest, mis mahus ja mis hinnaga nad läbi lasevad, ning seejärel edastada seda serveripõhiste süsteemide töökindlusega – kogu liikumist pidevalt arvepidamise huvides jälgides. “Me tahame luua ökosüsteemi, milles teenusepakkujad P2P-liiklusest tõepoolest kasu sa avad,” selgitab Zhang. Agaramatele P2P kasutajatele võivad hakata postkasti tulema senisest suuremad arved – aga üldiselt ei tohiks tema sõnul nuriseda ei sisuomanikud ega tarbijad, sest parem arvestus peaks pa­nema interneti tõhusamalt tööle kõigi huvides.

Kui kõik see tundub rikkuvat interneti traditsioonilist võrgu neutraalsuse põhimõtet – selle järgi peaksid ISPd võrdselt kohtlema kogu liiklust, olenemata selle päritolust –, siis Zhangi arvates väärib traditsioon praegusel väga mahukate failide ajastul värskendamist. “Kogu asi on mahtudes,” selgitab ta. “Loomulikult me ei taha, et teenusepakkujad hakkaksid meile ette kirjutama, mida nende infrastruktuuri kaudu tohib saata. Aga teiselt poolt – kui P2P kasutajatele on suuremate andmekoguste üles ja alla liigutamine kasulik, siis peaks oma osa sellest kasust kuuluma ka inimestele, kes neid koguseid tegelikult transpordivad.”
Võrgu- ja riistvarafirmad hoiavad Rinera ja Francise Cornelli labori taolistes asutustes väljatöötatavatel tehnoloogiatel hoolega silma peal, ehkki toodavad ka ise seadmeid P2P-võrkude kaudu video ja muude failide allalaadimiseks. Näiteks on Asus, Planex ja QNAP asunud koostööle BitTorrentiga, et varustada firma P2P-tarkvaraga oma kodukasutuseks mõeldud ruuterid, meediaserverid ja salvestusseadmed. Kui hästi läheb, võib senaator Stevensi “torude” umbeminek veel üksjagu edasi lükkuda.

ENERGEETIKA
Nanotehnoloogia päikeseenergeetika teenistuses

Arthur Nozik on veendunud, et kvantpunktpäikesepaneelid kuulutavad odavate fotoelementide ajastu saabumist.

Ühegi teise taastuvenergia liigi teoreetiline potentsiaal pole võrreldav päikeseenergia omaga. Ent odava ja kättesaadava päikeseenergia mõnud pole meieni veel jõudnud suuresti seetõttu, et praegusel ajal on päikesepaneelide valmistamine väga kallis.

Fotoelementides kasutatakse valgusenergia elektrivooluks muutmiseks pooljuhte.

Fotoelementide tavaline “tööhobune”, räni, saab töötlemisega hakkama võrdlemisi tõhusalt, kuid ränielemendid on suhteliselt kallid toota. Turule on jõudnud ka mõningaid teisi pooljuhte, mida saab toota õhukese kilena, aga ehkki need on hinnalt odavamad, ei ole nad kasuteguri poolest räniga võrreldavad. Uus lahendus võib olla juba käeulatuses: mitmed keemikud on seisukohal, et kvantpunktid – imetillukesed, paarinanomeetrise läbimõõduga pooljuhtkristallid – võivad muuta päikeseenergia hinnalt vähemasti konkurentsivõimeliseks fossiilse energiaga.

Tänu oma üliväikestele mõõtmetele reageerivad kvantpunktid valgusele eriliselt. Ränis vabastab üks valgusfooton aatomi orbiidilt ühe elektroni. 1990. aastate lõpul püstitas Colorado osariigis Goldenis asuva National Renewable Energy Laboratory teadlane Arthur Nozik hüpoteesi, et mõningate pooljuhtmaterjalide kvantpunktides võib vabaneda kaks või enam elektroni, kui neid pommitada tugevate footonitega, milliseid leidub spektri sinises ja ultravioletses osas.

2004. aastal tõestas Victor Klimov New Mexico Los Alamose National Laboratorys esimesena katseliselt, et Nozikil oli õigus; möödunud aastal tõestas ta, et pliiseleniidi kvantpunktid võivad tugeva ultraviolettkiirguse toimel vabastada kuni seitse elektroni footoni kohta. Noziki töörühm näitas peagi sama efekti teistest pooljuhtidest, nagu pliisulfiit ja pliitelluriit, saadud kvantpunktide puhul.

Need katsed pole esialgu andnud masstootmiseks sobivat mater jali, kuid lubavad siiski arvata, et tulevikus saab päikesevalgust kvantpunktide abil elektriks muundada senisest suurema kasuteguriga. Ja kuna kvantpunktide valmistamiseks piisab lihtsatest keemilistest reaktsioonidest, oleksid niisugused päikesepaneelid ka odavamad. Noziki labori teadlased, kelle uurimistulemusi pole veel avaldatud, demonstreerisid hiljaaegu mitme elektroni efekti ka räni kvantpunktides; sellistest punktidest päikesepaneelide valmistamine oleks praegu kasutatavatest suurtest kristalse räni tahvlitest märksa odavam.

Tänini on mitme elektroni efekti täheldatud ainult üksikute kvantpunktide puhul; esimestes kvantpunktidest koostatud fotoelementide prototüüpides see ei ilmnenud. Probleem on selles, et töötavas päikesepaneelis tuleb elektronid saada pooljuhist välja, vooluahelasse. Osa ükskõik millise fotoelemendi vabanenud elektronidest läheb paratamatult “raisku” – tõmmatakse ära pooljuhi positiivsetesse “aukudesse”. Kvantpunktide puhul toimub selline tagasitõmbamine palju kiiremini kui suurtel pooljuhtpindadel: hulk vabanenud elektrone neeldub silmapilkselt.

Noziki töörühm on oma parimate kvantpunktpäikesepaneelide puhul jõudnud kõigest kaheprotsendilise kasutegurini, mida on toimiva seadme jaoks selgelt liiga vähe. Nüüd loodavad teadlased suurendada kasutegurit kvantpunktide pindu töödeldes ja parandades elektronide liikumist punktide vahel.

