ما هي روبوتات النانو؟ فهم هيكل Nanobot وتشغيله واستخداماته

مع تقدم التكنولوجيا ، لا تصبح الأشياء دائمًا أكبر وأفضل ، كما تصبح الأشياء أصغر. في الواقع ، تعد تقنية النانو واحدة من أسرع المجالات التكنولوجية نموًا ، حيث تبلغ قيمتها أكثر من 1 تريليون دولار أمريكي ، ومن المتوقع أن تنمو بنسبة 17٪ تقريبًا خلال نصف العقد القادم. الروبوتات الصغيرة تشكل جزءًا رئيسيًا من مجال تقنية النانو ، ولكن ما هي بالضبط وكيف تعمل؟ دعنا نلقي نظرة فاحصة على الروبوتات النانوية لفهم كيفية عمل هذه التكنولوجيا التحويلية ولماذا تُستخدم.

ما هي الروبوتات النانوية؟

يهتم مجال تقنية النانو بالبحث والتطوير في مجال التكنولوجيا التي تتراوح من واحد إلى 100 نانومتر. لذلك ، تركز nanorobotics على إنشاء روبوتات حول هذا الحجم. من الناحية العملية ، من الصعب هندسة أي شيء بحجم نانومتر واحد ، وكثيراً ما يتم استخدام مصطلح "nanorobotics" و "nanobot" تطبيقي للأجهزة التي يتراوح حجمها بين 0.1 و 10 ميكرومتر ، والتي لا تزال صغيرة جدًا.

من المهم أن نلاحظ أن مصطلح "nanorobot" يطبق أحيانًا على الأجهزة التي تتفاعل مع الكائنات على مقياس النانو ، وتتلاعب بالعناصر النانوية. لذلك ، حتى لو كان الجهاز نفسه أكبر من ذلك بكثير ، يمكن اعتباره أداة نانوروبوتيك. ستركز هذه المقالة على الروبوتات النانوية نفسها.

لا يزال الكثير من مجال الروبوتات النانوية والروبوتات النانوية في المرحلة النظرية ، حيث تركز الأبحاث على حل مشاكل البناء على هذا النطاق الصغير. ومع ذلك ، فقد تم تصميم واختبار بعض النماذج الأولية للآلات النانوية والمحركات النانوية.

تقع معظم أجهزة الروبوتات النانوية الموجودة حاليًا في واحدة من أربع فئات: المفاتيح والمحركات والمكوكات والسيارات.

تعمل المفاتيح الروبوتية النانوية من خلال مطالبتك بالتبديل من حالة "إيقاف التشغيل" إلى حالة "التشغيل". تُستخدم العوامل البيئية لتغيير شكل الماكينة ، وهي عملية تسمى التغيير التوافقي. يتم تغيير البيئة باستخدام عمليات مثل التفاعلات الكيميائية ، وضوء الأشعة فوق البنفسجية ، ودرجة الحرارة ، وتتحول مفاتيح الروبوتات النانوية إلى أشكال مختلفة نتيجة لذلك ، وتكون قادرة على إنجاز مهام محددة.

تعد المحركات النانوية أكثر تعقيدًا من المفاتيح البسيطة ، وهي تستخدم الطاقة الناتجة عن تأثيرات التغيير التوافقي من أجل التحرك والتأثير على الجزيئات في البيئة المحيطة.

المكوكات هي روبوتات نانوية قادرة على نقل المواد الكيميائية مثل الأدوية إلى مناطق محددة ومستهدفة. الهدف هو الجمع بين المكوكات ومحركات nanorobot بحيث تكون المكوكات قادرة على درجة أكبر من الحركة عبر البيئة.

تعد "السيارات" الروبوتية النانوية أكثر الأجهزة النانوية تقدمًا في الوقت الحالي ، وهي قادرة على التحرك بشكل مستقل مع توجيهات من المحفزات الكيميائية أو الكهرومغناطيسية. يجب التحكم في المحركات النانوية التي تقود سيارات الروبوتات النانوية من أجل توجيه السيارة ، ويقوم الباحثون بتجربة طرق مختلفة للتحكم في الروبوتات النانوية.

