Co jsou nanoboti? Pochopení struktury, provozu a použití nanobotů

Jak technologie postupuje, věci se nestávají vždy většími a lepšími, objekty se také zmenšují. Nanotechnologie je ve skutečnosti jedním z nejrychleji rostoucích technologických oborů v hodnotě přes 1 bilion USD a předpokládá se, že během příštího půl desetiletí poroste přibližně o 17 %. Nanoboti jsou hlavní součástí oblasti nanotechnologií, ale co přesně jsou a jak fungují? Podívejme se blíže na nanoboty, abychom pochopili, jak tato transformační technologie funguje a k čemu se používá.

Co jsou nanoboti?

Obor nanotechnologie se zabývá výzkumem a vývojem technologie v měřítku přibližně jeden až 100 nanometrů. Proto se nanorobotika zaměřuje na vytváření robotů, kteří jsou přibližně této velikosti. V praxi je obtížné zkonstruovat něco tak malého jako jeden nanometr v měřítku a termíny „nanorobotika“ a „nanobot“ se často používají. aplikovaný na zařízení o velikosti přibližně 0.1 – 10 mikrometrů, což je stále poměrně málo.

Je důležité poznamenat, že termín „nanorobot“ se někdy používá pro zařízení, která interagují s objekty v nanoměřítku a manipulují s předměty v nanoměřítku. Proto, i když je samotné zařízení mnohem větší, může být považováno za nanorobotický nástroj. Tento článek se zaměří na samotné nanoroboty.

Velká část oblasti nanorobotiky a nanobotů je stále v teoretické fázi s výzkumem zaměřeným na řešení problémů stavebnictví v tak malém měřítku. Některé prototypy nanostrojů a nanomotorů však byly navrženy a testovány.

Většina v současnosti existujících nanorobotických zařízení spadá do jednu ze čtyř kategorií: spínače, motory, raketoplány a auta.

Nanorobotické spínače fungují tak, že jsou vyzvány k přepnutí ze stavu „vypnuto“ do stavu „zapnuto“. Faktory prostředí se používají k tomu, aby stroj změnil tvar, což je proces nazývaný konformační změna. Prostředí se mění pomocí procesů, jako jsou chemické reakce, UV světlo a teplota, a nanorobotické spínače se v důsledku toho mění do různých forem, které jsou schopny plnit specifické úkoly.

Nanomotory jsou složitější než jednoduché spínače a využívají energii vytvořenou účinky konformační změny, aby se pohybovaly a ovlivňovaly molekuly v okolním prostředí.

Raketoplány jsou nanoroboti, kteří jsou schopni přepravovat chemikálie, jako jsou drogy, do konkrétních, cílených oblastí. Cílem je zkombinovat raketoplány s motory nanorobotů tak, aby byly raketoplány schopny větší míry pohybu prostředím.

Nanorobotická „auta“ jsou v současnosti nejpokročilejšími nanozařízeními, která se mohou nezávisle pohybovat na základě pokynů chemických nebo elektromagnetických katalyzátorů. Nanomotory, které pohánějí nanorobotická auta, je třeba ovládat, aby bylo možné vozidlo řídit, a výzkumníci experimentují s různými metodami nanorobotické kontroly.

Cílem výzkumníků v oblasti nanorobotiky je syntetizovat tyto různé komponenty a technologie do nanostrojů, které dokážou dokončit složité úkoly, prováděné hejny nanobotů spolupracujících společně.

Foto: Foto: "Porovnání velikostí nanomateriálů s velikostí jiných běžných materiálů." Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Jak vznikají nanoboti?

Oblast nanorobotiky je na křižovatce mnoha oborů a tvorba nanobotů zahrnuje vytvoření senzorů, aktuátorů a motorů. Fyzické modelování musí být provedeno také, a to vše musí být provedeno v nanoměřítku. Jak bylo uvedeno výše, nanomanipulační zařízení se používají k sestavení těchto částí v nanoměřítku a manipulaci s umělými nebo biologickými součástmi, což zahrnuje manipulaci s buňkami a molekulami.