Kogu projekt on omamoodi loterii ja Nozik tunnistab, et see ei pruugi end kunagi ära tasuda. Ometi ei raatsi ta nanokristallides peituvat tohutut potentsiaali teades katsetamisest loobuda. Noziki arvutuste järgi oleks kvantpunktidest koosneva fotoelemendi suurim võimalik kasutegur 42 protsenti – palju suurem kui ränil, millel see on 31 protsenti. Kvantpunktid ise oleksid odavad valmistada ja neid saaks kasutada kombinatsioonis näiteks elektrit juhtivate polümeeridega, mille tootmine ei maksa samuti palju. Toimiv kvantpunktpolümeerpäikesepaneel võib muuta päikeseenergia majanduslikult tasuvuselt enam-vähem võrdseks kivisöeenergiaga. “Kellel see õnnestub, see sõidab Stockholmi – see oleks revolutsioon,” ütleb Nozik.

Masstoodetavate kvantpunktpäikesepaneelide ilmumiseni läheb veel aastaid, isegi kui ideest peaks asja saama. Kui aga saab, siis võib fossiilkütuste ajastu peagi olla minevik.

BIOTEHNOLOOGIA
Kontrollitavad närvirakud

Karl Deisserothi geenitehno­loogiline “valgus­lüliti”, mis võimaldab teadlastel valikuliselt pea­aju piirkondi sisse ja välja lülitada, võib aidata paremini ravida depressiooni ja teisi haigusi.

Stanfordi ülikooli kliinikumis tuleb Karl Deisserothil psühhiaatrina mõnigi kord ravida patsiente, kes on nii depressiivsed, et ei suuda käia, rääkida ega süüa. Intensiivravivõtted, nagu elektrišokk, võivad selliste patsientide puhul toimida sõna otseses mõttes elu päästvalt, kuid tihtipeale mälulünkade, peavalude ja teiste tõsiste kõrvalnähtude hinnaga. Deisseroth, kes on ühtlasi nii arst kui ka biotehnoloog, usub, et on olemas parem võimalus: uus elegantne meetod närvirakkude kontrollimiseks valgusimpulsside abil. Tegu on tehnoloogiaga, mis võib edaspidi aluse panna psühhiaatriliste ja neuroloogiliste häirete täpsemalt suunatud ravile; täpsem ravi omakorda oleks tõhusam ja põhjustaks vähem kõrvaltoimeid.

Kuigi teadlased teavad depressiooni põhjustavatest keemilistest kõrvalekalletest nii mõndagi, pole ometi tänini selge, millised rakud või r akusüsteemid täpselt on selles süüdi. Et välja selgitada sedalaadi haigustega seotud ahelaid, peab teadlastel olema võimalus närvirakke sisse ja välja lülitada. Tavameetodid, nagu rakkude elektrilöökidega aktiveerimine elektroodide abil, ei ole selleks otstarbeks piisavalt täpsed, niisiis töötasid Deisseroth, postdoktorant Ed Boyden (praegu Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi professor) ja diplomand Feng Zhang välja närvirakkude kontrolli tehnika, millega suudetakse aktiveerida konkreetseid neuronite ahelaid.

Nad kohandasid rohevetikalt saadud valgu “lülitiks”, mida võib geenitehnoloogiliste vahenditega valmistama panna neuronid. Kui sellist neuronit mõjutada valgusega, siis rakk elektriseeritakse vetika valgu toimel ning vool levib ahelas järgmisena paiknevasse neuronisse. Teadlased saavad niisiis valguse abil aktiveerida üksikuid neuroneid ja vaadelda kon­kreetseid reaktsioone – lihastõmblusi, suurenenud toonust või aktiivsuspuhangut mõnes teises aju piirkonnas.

Deisseroth kasutab seda geenitehnoloogilist valguslülitit depressiooni bioloogiliste põhjuste selgitamiseks. Töötades rottidega, kelle sümptomid sarnanevad depressiooni all kannatavate inimeste omadega, on tema labori teadlased varustanud lülitiga aju mitme depressiooniga seotud piirkonna neuroneid. Seejärel valgustatakse neid optiliste kiudude abil ja püütakse leida sümptomeid leevendavaid aktiivsusmudeleid. Deisserothi sõnul peaksid uurimise tulemused aitama välja töötada paremaid antidepressante: kui on teada, millistele rakkudele keskenduda, siis on võimalik leida molekulid või transportsüsteemid, mis mõjutavad ainult neid konkreetseid rakke. “Prozac siseneb kõikidesse aju neuron­ahelatesse – ka neisse, kus seda ei vajata,” ütleb ta. “See on ka üks põhjusi, miks sel on nii palju kõrvaltoimeid.”

Möödunud aastal varustas Deisseroth oma lülitiga rohkem kui sada teaduslaborit. “Seda kasutatakse väga erinevatel loomadel – hiirtel, tõukudel, kärbestel, vöödilistel pisidaaniotel,” selgitab ta. Teadlased kasutavad seda ja sarnaseid lüliteid paljude nähtuste tundmaõppimiseks alates motoorikast ja lõpetades sõltuvuste ja söögiisuga. “Need tehnoloogiad aitavad meil minna vaatluselt üle aktiivsele sekkumisele ja juhtimisele,” ütleb Yale’i ülikooli neuroloog Gero Miesenböck. “Aistingute ja liigutuste vahetu esilekutsumise teel,” ütleb ta, “hakkame nägema palju otsesemaid seoseid ajutegevuse ja käitumise vahel”.

Deisseroth loodab, et tema tehnoloogia leiab tulevikus kasutust mitte üksnes teaduslikes uuringutes, vaid ka ravis, kõrvuti depressiooni ja Parkinsoni tõve raviks kasutatava suurte aju osade elektrostimulatsiooniga. Aktiveerides vaid otseselt asjassepuutuvaid neuroneid, võib spetsiaalset valguslülitit kasutades vältida viimati nimetatud ravimeetodi kõrvaltoimeid.

Muidugi tuleb teadlastel esmalt lahendada mõned probleemid – näiteks leida ohutu geenitehnoloogiline meetod lüliti sisestamiseks vajalikesse rakkudesse, aga ka viis, kuidas juhtida valgust sügavale aju sisemusse. “Selleks läheb veel palju aega,” ütleb Deisseroth. “Aga need takistused on ületatavad.” Seniks on neuroloogidel olemas võimas uus tööriist aju saladuste tundmaõppimiseks.

NANOTEHNOLOOGIA
Nanoravi

Peened kiud aitavad tulevikus päästa inimelusid, peatades verejooksu ja aidates patsientidel taastuda ajutraumadest, ütleb Rutledge Ellis-Behnke.