يهدف باحثو Nanorobotics إلى تجميع هذه المكونات والتقنيات المختلفة في آلات نانوية يمكنها إكمال المهام المعقدة ، والتي يتم إنجازها عن طريق أسراب من الروبوتات النانوية التي تعمل معًا.

الصورة: الصورة: "مقارنة أحجام المواد النانوية بأحجام المواد الشائعة الأخرى." Sureshup vai ويكيميديا ​​كومنز ، CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

كيف يتم إنشاء روبوتات النانو؟

يقع مجال الروبوتات النانوية على مفترق طرق للعديد من التخصصات ، ويتضمن إنشاء الروبوتات النانوية إنشاء أجهزة استشعار ومحركات ومحركات. يجب عمل النمذجة الفيزيائية أيضًا ، وكل هذا يجب أن يتم على نطاق نانوي. كما هو مذكور أعلاه ، تُستخدم أجهزة المعالجة النانوية لتجميع هذه الأجزاء على نطاق النانو ومعالجة المكونات الاصطناعية أو البيولوجية ، والتي تتضمن معالجة الخلايا والجزيئات.

يجب أن يكون مهندسو Nanorobotics قادرين على حل العديد من المشكلات. عليهم معالجة القضايا المتعلقة بالإحساس والتحكم في القوة والاتصالات والتفاعلات بين كل من المواد العضوية وغير العضوية.

حجم الروبوتات النانوية يمكن مقارنته تقريبًا بالخلايا البيولوجية ، وبسبب هذه الحقيقة يمكن استخدام الروبوتات النانوية المستقبلية في تخصصات مثل الطب والحفاظ / العلاج البيئي. معظم "الروبوتات النانوية" الموجودة اليوم هي مجرد جزيئات محددة تم التلاعب بها لإنجاز مهام معينة. 

الروبوتات النانوية المعقدة هي في الأساس مجرد جزيئات بسيطة مرتبطة ببعضها البعض ويتم التلاعب بها بعمليات كيميائية. على سبيل المثال ، بعض الروبوتات النانوية تتألف من الحمض النووي، وأنها نقل البضائع الجزيئية.

كيف تعمل Nanobots؟

بالنظر إلى الطبيعة النظرية التي لا تزال شديدة للروبوتات النانوية ، فإن الأسئلة المتعلقة بكيفية عمل الروبوتات النانوية يتم الرد عليها بالتنبؤات بدلاً من البيانات الواقعية. من المحتمل أن تكون الاستخدامات الرئيسية الأولى للروبوتات النانوية في المجال الطبي ، والتنقل عبر جسم الإنسان وإنجاز مهام مثل تشخيص الأمراض ، ومراقبة العناصر الحيوية ، وتوزيع العلاجات. ستحتاج هذه الروبوتات النانوية إلى أن تكون قادرة على التنقل في طريقها حول جسم الإنسان والتنقل عبر الأنسجة مثل الأوعية الدموية.

قائمة الإختيارات

فيما يتعلق بالملاحة في النانو ، هناك مجموعة متنوعة من التقنيات التي يبحث عنها باحثو ومهندسو نانوبوت. تتمثل إحدى طرق التنقل في استخدام إشارات الموجات فوق الصوتية للكشف والنشر. يمكن للروبوتات النانوية أن تصدر إشارات فوق صوتية يمكن تتبعها لتحديد موقع الروبوتات النانوية ، ويمكن بعد ذلك توجيه الروبوتات إلى مناطق محددة باستخدام أداة خاصة توجه حركتها. يمكن أيضًا استخدام أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لتتبع موضع الروبوتات النانوية ، و التجارب المبكرة مع التصوير بالرنين المغناطيسي أثبتت إمكانية استخدام هذه التقنية لاكتشاف الروبوتات النانوية وحتى المناورة بها. تشمل الطرق الأخرى للكشف عن الروبوتات النانوية ومناورتها استخدام الأشعة السينية والميكروويف والموجات الراديوية. في الوقت الحالي ، سيطرتنا على هذه الموجات على نطاق النانو محدودة إلى حد ما ، لذا يجب اختراع طرق جديدة لاستخدام هذه الموجات.