Inženýři zabývající se nanorobotikou musí být schopni vyřešit řadu problémů. Musí řešit problémy týkající se pocitů, kontrolní síly, komunikace a interakcí mezi anorganickými i organickými materiály.

Velikost nanobota je zhruba srovnatelná s biologickými buňkami a díky této skutečnosti by budoucí nanoboti mohli být využíváni v oborech, jako je medicína a ochrana/remediace životního prostředí. Většina „nanobotů“, kteří dnes existují, jsou pouze specifické molekuly, které byly zmanipulovány, aby splnily určité úkoly. 

Komplexní nanoboti jsou v podstatě jen jednoduché molekuly spojené dohromady a manipulované chemickými procesy. Například někteří nanoboti jsou složený z DNA, a oni transport molekulárního nákladu.

Jak fungují nanoboti?

Vzhledem k stále silně teoretické povaze nanobotů jsou otázky o tom, jak nanoboti fungují, zodpovězeny spíše předpovědí než konstatováním faktů. Je pravděpodobné, že první hlavní využití nanobotů bude v lékařské oblasti, pohybující se lidským tělem a plnění úkolů, jako je diagnostika nemocí, monitorování vitálních funkcí a podávání léčby. Tito nanoboti budou muset být schopni navigovat po lidském těle a pohybovat se tkáněmi, jako jsou krevní cévy.

Navigace

Pokud jde o navigaci nanobotů, existuje celá řada technik, které výzkumníci a inženýři nanobotů zkoumají. Jednou z metod navigace je využití ultrazvukových signálů pro detekci a rozmístění. Nanobot by mohl vysílat ultrazvukové signály, které by bylo možné vysledovat k lokalizaci polohy nanobotů, a roboti by pak mohli být naváděni do konkrétních oblastí pomocí speciálního nástroje, který řídí jejich pohyb. Zařízení pro zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) lze také použít ke sledování polohy nanobotů a rané experimenty s MRI prokázali, že tuto technologii lze použít k detekci a dokonce k manévrování nanobotů. Mezi další metody detekce a manévrování nanobotů patří použití rentgenového záření, mikrovln a rádiových vln. V současné době je naše kontrola těchto vln v nanoměřítku poměrně omezená, takže by bylo nutné vynalézt nové metody využití těchto vln.

Navigační a detekční systémy popsané výše jsou externí metody, které se spoléhají na použití nástrojů k pohybu nanobotů. S přidáním palubních senzorů by nanoboti mohli být autonomnější. Například chemické senzory zahrnuté na palubě nanobotů by mohly robotovi umožnit skenovat okolní prostředí a sledovat určité chemické značky do cílové oblasti.

Výkon

Pokud jde o napájení nanobotů, existuje také celá řada energetická řešení zkoumaná výzkumníky. Řešení pro napájení nanobotů zahrnují externí zdroje napájení a integrované/vnitřní zdroje napájení.

Řešení interního napájení zahrnují generátory a kondenzátory. Generátory na palubě nanobota by mohly využívat elektrolyty nalezené v krvi k výrobě energie, nebo by nanoboti mohli být dokonce poháněni pomocí okolní krve jako chemického katalyzátoru, který produkuje energii v kombinaci s chemickou látkou, kterou s sebou nanobot nese. Kondenzátory fungují podobně jako baterie a ukládají elektrickou energii, která by mohla být použita k pohonu nanobota. Dokonce byly zvažovány další možnosti, jako jsou malé jaderné zdroje.

Pokud jde o externí zdroje energie, neuvěřitelně malé tenké dráty by mohly připoutat nanoboty k vnějšímu zdroji energie. Takové dráty by mohly být vyrobeny z miniaturních optických kabelů, které by po drátech posílaly pulsy světla a nechaly generovat skutečnou elektřinu v nanobotu.