Massachusett si Tehnoloogiainstituudi uhiuues neuroloogiakompleksis oma labori lähedal paiknevas puhkeruumis improviseerib Rutledge Ellis-Behnke teksti videole, millel näidatakse teda operatsiooni teostamas. Videol teeb Ellis-Behnke sügava sisselõike roti maksa, lõigates meelega läbi suure arteri. On näha roti südamelöökide rütmis tukslevat maksa, haavast tulvab verd. Siis katab Ellis-Behnke haava läbipaistva vedelikuga ja verejooks seiskub peaaegu silmapilkselt. Niisama jäetuna olnuks haav surmav, aga rott jääb ellu.

Vedelik, mida Ellis-Behnke kasutas, on uudne nanomõõtkavas valgulistest osakestest ehk peptiididest valmistatud materjal. Selle võime peatada  koheselt verejooksu võib muuta selle hindamatuks vahendiks kirurgias, õnnetuspaikadel ja sõjaolukorras. Keha sisemuses valitsevate tingimuste toimel moodustavad peptiidid kiulise koe, mis palja silmaga vaadates näeb välja nagu läbipaistev geel. Mis veelgi tähelepanuväärsem, materjal loob tingimused, mis võivad kiirendada aju- ja seljaajukoe paranemist.

Ellis-Behnke avastas materjali verejooksu peatavad omadused juhuslikult katsete käigus, millega prooviti taastada ajuvigastustega hamstrite nägemisvõimet. Tema avastus ise aga sai võimalikuks tänu varasematele juhustele. 1990. aastate algul töötas nüüdne Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi biomeditsiinitehnoloog Shuguang Zhang sama instituudi bioloogi Alexander Richi laboris. Zhang oli mõnda aega ­uurinud üht korduvat DNA-järjestust, mis kontrollis ühe teatava peptiidi teket. Koos ühe kolleegiga märkasid nad juhtumisi, et teatavatel tingimustel moodustavad peptiidi koopiad kiudusid. Zhang ja tema kolleegid hakkasid pep­tiide ümber ehitama, et saavutada erinevaid reaktsioone elektrivoolule ja veele. Viimaks valmis neil 16 aminohappest koosnev peptiid, mis näeb välja nagu reha, mille vett hülgavast seljast eenduvad veelembesed pulgad. Soolases ja veeküllases keskkonnas – näiteks kehas – ühinevad selgmised osad iseeneslikult, et vältida kokkupuudet veega, pikkadeks peenikesteks kiududeks, mis omakorda moodustavad krussis linte. Protsessi käigus kalgendub vedel peptiidlahus läbipaistvaks geeliks.

Esialgu kavatses Ellis-Behnke hakata kasutama seda materjali pea- ja seljaajukahjustuste paranemise kiirendamiseks. Noorte elusolendite organismis ümbritsevad närvirakke nende kasvamist soodustavad ained; Ellis-Behnke oletas, et peptiidgeel tekitab samasuguse keskkonna ega lase moodustuda armkoel, mis takistab purustatud närvide taastumist. “See on nagu nisupõllul kõndimine, kus on lihtne astuda, sest nisu liigub eest ära,” võrdleb ta.

“Ohakapõllul seevastu kõndija takerdub.” Hamstritega toimunud katsete käigus panid teadlased tähele, et geel võimaldas aju nägemiskeskuse neuronitel kahjustatud kohast üle kasvada ja taastada side teisel pool olevate neuronitega, nii et hamster sai nägemise tagasi.
Just viimati nimetatud katsete käigus avastas Ellis-Behnke geeli verejooksu peatava toime. Uue aine kandmisel hamstrite ajju tehtud sisselõigetele peatus veritsus järsult. “Esialgu,” ütleb Ellis-Behnke, “me arvasime, et oleme nad tapnud. Aga süda töötas.” Närilised elasid veel mitu kuud ning ühtki negatiivset  kõrvaltoimet ei ilmnenud.

Nimetatud materjalil on seniste verejooksu peatamise meetodite ees mitmeid eeliseid. See mõjub kiiremini ja seda on lihtsam kasutada kui kauteriseerimist, samuti välditakse sellega koekahjustusi. Ühtlasi võib geel kaitsta haavasid õhu eest ja varustada kasvavaid rakke taastumiseks vajalike aminohapetega, kiirendades seeläbi p aranemist. Lisaks lagundab organism peptiidid mõne nädala jooksul täielikult, seega pole tarvis neid haavalt eemaldada nagu mõningaid muid verejooksu peatavaid vahendeid. Sünteetilisel materjalil on ka pikk säilivusaeg, mis muudab selle iseäranis sobivaks esmaabikomplektides kasutamiseks.

Tõenäoliselt leiab uudne materjal rakendust esmalt operatsioonisaalides. Seal aitaks see mitte üksnes seisata verejooksu sisselõikekohtadel, vaid moodustaks ka haavadele kaitsva kihi. Ja kuna tegu on läbipaistva ainega, peaks see võimaldama kirurgidel pärast geelikihi haavale kandmist läbi geeli edasi opereerida. “Operatsiooni käigus tuleb operatsioonivälja pidevalt imuritega töödelda ja puhastada, et see oleks nähtav,” ütleb Harvardi meditsiiniprofessor gastroenteroloog Ram Chuttani. “Kui aga selle saaks kinni “pitseerida”, oleks nähtavus hoopis parem.” Loodetavasti väheneb tänu sellele operatsioonide kestus, mis vähendaks komplikatsioone. Tänu uuele materjalile võib osutuda võimalikuks ka paljude uute protseduuride tegemine väheinvasiivsete meetoditega, sest kirurg saab kiiresti peatada verejooksu endoskoobi otsas.

Chuttani, kes ise materjali väljatöötamisel ei osalenud, hoiatab, et tulemused on alles “väga esialgsed” ja neid pole katsetatud ei suurtel loomadel ega inimesel. Kuid kui katsed õnnestuvad, võib materjal saada Ellis-Behnke hinnangul meditsiinilise kasutusloa lähima kolme kuni viie aasta jooksul. “Ma ei oska ennustada kõike, mida see kaasa toob,” ütleb ta, “aga kui me suudame peatada verejooksu, siis päästame sellega hulga inimelusid.” Ellis-Behnke ja tema kolleegid uurivad edasi ka materjali kasutusvõimalusi närvide regeneratsioonis. Praegu otsitakse vahendeid närvirakkude kasvu kiirendamiseks, mille abil saaks ravida ka suuremaid ajuvigastusi – näiteks insuldikahjustusi. Ent nende kasutuselevõtuni inimeste ravis läheb veel viis kuni kümme aastat, ütleb Ellis-Behnke.