أنظمة الملاحة والكشف الموضحة أعلاه هي طرق خارجية تعتمد على استخدام الأدوات لتحريك الروبوتات النانوية. مع إضافة أجهزة استشعار على متن الطائرة ، يمكن أن تكون الروبوتات النانوية أكثر استقلالية. على سبيل المثال ، يمكن أن تسمح المستشعرات الكيميائية المضمنة في الروبوتات النانوية للروبوت بمسح البيئة المحيطة وتتبع علامات كيميائية معينة إلى منطقة مستهدفة.

الطاقة

عندما يتعلق الأمر بتشغيل الروبوتات النانوية ، فهناك أيضًا مجموعة متنوعة من حلول الطاقة التي يستكشفها الباحثون. تتضمن حلول تشغيل الروبوتات النانوية مصادر طاقة خارجية ومصادر طاقة داخلية / داخلية.

تشمل حلول الطاقة الداخلية المولدات والمكثفات. يمكن للمولدات الموجودة على متن الروبوت النانوي استخدام الإلكتروليتات الموجودة داخل الدم لإنتاج الطاقة ، أو يمكن تشغيل الروبوتات النانوية باستخدام الدم المحيط كمحفز كيميائي ينتج الطاقة عند دمجها مع مادة كيميائية يحملها النانوبوت معها. تعمل المكثفات بشكل مشابه للبطاريات ، حيث تخزن الطاقة الكهربائية التي يمكن استخدامها لدفع الروبوتات النانوية. حتى أنه تم النظر في خيارات أخرى مثل مصادر الطاقة النووية الصغيرة.

بقدر ما تذهب مصادر الطاقة الخارجية ، يمكن للأسلاك الرفيعة والصغيرة بشكل لا يصدق أن تربط الروبوتات النانوية بمصدر طاقة خارجي. يمكن صنع هذه الأسلاك من كبلات الألياف الضوئية المصغرة ، وإرسال نبضات من الضوء عبر الأسلاك وتوليد الكهرباء الفعلية داخل النانو روبوت.

تشمل حلول الطاقة الخارجية الأخرى المجالات المغناطيسية أو الإشارات فوق الصوتية. يمكن للروبوتات النانوية أن تستخدم شيئًا يسمى غشاء كهرضغطية ، وهو قادر على جمع الموجات فوق الصوتية وتحويلها إلى طاقة كهربائية. يمكن استخدام المجالات المغناطيسية لتحفيز التيارات الكهربائية داخل حلقة موصلة مغلقة موجودة على متن الروبوت النانوي. كمكافأة ، يمكن أيضًا استخدام المجال المغناطيسي للتحكم في اتجاه النانو.

تنقل

معالجة مشكلة حركة النانو يتطلب بعض الحلول المبتكرة. تحتاج الروبوتات النانوية غير المقيدة ، أو التي لا تطير بحرية في بيئتها ، إلى طريقة ما للانتقال إلى المواقع المستهدفة. يجب أن يكون نظام الدفع قويًا ومستقرًا ، وقادرًا على دفع الروبوتات النانوية ضد التيارات في البيئة المحيطة ، مثل تدفق الدم. غالبًا ما تكون حلول الدفع قيد البحث مستوحاة من العالم الطبيعي ، حيث يبحث الباحثون في كيفية تحرك الكائنات المجهرية عبر بيئتهم. على سبيل المثال ، غالبًا ما تستخدم الكائنات الحية الدقيقة ذيولًا طويلة تشبه السوط تسمى السوط لدفع نفسها ، أو تستخدم عددًا من الأطراف الصغيرة الشبيهة بالشعر والتي يطلق عليها اسم الأهداب.