Mezi další řešení externího napájení patří magnetická pole nebo ultrazvukové signály. Nanoboti by mohli využívat něco, čemu se říká piezoelektrická membrána, která je schopná sbírat ultrazvukové vlny a přeměňovat je na elektrickou energii. Magnetická pole lze použít ke katalýze elektrických proudů v uzavřené vodivé smyčce obsažené na palubě nanobota. Jako bonus bylo možné magnetické pole použít také k ovládání směru nanobota.

Pohyb

Řešení problému lokomoce nanobotů vyžaduje některá vynalézavá řešení. Nanoboti, kteří nejsou připoutaní nebo se jen volně pohybují ve svém prostředí, potřebují mít nějaký způsob, jak se přesunout do svých cílových míst. Pohonný systém bude muset být výkonný a stabilní, schopný pohánět nanobota proti proudům v okolním prostředí, jako je proudění krve. Zkoumaná řešení pohonu jsou často inspirována přírodním světem, přičemž výzkumníci sledují, jak se mikroskopické organismy pohybují v jejich prostředí. Mikroorganismy například často používají dlouhé bičíkovité ocasy zvané bičíky, aby se poháněly, nebo používají řadu drobných, vlasům podobných končetin nazývaných řasinky.

Výzkumníci také experimentují s tím, aby roboti měli malé rozměry paží podobné přívěsky které by robotovi umožnily plavat, držet se a plazit se. V současné době jsou tyto přívěsky ovládány pomocí magnetických polí mimo tělo, protože magnetická síla přiměje paže robota k vibracím. Další výhodou tohoto způsobu pohybu je, že energie pro něj pochází z vnějšího zdroje. Tato technologie by musela být ještě menší, aby byla životaschopná pro skutečné nanoboty.

Zkoumány jsou i jiné, vynalézavější, strategie pohonu. Někteří výzkumníci například navrhli použít kondenzátory ke konstrukci elektromagnetického čerpadla, které by natahovalo vodivé tekutiny dovnitř a vystřelovalo je ven. jako tryskáč, pohánějící nanobota dopředu.

Bez ohledu na případnou aplikaci nanobotů musí vyřešit výše popsané problémy, manipulace s navigací, lokomocí a napájením.

K čemu se nanoboti používají?

Jak již bylo zmíněno, první použití pro nanoboty bude pravděpodobně v lékařské oblasti. Nanoboty by mohly být použity k monitorování poškození těla a potenciálně dokonce usnadnit opravu tohoto poškození. Budoucí nanoboti by mohli dodávat léky přímo do buněk, které je potřebují. V současné době jsou léky podávány perorálně nebo intravenózně a šíří se po celém těle, místo aby zasáhly pouze cílové oblasti, což způsobovalo vedlejší účinky. Nanoboty vybavené senzory by mohly být snadno použity k monitorování změn v oblastech buněk a hlásily změny při prvních známkách poškození nebo poruchy.

K těmto hypotetickým aplikacím jsme ještě hodně daleko, ale neustále dochází k pokroku. Jako příklad v roce 2017 vědci vytvořili nanoboty, kteří se zaměřovali na rakovinné buňky a zaútočil na ně miniaturizovaným vrtákem a zabil je. Skupina výzkumníků z ITMO University letos navrhla nanobota složeného z fragmentů DNA, schopného ničit patogenní vlákna RNA. Nanoboti na bázi DNA jsou v současné době také schopni přepravovat molekulární náklad. Nanobot se skládá ze tří různých částí DNA, manévruje pomocí „nohy“ DNA a nese specifické molekuly pomocí „paže“.

Kromě lékařských aplikací se provádí výzkum týkající se použití nanobotů pro účely čištění a sanace životního prostředí. K odstranění by potenciálně mohli být využiti nanoboti toxické těžké kovy si plasty z vodních ploch. Nanoboti by mohli nést sloučeniny, které činí toxické látky inertními, když se spojí dohromady, nebo by mohly být použity k degradaci plastového odpadu podobnými procesy. Probíhá také výzkum využití nanobotů k usnadnění výroby extrémně malých počítačových čipů a procesorů, v podstatě využívajících nanoboty k výrobě mikropočítačových obvodů.