Kuid isegi närvide taastamist kõrvale jättes võib kirjeldatud materjal päästa lugematuid elusid operatsioonilaual või õnnetuspaikadel. Ja juba saadud tulemused on innustanud teadlasi jätkama uuringuid organismis ise koostuvate nanostruktuuride valdkonnas, mis annab meditsiinile suurt arengulootust.

TELEKOMMUNIKATSIOON
Täiendatud reaalsus

Markus Kähäri tahab reaalse maailma pinnale kuvada digitaalse info.

Võõras linnas orienteerumine võib olla paras peavalu: tuleb jännata kaartide ja reisijuhtidega, mõistatada oma asukohta tänavatel, kus puuduvad tänavasildid, ja küsida nõu kohalikelt, kes juhatavad teile teed sootuks tundmatute tähiste järgi. Autoga sõites võib GPS-navigatsioonisüsteem küll kulgemist lihtsustada, kuid seegi ei aita teil valida näiteks nii maitsele kui ka rahakotile meelepärast restorani. Nokia arenduskeskuse insenerid Soomes Helsingis loodavad, et projekt nimega Mobile Augmented Reality Applications (Täiendatud Reaalsuse Mobiilsed Rakendused) aitab teil edaspidi soovitud sihtpunkti jõuda – ja seal ka tegevust leida.

Mullu oktoobris tutvustas Markus Kähäri juhitav töörühm oma süsteemi prototüüpi täiendatud ja segureaalsuse rahvusvahelisel sümpoosiumil. Töörühm lisas Nokia nutitelefonile GPS-anduri, kompassi ja aktseleromeetrid. Neilt saadud andmete põhjal suudab telefon välja arvutada enam-vähem iga objekti asukoha, millele tema kaamera suunatakse. Iga asukohamuutuse järel otsib telefon vastavast võrguandmebaasist üles läheduses paiknevate huviväärsuste nimed ja geograafilised koordinaadid. Seejärel saab kasutaja veebist alla laadida lisateabe konkreetse objekti kohta – näiteks Empire State Buildingis tegutsevate firmade nimekirja, infot seal asuvate observatooriumide piletihinna või kõigi viie söögikoha lahtiolekuaegade ja menüüde kohta.

Nokia projekt toetub üle kümne aasta kestnud akadeemilisele tööle mobiilse täiendatud reaalsuse vallas. Columbia ülikooli arvutigraafika ja kasutajaliideste labori direktor Steven Feiner – üks esimesi teadlasi, kes selle alaga tegelema hakkas – peab Nokia projekti lootustandvaks. “Kui mina alustasin, siis oli puuduvaks lüliks väike arvuti,” ütleb ta. “Nüüd on selline väike arvuti taskutelefoni kujul olemas.”

Vaatamata Nokia projektis kasutatud andurite kättesaadavusele ja võrdlemisi madalale hinnale on osa insenere seisukohal, et need muudavad kogu lahenduse kasutamise kommertsotstarbel liiga keeruliseks. “Minu hinnangul eeldab see väga eksootilist riistvara,” ütleb Prantsusmaal Suresnes’is asuva, samuti  täiendatud reaalsusega tegeleva firma Total Immersion peatehnoloog ja üks asutajaid Valentin Lefevre. “Seetõttu näeme meie lahendust pildianalüüsis.” Total Immersioni süsteem, mis on tervenisti tarkvarapõhine, lähtub konkreetsest objektist, millele telefoni kaamera on suunatud, ja objekti ligikaudsest digitaalsest mudelist; seejärel määratakse vastavate äratundmisalgoritmide abil kindlaks, millised andmed tuleks kujutisele kuvada. Firma pakub juba oma süsteemi mobiilversiooni Aasia ja Euroopa mobiilsideoperaatoritele ja näeb selle esmaste rakendustena mängu- ja reklaamiäri.

Ka Nokia teadlased on alustanud tööd kujutisi reaalajas ära tunda võimaldavate algoritmide kallal; nad loodavad, et tänu algoritmidele vabanetakse asukohaanduritest ning paraneb süsteemi täpsus ja usaldusväärsus. “Riistvarakomponentidest sõltumatud meetodid võivad osutuda töökindlamaks,” ütleb Californias Palo Altos asuva Nokia arenduskeskuse tehnoloog Kari Pulli.

Kummatigi on kõik asjaosalised ühel nõul selles, et nn mobiilne täiendatud reaalsus on enam-vähem valmis turule paiskamiseks. “Mobiilvõrgus toimivate rakenduste jaoks on tehnoloogia juba olemas,” kinnitab Feiner. Üks eelseisvaid ülesandeid on veenda selliseid suuri operaatoreid nagu Sprint ja Verizon, et kliendid on valmis täiendatud reaalsuse teenuste eest ka raha välja käima. “Kui mõni USA suurtest operaatoritest sellega välja tuleks, siis võiks see kas või täna olla massides,” ütleb Pulli.

NANOTEHNOLOOGIA
Nähtamatu revolutsioon

Tehisstruktuuriga metamaterjalid võivad põhjapanevalt muuta telekommunikatsiooni, andmekandjaid ja isegi päikeseenergeetikat, kinnitab David R. Smith.

David R. Smithi juhitud Duke’i ülikooli töörühma mullu novembris tutvustatud “nähtamatuse kilp” ajas, nagu arvata võiski, meedia elevile: ühtäkki meenutasid kõik Herbert George Wellsi nähtamatut meest ja “Star Treki” romuluslasi. Ringikujuliselt paigutatud mikroskeemide abil õnnestus teadlastel suunata mikrolained mööda omalaadsest “ruumiaugust”: kui augu keskele asetati metallist silinder, käitusid mikrolained nii, nagu seal oleks tühjus.

Vaieldamatult oli tegu seni kõige vapustavama näitega metamaterjalide – kahest või enamast materjalist koostatud erilise algehitusega liitainete võimalustest. Sellised materjalid suudavad panna elektromagnetlained, sealhulgas valguse, käituma nii, nagu see looduses harilikult ei käitu. Nii näiteks võivad tühikutega eraldatud identsetest mikroskoopilistest footonkristallplokkidest koostatud paneelid peegeldada või isegi kustutada teatava lainepikkusega valguskiiri; väikestest mikroskeemidest loodud konstruktsioonid, nagu Smithi nähtamatuse kilp, võivad aga valgust iseäralikul viisil painutada.

Aga kas me ikka tõesti saame sääraste materjalide abil asju nähtamatuks teha? Philip Ball palus Smithil seletada, kuidas metamaterjalid muudavad meie maailmapilti.

