Какво представляват наноботите? Разбиране на структурата, работата и употребата на нанобот

С напредването на технологиите нещата не винаги стават по-големи и по-добри, обектите също стават по-малки. Всъщност нанотехнологиите са една от най-бързо развиващите се технологични области, на стойност над 1 трилион щатски долара и се прогнозира да нарасне с приблизително 17% през следващото половин десетилетие. Наноботове са основна част от областта на нанотехнологиите, но какво точно представляват и как работят? Нека разгледаме по-отблизо наноботите, за да разберем как работи тази трансформираща технология и за какво се използва.

Какво представляват наноботите?

Областта на нанотехнологиите се занимава с изследване и развитие на технологии с мащаб приблизително от един до 100 нанометра. Следователно нанороботиката е фокусирана върху създаването на роботи, които са около този размер. На практика е трудно да се проектира нещо толкова малко от един нанометър в мащаб и терминът „нанороботика“ и „нанобот“ често се използва приложен към устройства с размер приблизително 0.1 – 10 микрометра, което все още е доста малко.

Важно е да се отбележи, че терминът „наноробот“ понякога се прилага за устройства, които взаимодействат с обекти в наномащаб, манипулирайки елементи в наномащаб. Следователно, дори ако самото устройство е много по-голямо, то може да се счита за нанороботичен инструмент. Тази статия ще се фокусира върху самите наномащабни роботи.

Голяма част от областта на нанороботиците и наноботите все още е в теоретична фаза, като изследванията са фокусирани върху решаването на проблемите на конструкцията в такъв малък мащаб. Някои прототипи на наномашини и наномотори обаче са проектирани и тествани.

Повечето съществуващи в момента нанороботизирани устройства попадат в една от четирите категории: ключове, мотори, совалки и коли.

Нанороботичните превключватели работят, като бъдат подканени да превключат от състояние „изключено“ към състояние „включено“. Факторите на околната среда се използват, за да накарат машината да промени формата си, процес, наречен конформационна промяна. Околната среда се променя с помощта на процеси като химични реакции, ултравиолетова светлина и температура и в резултат на това нанороботичните превключватели преминават в различни форми, способни да изпълняват специфични задачи.

Наномоторите са по-сложни от обикновените превключватели и използват енергията, създадена от ефектите на конформационната промяна, за да се движат наоколо и да повлияят на молекулите в околната среда.

Совалките са нанороботи, които са способни да транспортират химикали като лекарства до специфични целеви региони. Целта е да се комбинират совалки с нанороботни двигатели, така че совалките да са способни на по-голяма степен на движение в околната среда.

Нанороботичните „автомобили“ са най-модерните наноустройства в момента, способни да се движат независимо с подкани от химически или електромагнитни катализатори. Наномоторите, които задвижват нанороботичните автомобили, трябва да бъдат контролирани, за да може превозното средство да се управлява, и изследователите експериментират с различни методи за нанороботизирано управление.

Изследователите на нанороботи имат за цел да синтезират тези различни компоненти и технологии в наномашини, които могат да изпълняват сложни задачи, изпълнявани от рояци наноботи, работещи заедно.

Снимка: Снимка: ”Сравнение на размерите на наноматериалите с тези на други обичайни материали.” Sureshup или Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Как се създават наноботите?

Полето на нанороботиците е на кръстопътя на много дисциплини и създаването на наноботове включва създаването на сензори, задвижващи механизми и двигатели. Трябва да се направи и физическо моделиране и всичко това трябва да бъде направено в наноразмер. Както бе споменато по-горе, устройствата за наноманипулация се използват за сглобяване на тези наномащабни части и манипулиране на изкуствени или биологични компоненти, което включва манипулиране на клетки и молекули.

Инженерите по нанороботи трябва да могат да решават множество проблеми. Те трябва да се занимават с въпроси, свързани с усещането, контролната сила, комуникациите и взаимодействията между неорганични и органични материали.

Размерът на нанобота е приблизително сравним с биологичните клетки и поради този факт бъдещите наноботи могат да бъдат използвани в дисциплини като медицина и опазване/възстановяване на околната среда. Повечето „наноботи“, които съществуват днес, са просто специфични молекули, които са били манипулирани, за да изпълнят определени задачи. 

Сложните наноботи са по същество просто прости молекули, свързани заедно и манипулирани с химически процеси. Например, някои наноботове са съставен от ДНК, и те транспортиране на молекулярен товар.

Как работят наноботите?

Като се има предвид все още силно теоретичната природа на наноботите, на въпросите за това как работят наноботите се отговаря с прогнози, а не с твърдения за факти. Вероятно първите големи приложения на наноботите ще бъдат в областта на медицината, придвижвайки се през човешкото тяло и изпълнявайки задачи като диагностициране на заболявания, наблюдение на жизнените показатели и прилагане на лечение. Тези наноботи ще трябва да могат да се ориентират в човешкото тяло и да се движат през тъкани като кръвоносни съдове.

навигация

По отношение на навигацията на наноботите, има различни техники, които изследователите и инженерите на наноботите проучват. Един метод за навигация е използването на ултразвукови сигнали за откриване и разгръщане. Наноботът може да излъчва ултразвукови сигнали, които могат да бъдат проследени, за да се определи позицията на наноботите, а след това роботите могат да бъдат насочвани към определени зони с помощта на специален инструмент, който насочва тяхното движение. Устройствата за магнитен резонанс (MRI) също могат да се използват за проследяване на позицията на наноботите и ранни експерименти с ЯМР са демонстрирали, че технологията може да се използва за откриване и дори маневриране на наноботи. Други методи за откриване и маневриране на наноботите включват използването на рентгенови лъчи, микровълни и радиовълни. В момента нашият контрол върху тези вълни в наномащаб е доста ограничен, така че ще трябва да бъдат измислени нови методи за използване на тези вълни.

