Co jsou Nanoboti? Porozumění Strukturám Nanobotů, Provozu a Použití

Jak technologie postupuje, věci se nezvětšují a nezlepšují, ale naopak se zmenšují. Nanotechnologie je jedním z nejrychleji rostoucích technologických oborů, jehož hodnota přesahuje 1 bilion USD a očekává se, že poroste zhruba o 17 % během příštích pěti let. Nanoboti jsou významnou součástí nanotechnologie, ale co jsou to vlastně 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 technologií, jejichž rozměry se pohybují mezi 1 a 100 nanometry. Nanorobotika se proto zaměřuje na tvorbu robotů, jejichž velikost je přibližně stejná. V praxi je obtížné navrhnout něco tak malého, jako je jeden nanometr, a termíny “nanorobotika” a “nanobot” se často aplikují na zařízení, jejichž velikost se pohybuje mezi 0,1 a 10 mikrometry, což je stále poměrně malé.

Je důležité poznamenat, že termín “nanorobot” se někdy aplikuje na zařízení, která interagují s objekty na nanoměřítku, manipulují s nimi. Proto, i když je zařízení samo o sobě mnohem větší, může být považováno za nanorobotické zařízení. Tento článek se bude zabývat samotnými nanoroboty.

Velká část oboru nanorobotiky a nanobotů je stále v teoretické fázi, s výzkumem zaměřeným na řešení problémů spojených s konstrukcí na tak malé škále. Nicméně, některé prototypy nanostrojů a nanomotorů byly navrženy a otestovány.

Většina současných nanorobotických zařízení spadá do jedné ze čtyř kategorií: spínače, motory, vozíky a vozy.

Nanorobotické spínače fungují tak, že jsou aktivovány ze “vypnutého” stavu do “zapnutého” stavu. Prostředí je změněno pomocí procesů, jako jsou chemické reakce, UV světlo a teplota, a nanorobotické spínače mění tvar, což umožňuje provádět specifické úkoly.

Nanomotory jsou složitější než jednoduché spínače a využívají energii vytvořenou účinkem změny tvaru k pohybu a ovlivňování molekul v okolním prostředí.

Vozíky jsou nanoroboty, které jsou schopny transportovat chemikálie, jako jsou léky, do specifických, cílených oblastí. Cílem je spojit vozíky s nanorobotickými motory, aby vozíky mohly pohybovat v prostředí.

Nanorobotické “vozy” jsou nejpokročilejší nanodevice v současné době, schopné pohybovat se nezávisle s podněty z chemických nebo elektromagnetických katalyzátorů. Nanomotory, které pohání nanorobotické vozy, potřebují být řízeny, aby vozidlo mohlo být nasměrováno, a výzkumníci experimentují s různými metodami nanorobotického řízení.

Výzkumníci v oboru nanorobotiky se snaží syntetizovat tyto různé komponenty a technologie do nanostrojů, které mohou provádět komplexní úkoly, dosažené pomocí hejn nanobotů, které spolupracují.

Foto: “Srovnání velikostí nanomateriálů s jinými běžnými materiály.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Jak jsou Nanoboti Vytvořeny?

Obor nanorobotiky stojí na křižovatce mnoha disciplín a tvorba nanobotů zahrnuje tvorbu senzorů, akčních členů a motorů. Fyzikální modelování musí být provedeno, a vše musí být provedeno na nanoměřítku. Jak je uvedeno výše, nanomanipulační zařízení se používají k sestavení těchto nano-částic a manipulaci s umělými nebo biologickými komponenty, včetně manipulace s buňkami a molekulami.

Inženýři nanorobotiky musí být schopni řešit řadu problémů. Musí řešit otázky týkající se vnímání, řízení, komunikace a interakce mezi anorganickými a organickými materiály.

Velikost nanobotu je přibližně srovnatelná s biologickými buňkami, a kvůli této skutečnosti by budoucí nanoboti mohli být využiti v oborech, jako je medicína a ochrana životního prostředí. Většina “nanobotů”, které existují dnes, jsou jen specifické molekuly, které byly upraveny pro provádění určitých úkolů.

Komplexní nanoboti jsou vlastně jen jednoduché molekuly spojené a upravené chemickými procesy. Například, některé nanoboti se skládají z DNA, a transportují molekulární náklad.

Jak Nanoboti Fungují?

Vzhledem k stále teoretické povaze nanobotů, otázky týkající se jejich fungování jsou zodpovězeny předpověďmi spíše než skutečnostmi. Je pravděpodobné, že první hlavní použití nanobotů bude v medicíně, pohybující se v lidském těle a provádějící úkoly, jako je diagnostika onemocnění, monitorování vitálních funkcí a podávání léčiv. Tyto nanoboti budou muset být schopny navigovat v lidském těle a pohybovat se v tkáních, jako jsou krevní cévy.

Navigace

Co se týče navigace nanobotů, existuje řada technik, které výzkumníci a inženýři zkoumají. Jednou z metod navigace je využití ultrazvukových signálů pro detekci a nasazení. Nanobot by mohl emitovat ultrazvukové signály, které by mohly být stopovány, aby se určila poloha nanobotů, a poté by mohly být nanoboty nasměrovány do specifických oblastí pomocí speciálního nástroje, který řídí jejich pohyb. Zařízení pro magnetickou rezonanci (MRI) by mohla být také použita k stopování polohy nanobotů, a rané experimenty s MRI prokázaly, že technologie může být použita k detekci a dokonce i manévrování nanobotů. Další metody detekce a manévrování nanobotů zahrnují použití rentgenových paprsků, mikrovln a radiových vln. V současné době je naše kontrola těchto vln na nanoměřítku poměrně omezená, a proto by musely být vynalezeny nové metody jejich využití.