Technology Review (TR): Kuidas metamaterjalid võimaldavad asju nähtamatuks muuta?
David R. Smith (DS): See on pisut keeruline protseduur, aga väga lihtsalt näitlikustatav. Kujutlege kangast, kus valgus liigub mööda koelõngu. Kui nüüd võtta nõel ja torgata see läbi kanga, siis nihkuvad koelõngad oma kohalt ära ja kangasse tekib auk. Valgus, mis saab liikuda ainult mööda lõngu, suunatakse august mööda. John Pendry Londoni Imperial College’ist arvutas välja selleks vajaliku metamaterjali parameetrid. Lained juhitakse august mööda ja saavad kokku teisel pool. See tähendab, et te võite asetada auku ükskõik millise objekti ja lained ei “märka” seda – nende jaoks oleks seal nagu tühi ruum.

TR: Ja teie valmistasite niisuguse materjali?
DS: Jah – niipea kui me saime kirjelduse, hakkasime oma viimaste aastate jooksul väljatöötatud tehniliste vahenditega sellist materjali looma. Me katsetasime just mikrolainesagedusega, sest selle vahemiku jaoks on olemas väga hästi toimivad tehnikad ja me teadsime, et jõuame kiiresti näidiskatseni. Trükkisime klaaskiudplaatidele millimeetrisest metall­traadist viigud ja C-kujulised ühelt poolt avatud rõngad. Kilbi valmistamiseks läks tarvis kümmekond selliste C-kujuliste rõngastega plokkidest koosnevat kontsentriliselt paiknevat silindrit, millest igaühel oli pisut erinev joonis.

TR: Ja kilbist ümbritsetud objekt on tõepoolest nähtamatu?
DS: Enam-vähem, aga kui nüüd rääkida nendes katsetes nähtamatusest, siis see ei tähenda, et asjad otse meie silme all haihtuksid – vähemasti esialgu. Me saame peita neid mikrolainete eest, aga kilp ise on täiesti nähtav. See ei ole sama mis sõjalennukite “märkamatuks” muutmine radaritele, mille puhul on tegu lihtsalt peegelduse elimineerimisega – kilbiga ümbritsetud objekti puhul mikrolained lähevad sellest tõepoolest justkui “läbi”. Kui me suudaksime sama nähtava valguse spektris, siis oleks küll näha, kuidas objekt haihtub.

TR: Kas te suudaksite varjata suuri objekte, näiteks lennukit, radarite eest, kattes välispinna sobiva metamaterjaliga?
DS: Pole kindel. Kui vaadata praegust stealth-tehnoloogiat, siis selle abil püütakse takistada objektide avastamist äärmiselt laias radariskaalas. Aga nähtamatuse lainepikkus on meie lahenduse puhul väga tugevasti piiratud. Samal põhjusel pole veel võimalik peita objekte kogu nähtava valguse spektris – kui oleks, siis see oleks kahtlemata tohutu samm edasi.

TR: Kus veel saab metamaterjale kasutada?
DS: Tegelikult tähendavad need täiesti uudseid põhimõtteid optikas. Ääretult suureneb disainivabadus, ja nagu uute tehnoloogiate puhul ikka, pole kõige paremate kasutusvõimaluste peale ilmselt veel tuldudki.
Üks kõige provokatiivsemaid ja vaieldumaid tulevikuennustusi pärineb John Pendrylt, kes esitas hüpoteesi, et negatiivse murdumisnäitajaga materjalid suudavad koondada valgust paremini kui tavapärased läätsede valmistamisel kasutatavad materjalid. Murdumisnäitaja ütleb, kui palju valgus materjali läbides suunda muudab – nagu näiteks vette pistetud teiba puhul, mis tundub silmaga vaadates murtud. Negatiivne murdumisnäitaja tähendab, et aine murrab valgust “valepidi”. Praeguse ajani oleme meie ja teised tegelnud mitte nähtava valguse, vaid mikrolainetega, mis on samuti elektromagnetlained, aga suurema lainepikkusega. Selliste metamaterjalide komponendid on olnud vastavalt suuremad ja seega materjalid ise lihtsamad valmistada. 2005. aastal leidis Pendry oletus kinnitust: California Berkeley ülikooli töörühm lõigi negatiivse mikrolainete murdumisnäitajaga metamaterjali.
Nähtava valguse spektris negatiivse näitajaga materjali loomine on märksa raskem, sest selle “ehitusplokid” peavad olema palju väiksemad – läbimõõduga 10–20 nanomeetrit. Aga see on praegu juba täiesti mõeldav ja mitmed rühmad ka tegelevad sellega. Kui õnnestub, siis saab nende metamaterjalide abil näiteks suurendada CDde ja DVDde salvestusmahtusid ja kiirendada andmeedastust ja muuta kiudoptilised telekommunikatsioonid palju energiasäästlikumaks.
Lisaks on võimalik ka elektromagnetvälju koondada – risti vastupidiselt sellele, mida teeb nähtamatuse kilp –, millest võib olla palju kasu energeetikas. Sobiva materjali abil võiks koondada kokku kõigist suundadest langeva valguse, ilma et läheks vaja otsest päikesevalgust. Praegu me töötamegi niisuguste lahenduste kallal. Kui seda õnnestuks teha nähtava valgusega, siis suurendaks see oluliselt päikeseenergia kasutegurit.

TARKVARA
Digitaalpildinduse uus nägu

Richard Baraniuki ja Kevin Kelly arvates võib signaalivisandus aidata kaameratel ja meditsiinilistel piltdiagnostikaseadmetel senisest efektiivsemalt kujutisi tekitada.

Richard Baraniuk ja Kevin Kelly esindavad uut visiooni digitaalpildinduses: nad on veendunud, et põhjalik riist- ja tarkvarauuendus muudab kaamerad väiksemaks ja kiiremaks ning võimaldab teha uskumatult suure lahutusega ülesvõtteid.

Praegused digikaamerad matkivad suuresti filmikaameraid, mis muudab nende kasuteguri äärmiselt väikeseks. Tavalise neljamegapikslise fotokaamera ülesvõtte puhul kirjeldab igaüks selle neljast miljonist sensorist temale langenud valgust konkreetse arvuga; arvureast omakorda moodustub tervikpildi kirjeldus. Seejärel asub kaamera pardaarvuti pilti tihendama, enamikku neist arvudest välja visates. Kogu protsess tühjendab asjatult kaamera akut.