يقوم الباحثون أيضًا بتجربة إعطاء الروبوتات صغيرة الزوائد الشبيهة بالذراع يمكن أن يسمح للإنسان الآلي بالسباحة والإمساك بالزحف. حاليًا ، يتم التحكم في هذه الزوائد عبر الحقول المغناطيسية خارج الجسم ، حيث تدفع القوة المغناطيسية ذراعي الروبوت إلى الاهتزاز. فائدة إضافية لطريقة الحركة هذه هي أن الطاقة الخاصة بها تأتي من مصدر خارجي. ستحتاج هذه التقنية إلى أن تكون أصغر حجمًا لجعلها قابلة للتطبيق للروبوتات النانوية الحقيقية.

هناك أيضًا استراتيجيات دفع أخرى أكثر إبداعًا قيد التحقيق. على سبيل المثال ، اقترح بعض الباحثين استخدام المكثفات لهندسة مضخة كهرومغناطيسية تسحب السوائل الموصلة للداخل وتطلقها للخارج مثل طائرةدفع النانو إلى الأمام.

بغض النظر عن التطبيق النهائي للروبوتات النانوية ، يجب عليهم حل المشكلات الموضحة أعلاه ، والتعامل مع التنقل والحركة والطاقة.

ما هي النانوبوتات المستخدمة؟

كما ذكرنا ، أول استخدامات للروبوتات النانوية من المحتمل أن يكون في المجال الطبي. يمكن استخدام روبوتات النانو لرصد الأضرار التي تلحق بالجسم ، وربما حتى تسهل إصلاح هذا الضرر. يمكن للروبوتات النانوية المستقبلية توصيل الدواء مباشرة إلى الخلايا التي تحتاجها. في الوقت الحالي ، يتم إعطاء الأدوية عن طريق الفم أو الوريد وتنتشر في جميع أنحاء الجسم بدلاً من إصابة المناطق المستهدفة فقط ، مما يتسبب في آثار جانبية. يمكن بسهولة استخدام الروبوتات النانوية المجهزة بأجهزة استشعار لمراقبة التغيرات في مناطق الخلايا ، والإبلاغ عن التغييرات عند أول علامة على التلف أو الخلل الوظيفي.

ما زلنا بعيدين عن هذه التطبيقات الافتراضية ، لكن التقدم يتم إحرازه طوال الوقت. كمثال ، في عام 2017 العلماء صنع روبوتات نانوية استهدفت الخلايا السرطانية وهاجمهم بحفر صغير فقتلهم. هذا العام ، قامت مجموعة من الباحثين من جامعة ITMO بتصميم روبوت نانوي مكون من شظايا الحمض النووي ، قادرة على تدمير خيوط الحمض النووي الريبي المسببة للأمراض. كما أن الروبوتات النانوية القائمة على الحمض النووي قادرة حاليًا على نقل البضائع الجزيئية ، فالروبوت النانوي مصنوع من ثلاثة أقسام مختلفة من الحمض النووي ، والمناورة "بساق" الحمض النووي وتحمل جزيئات معينة باستخدام "ذراع".

إلى جانب التطبيقات الطبية ، يتم إجراء الأبحاث فيما يتعلق باستخدام الروبوتات النانوية لأغراض التنظيف والمعالجة البيئية. يمكن استخدام روبوتات النانو لإزالة المعادن الثقيلة السامة و البلاستيك من المسطحات المائية. يمكن أن تحمل الروبوتات النانوية مركبات تجعل المواد السامة خاملة عند دمجها معًا ، أو يمكن استخدامها لتحلل النفايات البلاستيكية من خلال عمليات مماثلة. تُجرى الأبحاث أيضًا على استخدام الروبوتات النانوية لتسهيل إنتاج رقائق ومعالجات كمبيوتر صغيرة للغاية ، وذلك باستخدام الروبوتات النانوية بشكل أساسي لإنتاج دوائر كمبيوتر صغيرة الحجم.