Системите за навигация и откриване, описани по-горе, са външни методи, разчитащи на използването на инструменти за придвижване на наноботите. С добавянето на вградени сензори, наноботите могат да бъдат по-автономни. Например, химическите сензори, включени на борда на наноботите, могат да позволят на робота да сканира заобикалящата среда и да следва определени химически маркери до целеви регион.

Захранване

Когато става въпрос за захранване на наноботите, също има различни енергийни решения, които се изследват от изследователи. Решенията за захранване на наноботите включват външни източници на захранване и бордови/вътрешни източници на захранване.

Решенията за вътрешно захранване включват генератори и кондензатори. Генераторите на борда на нанобота могат да използват електролитите, намиращи се в кръвта, за да произвеждат енергия, или наноботите дори могат да се захранват, използвайки заобикалящата ги кръв като химически катализатор, който произвежда енергия, когато се комбинира с химикал, който наноботът носи със себе си. Кондензаторите работят подобно на батериите, съхранявайки електрическа енергия, която може да се използва за задвижване на нанобота. Други варианти като малки източници на ядрена енергия дори са били обмисляни.

Що се отнася до външните източници на захранване, невероятно малки, тънки проводници биха могли да свържат наноботите към външен източник на захранване. Такива проводници могат да бъдат направени от миниатюрни оптични кабели, изпращащи светлинни импулси надолу по жиците и генериращи действителното електричество в рамките на нанобота.

Други решения за външно захранване включват магнитни полета или ултразвукови сигнали. Наноботите могат да използват нещо, наречено пиезоелектрична мембрана, която е способна да събира ултразвукови вълни и да ги трансформира в електрическа енергия. Магнитните полета могат да се използват за катализиране на електрически токове в затворена проводяща верига, съдържаща се на борда на нанобота. Като бонус, магнитното поле може да се използва и за контролиране на посоката на нанобота.

Придвижване

Справяне с проблема на придвижване на нанобот изисква някои изобретателни решения. Наноботите, които не са привързани или не просто се носят свободно в своята среда, трябва да имат някакъв метод за придвижване до целевите си местоположения. Системата за задвижване ще трябва да бъде мощна и стабилна, способна да задвижва нанобота срещу течения в околната среда, като потока на кръвта. Изследваните задвижващи решения често са вдъхновени от естествения свят, като изследователите гледат как микроскопичните организми се движат в околната среда. Например, микроорганизмите често използват дълги, подобни на камшик опашки, наречени камшичета, за да се задвижват, или използват редица малки, подобни на косми крайници, наречени реснички.

Изследователите също експериментират с придаването на роботите на малки размери рамоподобни придатъци което може да позволи на робота да плува, да се хваща и да пълзи. В момента тези придатъци се управляват чрез магнитни полета извън тялото, тъй като магнитната сила подтиква ръцете на робота да вибрират. Допълнителна полза от този метод на придвижване е, че енергията за него идва от външен източник. Тази технология ще трябва да бъде направена още по-малка, за да стане жизнеспособна за истински наноботове.

Има и други, по-изобретателни стратегии за задвижване, които също се изследват. Например, някои изследователи са предложили да се използват кондензатори, за да се създаде електромагнитна помпа, която да изтегля проводими течности и да ги изстрелва като струя, задвижвайки нанобота напред.

Независимо от евентуалното приложение на наноботите, те трябва да решат проблемите, описани по-горе, като се справят с навигацията, придвижването и мощността.

За какво се използват наноботите?

Както споменахме, първите употреби за наноботове вероятно ще бъде в медицинската област. Наноботите могат да се използват за наблюдение за увреждане на тялото и потенциално дори да улеснят възстановяването на това увреждане. Бъдещите наноботи могат да доставят лекарства директно до клетките, които се нуждаят от тях. Понастоящем лекарствата се доставят орално или интравенозно и се разпространяват в тялото, вместо да удрят само целевите области, причинявайки странични ефекти. Наноботите, оборудвани със сензори, могат лесно да се използват за наблюдение на промените в областите на клетките, като докладват промените при първите признаци на повреда или неизправност.

Все още сме много далеч от тези хипотетични приложения, но непрекъснато се отбелязва напредък. Като пример през 2017 г. учените създадоха наноботи, насочени към раковите клетки и ги нападнал с миниатюрна бормашина, като ги убил. Тази година група изследователи от университета ITMO проектира нанобот, съставен от ДНК фрагменти, способни да унищожават вериги на патогенна РНК. Наноботите, базирани на ДНК, понастоящем също са способни да транспортират молекулен товар. Наноботът е направен от три различни ДНК секции, маневриращи с ДНК „крак“ и пренасящи специфични молекули с помощта на „ръка“.

Извън медицинските приложения се правят изследвания относно използването на наноботове за целите на почистване и възстановяване на околната среда. Наноботите потенциално могат да бъдат използвани за премахване токсични тежки метали намлява пластмаси от водни тела. Наноботите могат да носят съединения, които правят токсичните вещества инертни, когато се комбинират заедно, или могат да се използват за разграждане на пластмасови отпадъци чрез подобни процеси. Извършват се и изследвания върху използването на наноботове за улесняване на производството на изключително малки компютърни чипове и процесори, като по същество се използват наноботове за производство на компютърни схеми в микромащаб.