Baraniuk ja Kelly, kes mõlemad on Rice’i ülikooli elektrotehnika ja IT-tehnika professorid, on välja töötanud kaamera, millel puudub vajadus kujutise tihendamise järele. See kaamera haarab ühe sensori abil küllaldaselt informatsiooni, et koostada sellest uudse algoritmi abil kõrglahutusega kujutis.

Selle kaamera tööpõhimõtteks on uudne tehnika, mida nimetatakse signaalivisanduseks. Sel põhimõttel töötavale kaamerale piisab praeguste digikaameratega võrreldes palju väiksemast andmehulgast, et koostada samaväärne pilt. Baraniuki ja Kelly algoritm teisendab visuaalse info käputäieks arvudeks, mis juhuslikkuse alusel paigutatakse tohutusse “ruudustikku”. Arve on tarvis täpselt niipalju, et algo­ritm suudaks nende alusel täita kõik lüngad, nii nagu teeme meie Sudoku-mõistatust lahendades. Kui arvuti mõistatusega hakkama saab, ongi ta koostanud ebatäieliku info põhjal täieliku pildi.

Signaalivisandus oli esmalt matemaatiline teooria, mille esimesed tõestused avaldati aastal 2004; nagu ütleb Dave Brady Duke’i ülikoolist, on Rice’i ülikooli töörühm tulnud põhjaliku esitlusega välja suhteliselt kiiresti. “Nad pole rakenduse leidmisega venitanud,” ütleb Brady.

Kelly hinnangul võivad signaalivisanduse esimesed praktilised rakendused olla kättesaadavad juba paari aasta pärast, näiteks meditsiinilistes magnetresonantsseadmetes, mis võimaldavad kuvada pilti kümme korda kiiremini tänastest skänneritest. Viie kuni kümne aastaga võib see tehnoloogia tema sõnul leida tee laiatarbeseadmetesse, võimaldades tillukeste taskutelefonikaameratega teha kvaliteetseid plakatiformaadis fotosid. Maailm, milles me elame, digitaliseerub üha kasvavas tempos, signaalivisandus aga tõotab tõhusat ja elegantset võimalust kogu seda jäädvustavale pildindustehnikale.

MEDITSIIN
Personaliseeritud meditsiinilised jälgimisseadmed

John Guttag kinnitab, et diagnostika osaline automatiseerimine arvutite abil võib muuta meditsiini inimlähedasemaks.

hiliskevadel 2000 tuli John Guttag operatsioonilt. Tegu oli lihtsa protseduuriga, mille käigus parandati rebenenud side põlveliigeses, ja tal polnud sugugi kavas lähemal ajal veel haiglat külastada. Ent samal päeval tundis tema tookord keskkoolis õppiv poeg valusid rinnus. Guttagi naine istus pikemalt aru pidamata uuesti rooli ja sõitis pojaga otseteed samasse haiglasse, kus poiss kopsukollapsi diagnoosiga samal päeval sisse võeti. Terve aasta veetsid Guttag ja tema naine pojaga nädala kodus ja siis taas nädala haiglas – see oli aeg täis korduvaid operatsioone ja pidevat tüsistuste ravi.

Selle aasta jooksul muutus Guttagi kodus harjumuspäraseks üks pidevalt korduv stsenaarium. “Arstid tulid, võtsid stetoskoobi, kuulasid tal kopse ja teatasid umbes midagi sellist nagu “eilsega võrreldes 10protsendiline paranemine”, ja mina tahtsin iga kord öelda: “Ma ei usu teid,” räägib ta. “Pole võimalik, et te istute siin ja kuulate hingamist ja saate väita, et on toimunud 10protsendiline paranemine. Kahtlemata saab seda teha palju täpsemalt.”
Sama mõte oleks võinud peast läbi käia igal murelikul lapsevanemal, ent Guttagile, kes tollal juhtis Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi elektrotehnika ja IT-osakonda, oli see isiklik väljakutse. “Tervishoid tundus olevat valdkond, kus meie teadmised eriti hästi ära kuluksid,” ütleb ta.

Kõige loogilisem tööpõld on Guttagi sõnul meditsiinilis test testidest laekuva tohutu andmehulga analüüsimine. Tänapäeva arstid ägavad füsioloogilise info koorma all: ­temperatuuri- ja vererõhugraafikud, magnentresonantspildid, EKG, röntgeniülesvõtted... Konkreetse patsiendi kõigi andmete läbisõelumine, et leida näiteks südameinfarkti või insuldi sümptomeid, võib olla keeruline ja aeganõudev. Guttag on veendunud, et arvutid suudavad aidata arstidel seda pidevalt kasvavat andmemassi paremini tõlgendada. Kiiresti leides seaduspärasusi, mis võiksid inimesel kahe silma vahele jääda, võivad tarkvaralahendused muuta ­meditsiini täpsemaks ja isikulähedasemaks. “Inimene ei ole kõige osavam mustreid märkama, kui need ei ole just väga ­silmatorkavad,” ütleb Guttag. “Ma sain aru, et arstid tegelevad asjadega, mida arvutid suudaksid teha neist paremini.”

Nii tundus Guttagile, et näiteks inimorganismi elektrilistes signaalides orienteerumise võiks vabalt jätta infotehnoloogia hooleks. Mõnedest tema esimestest arvutivõrkude alastest töödest huvituti Bostoni lastekliinikus. Meedikud ja infotehnoloog asusid otsima võimalusi, kuidas senisest paremini ennustada epileptilisi hoogusid; mõni aeg hiljem töötasid Guttag ja üks tema tudengeist Ali Schoeb välja personaliseeritud hoiatusseadme. 2004. aastal vaatas nende töörühm läbi rohkem kui 30 epilepsiahaige lapse elektroentsefalogrammid, mis olid tehtud epileptilise hoo eel, selle ajal ja pärast seda. Nende põhjal koostasid nad “liigitusalgoritmi”, mis suudab vahet teha hoogudele iseloomulike ja teiste, tavaliste elektromagnetlainete vahel. Algoritmi abiga tuvastasid teadlased igale konkreetsele patsiendile iseloomulikud hoogude mudelid.

Nüüd töötab sama rühm kogutud info põhjal välja epilepsiahaigetele kasulikke abivahendeid. Tänapäeval saavad paljud patsiendid hoogusid vältida uitnärvi stimuleeriva implantaadi abil. Implantaat töötab tavaliselt emma-kumma skeemi alusel: see kas lülitub iga mõne minuti järel sisse olenemata patsiendi ajutegevusest või aktiveerib patsient selle ise magneti abil, kui tunneb hoogu lähenevat. Mõlemal meetodil on omad puudused, seetõttu tahab Guttag luua mitteinvasiivse tarkvarapõhise anduri, mis oleks programmeeritud mõõtma kandja ajutegevust ja kindlaks tegema, millised – konkreetsele inimesele ainuomased – korduvused annavad märku lähenevast epileptilisest hoost. Sääraste korduvuste avastamisel aktiveeriks seade automaatselt im­plantaadi ja hoiaks ära algava hoo.

Guttag kavatseb katsetada andurit, mis põhimõtteliselt kujutab endast elektroodidega varustatud ujumismütsitaolist peakatet, tänavu kevadel väikesel rühmal Iisraelis Bethis tegutseva diakooniakeskuse patsientidel. Säärane andur võib edaspidi abiks olla ka ilma implantaadita patsientidele, andes lihtsalt märku enne hoo saabumist istuda, auto teeserva parkida või ohutusse kohta minna. “Isegi hoiatus oleks äärmiselt suur elumuutus,” ütleb Guttag. “Tegelikult tunnevadki inimesed kõige enam hirmu just hooga kaasnevate muude kahjude ees.”

Nüüd on Guttag võtnud tähelepanu alla südametegevuse eripärad. Nagu ajul, nii kaasnevad ka südametegevusega elektrilised signaalid, niisiis oli kardioloogiaga tegelema hakkamine tema jaoks protsessi loomulik jätk.

Esmalt selgitas ta välja valdkonnad, kus vajatakse suuremahulist südametegevuse üleskirjutuste analüüsi. Praegusel ajal paigaldatakse paljudele südameinfarkti läbiteinud patsientidele en ne haiglast väljakirjutamist südametegevust jälgiv Holteri monitor. Järgmisel päeval kontrollib kardioloog monitori salvestise põhjal, ega patsiendi seisundis ei ilmne muret tekitavaid märke. Samas võib ebanormaalne joonis tuhandeid minuteid tihedaid võnkeid sisaldaval väljatrükil hõlpsasti märkamata jääda.

Just siin võivad Guttagi arvates appi tulla arvutid. Koostöös Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi elektrotehnika ja infotehnoloogia professori kardioloog Collin Stultzi ja diplomand Zeeshan Syediga tegeleb Guttag algoritmide loomisega elektrokardiogrammidest oluliste statistiliste korduvuste leidmiseks. Eelseisvatel kuudel tahab töörühm võrrelda sadade infarkti läbi teinud, aga ka sellesse surnud patsientide EKGsid. Esmane eesmärk on leida võtmetähtsusega sarnasused ja erinevused ellujäänute ja mitteellujäänute südametegevuse üleskirjutustes. EKG puhul on arstidel omad hästi tuntud “ohutunnused”, ent Guttagi rühm on jätnud oluliste seaduspärasuste otsimise arvutite hooleks, selle asemel et neile ette näidata, mida nimelt otsida. Guttag arvab, et kui arvutiotsing ei ole piiratud olemasolevast meditsiinilistest teadmistest, siis võib selle käigus ilmneda ootamatuid seoseid.

Siinai meditsiinikooli meditsiiniinformaatika keskuse juhataja Joseph Kannry hindab Guttagi tööd kui suurt sammu meditsiinis elutähtsate parameetrite täpsema automaatjälgimise poole. “See on paljutõotav. Kõige raskem on veenda meedikuid seda kasutama,” ütleb ta.
Sellegipoolest on Guttag veendunud, et infotehnoloogia integreerimisel meditsiinidiagnostikasse on esimesed raskused ületatud. “Inimesed reageerivad väga mitmeti, kui neile öeldakse, et nüüd langetab otsuse arvuti,” ütleb ta. “Aga me oleme juba jõudnud sinnamaale, et arvutid juhivad meie asemel lennukeid, nii et meil on üksjagu põhjust olla optimistlikud.”

NANOTEHNOLOOGIA
Valguse uus fookus

Kenneth Crozier ja Federico Capasso on loonud valgust koondavad optilised antennid, mis võivad anda meile sadu filme mahutavad DVDd.

Suure mahutavusega DVDsid, võimsamaid arvutiprotsessoreid ja kõrgema lahutusega optilisi mikroskoope luua püüdnud teadlased on aastaid põrganud “difraktsioonipiirile”.

Füüsikaseadused ütlevad, et valguskiiri suunavad läätsed ei saa koondada neid valguse lainepikkusest rohkem kui poole võrra väiksemale alale. Füüsikutel on õnnestunud difraktsioonipiiri küll laboritingimustes ületada, kuid vastavad süsteemid on seni olnud praktiliseks kasutamiseks liiga ebakindlad ja keerulised. Nüüd on Harvardi ülikooli elektrotehnikud Kenneth Crozier’ ja Federico Capasso juhtimisel leidnud lihtsa protsessi, mis tõotab lubada ülifokuseeritud valguse võimalused peagi kasutusele võtta ka kommertsrakendustes. Lisades tavalisele laserile nanomõõtmetes “optilised antennid”, koondasid Crozier ja Capasso infrapunavalguse kõigest 40nanomeetrise läbimõõduga punkti, mis moodustab vaid kahekümnendiku valguse lainepikkusest. Sedalaadi optiliste antennide olemasolu võib tulevikus võimaldada luua DVD-taolised andmekandjad, mis suudavad salvestada 3,6 terabaiti – sama andmekoguse jaoks läheks vaja üle 750 praeguse 4,7gigabaidise DVD.

Oma seadmes katsid Crozier ja Capasso esmalt laseri valgusava isolatsioonikihiga. Seejärel kullakihiga. Enamik kullast hööveldati maha, nii et moodustus kaks 130 korda 50 nanomeetrise küljepikkusega ristkülikut, mis paiknesid üksteisest 30 nanomeetri kaugusel. Need moodustavadki antenni. Kui laserist kiirguv valgus jõuab ristkülikuteni, tekitab antenn, kui kasutada Capasso terminit, “välguvarda efekti”: vahealal moodustub tugev elektriväli, mis koondab laserikiire ristkülikuid eraldava vahemiku mõõtmetega võrduvale alale.

“Antenn ei eelda mingeid piiranguid laseri ehitusele,” räägib Capasso: seda saab täiesti vabalt paigutada CD-seadmetes kasutatavatele laiatarbelaseritele. Töörühm on juba demonstreerinud antenne eri lainepikkusega laserite puhul. Teadlased on pidanud kõnelusi salvestusmooduleid tootvate firmadega Seagate ja Hitachi Global Storage Technologies.

Veel üks selliste antennide rakendusvaldkond võiks olla valgustrükk, räägib Stanfordi ülikooli elektroonika emeriitprofessor Gordon Kino. See on üldlevinud meetod, millega valmistatakse ränist mikrokiipe, kuid ränile aina väiksemaid mikroskeeme joonistavaid lasereid mõjutab samuti difraktsioonipiir. Elektronkiirega trükkimine, mille abil praegu valmistatakse kõige väiksemaid mikroskeeme, eeldab suuremõõtmelist aparaati, mis maksab miljoneid dollareid ja töötab liiga aeglaselt, et valmistada masstoodangut. “See siin on tuhat korda lihtsam,” ütleb Kino Crozier’ ja Capasso lahenduse kohta, mida saab kasutada ka 50 dollarit maksval laseril.

Enne kui antenne kasutada lasertrükis, tuleb elektroonikutel neid veelgi väiksemaks teha: antennide mõõtmed peavad igal konkreetsel juhul vastama koondatava valguse lainepikkusele. Crozier ja Capasso on oma katsetes kasutanud infrapunalasereid, valgustrükis aga on kasutusel väiksema lainepikkusega ultraviolettkiirgus. Mikroskeemide joonistamiseks kiipidele peavad teadlased valmistama antennid, mille pikkus ei ületa 50 nanomeetrit.
Crozier’ ja Capasso optilised antennid võivad avada murrangulisi ja ettenägematuid võimalusi alates ülitihedast optilisest andmesalvestusest ja lõpetades ülikõrglahutusega optiliste mikroskoopidega. Võimalus difraktsioonipiiri lihtsate ja odavate vahenditega ületada annab paljudele optilistele seadmetele hoopis uue “nägemise”.

BIOTEHNOLOOGIA
Uuringud üksiku raku tasemel

Norman Dovichi on veendunud, et üksikute rakkude vaheliste üliväikeste erinevuste kindlakstegemine parandab meditsiinilist diagnostikat ja ravi.

Me kõik teame, et rühma omadustele keskendudes võidakse jätta märkamata selle üksikosade erinevused. Kui aga jutt käib elusrakkudest, siis enamjaolt teevad teadlased nende käitumise, staatuse ja tervisliku seisundi kohta järeldusi tuhandetest või miljonitest koosnevate kollektiivide põhjal. Üksikute rakkude vaheliste erinevuste täpsem tundmaõppimine võib anda paremad võimalused vähi ja suhkruhaiguse raviks, ja mitte ainult seda.

Viimased aastakümned on andnud meie käsutusse meetodid, mis võimaldavad saada hämmastavalt üksikasjalikke kujutisi üksikutest rakkudest, mis kõik suudavad toota tuhandeid erinevaid valke, lipiide, hormoone ja metaboliite. Kuid enamik säärastest meetoditest kannatab olulise piirangu all: nad eeldavad nn afiinsusreagentide, nagu näiteks konkreetsetele valkudele kinnituvate antikehade kasutamist. Seetõttu saavad teadlased kasutada neid ainult selle uurimiseks, mille olemasolu on teada.

“Ootamatu on nähtamatu,” ütleb Seattle’is asuva Washingtoni ülikooli analüütiline keemik Norman Dovichi. Ja peaaegu kõik rakud on tuubil täis salapäraseid koostisosi. Sestap on Dovichi olnud üks eestvedajaid ülitundlike tehnoloogiate kasu tuselevõtul, mis võimaldavad rakke isoleerida ja tutvuda neis sisalduvate molekulidega, mille olemasolustki varem midagi ei teatud.

Dovichi labor – üks neist üksiku raku tasemel uuringutega tegelevatest teaduslaboritest, milliseid tekib pidevalt juurde – on olnud iseäranis edukas üksikute vähirakkude toodetavate kümnete eri valkude koguseliste erinevuste määramisel. “Kümme aastat tagasi ma poleks uskunud, et see on võimalik,” ütleb Michigani Ann Arbori ülikooli analüütiline keemik Robert Kennedy, kes analüüsib insuliini tootmist üksikutes rakkudes, et välja selgitada kõige levinuma diabeeditüübi põhjused.

Dovichil on välja pakkuda provokatiivne hüpotees: tema arvates hakkavad sama tüüpi rakud vähkkasvaja arenedes aina enam üksteisest valkude sisalduse poolest erinema. Kui see on nii, siis viitaksid rakkudevahelised suured erinevused suuremale haiguse tõenäosusele. Koostöös arstidega on Dovichi asunud sellest teooriast lähtuvalt välja töötama uudseid söögitoru- ja rinnavähi prognostikameetodeid. Edaspidi võivad arstid niisuguseid teste kasutades kiiresti valida vajaliku ravi, mis on äärmiselt oluline eeldus paljudest vähi vormidest jagusaamisele.

Kollane teemandikujuline märk Dovichi kabinetis hoiatab, et “laserifriik” on kohal. Dovichi osalusel töötati omal ajal välja laseripõhised DNA-sekveneerijad, millele toetus inimgenoomi kaardistamise rahvusvaheline projekt, ning tema praegused analüsaatorid kasutavad paljuski sama tehnoloogiat DNAst hoopis raskemini leitavate ainete – valkude, lipiidide ja süsivesikute otsimiseks üksikutest rakkudest.

Valkude leidmiseks töötlevad aparaadid üksikut rakku ülipeenes kapillaartorus vastavate reagentidega. Keemilise reaktsiooni tulemusena hakkab valkudes sagedasti esinev aminohape lüsiin helenduma. Elektrilaenguga aktiveeritud valgud väljuvad torust eri kiirusega, mis sõltub molekuli suurusest. Seejärel mõõdetakse laserdetektori abil nende helendustaset. Tulemuseks on tabel, millelt on näha rakus leiduvate eri suurusega valkude kogused.

Ehkki selline meetod näitab rakkudevahelisi erinevusi, ei saa selle abil kindlaks määrata konkreetseid valke. Samas on see analüsaator enneolematult tundlik ja lubab teadlastel märgata võimalikke kriitilisi erinevusi. “Vähiennetuse projekti puhul me ei peagi teadma, milliste komponentidega on tegu,” ütleb Dovichi.

Dovichi on ühtaegu vaimustatud ühe raku bioloogia võimalustest ja teadlik selle puudustest.

Esialgu nõuavad analüüsid tema sõnul liiga palju aega ja tööd. “Praegu me alles alustame,” ütleb ta. “Aga on lootust, et 10, 20 ja 30 aasta pärast tänasele tagasi vaadates öeldakse, et need olid põnevad esimesed sammud.”