Navigační a detekční systémy popsány výše jsou externí metody, které spoléhají na použití nástrojů k pohybu nanobotů. S přidáním senzorů na palubě by nanoboty mohly být více autonomní. Například, chemické senzory na palubě nanobotů by mohly umožnit robotu skenovat okolní prostředí a následovat bestimmé chemické značky do cílové oblasti.

Pohon

Co se týče pohonu nanobotů, existuje řada možností, které výzkumníci zkoumají. Řešení pro pohon nanobotů zahrnují externí zdroje energie a interní/zábavné zdroje energie.

Interní zdroje energie zahrnují generátory a kondenzátory. Generátory na palubě nanobotu by mohly využít elektrolyty nalezené v krvi k produkci energie, nebo nanoboti by mohly být poháněny pomocí okolního krve jako chemického katalyzátoru, který produkuje energii, když je kombinován s chemikálií, kterou nanobot nese. Kondenzátory fungují podobně jako baterie, ukládají elektrickou energii, která by mohla být použita k pohonu nanobotu. Další možnosti, jako jsou miniaturní jaderné zdroje energie, byly také zvažovány.

Co se týče externích zdrojů energie, velmi tenké dráty by mohly spojit nanobot s externím zdrojem energie. Tyto dráty by mohly být vyrobeny z miniaturizovaných optických kabelů, které by posílaly pulzy světla a měly by skutečnou energii generovanou uvnitř nanobotu.

Další externí zdroje energie zahrnují magnetické pole nebo ultrazvukové signály. Nanoboti by mohly využívat něco, co se nazývá piezoelektrická membrána, která je schopna shromažďovat ultrazvukové vlny a přeměňovat je na elektrickou energii. Magnetická pole by mohla být použita k vyvolání elektrických proudů uvnitř uzavřené vodivé smyčky umístěné na palubě nanobotu. Jako bonus by magnetické pole mohlo být také použito k řízení směru nanobotu.

Pohyb

Řešení problému pohybu nanobotů vyžaduje einige vynalézavá řešení. Nanoboti, kteří nejsou spojeni s externím zdrojem energie, nebo nejsou pouze volně plovoucí ve svém prostředí, potřebují mít nějaký způsob pohybu do cílových lokalit. Pohonný systém by musel být dostatečně silný a stabilní, aby mohl pohánět nanobot proti proudům v okolním prostředí, jako je tok krve. Pohonná řešení, která jsou zkoumána, jsou často inspirována přírodním světem, kdy výzkumníci zkoumají, jak mikroskopické organismy se pohybují ve svém prostředí. Například, mikroorganismy často používají dlouhé, bičovité ocasy zvané flagely k pohybu, nebo používají řadu malých, vlasovitých končetin zvaných cilia.

Výzkumníci také experimentují s tím, aby dali robotům malé končetiny, které by mohly umožnit robotovi plavat, uchytit se a plazit se. V současné době jsou tyto končetiny řízeny pomocí magnetických polí vně těla, kdy magnetická síla vyvolává vibrace robotových končetin. Přidanou výhodou této metody pohybu je, že energie pro ni pochází z externího zdroje. Tato technologie by musela být ještě zmenšena, aby byla vhodná pro skutečné nanoboty.

Existují i další, více vynalézavá, pohonná strategie, které jsou zkoumány. Například, někteří výzkumníci navrhli použití kondenzátorů k vytvoření elektromagnetického čerpadla, které by nasálo vodivé kapaliny a vymrštilo je jako tryskový motor, pohánějící nanobot dopředu.

Bez ohledu na budoucí použití nanobotů, musí řešit problémy popsány výše, zvládání navigace, pohybu a pohonu.

Pro co jsou Nanoboti Používány?

Jak je uvedeno výše, první použití nanobotů se pravděpodobně bude vyskytovat v medicíně. Nanoboti by mohli být použiti k monitorování poškození těla a potenciálně i k opravě tohoto poškození. Budoucí nanoboti by mohli dodávat léky přímo do buněk, které je potřebují. V současné době jsou léky dodávány ústy nebo intravenózně a šíří se po celém těle, místo aby zasáhly pouze cílové oblasti, způsobujíce vedlejší účinky. Nanoboti vybavené senzory by mohly být snadno použity k monitorování změn v oblastech buněk, hlásících změny při prvním znamení poškození nebo poruchy.

Jsme stále daleko od těchto hypotetických aplikací, ale pokrok je dělán neustále. Například, v roce 2017 vědci vytvořili nanoboty, které cíleně napadaly rakovinné buňky a zabíjely je pomocí miniaturizované vrtačky. Letos, skupina výzkumníků z ITMO University navrhla nanobot složený z fragmentů DNA, schopný zničit patogenní RNA řetězce. Nanoboti založené na DNA jsou také schopny transportovat molekulární náklad, Nanobot se skládá ze tří různých částí DNA, manévrující s “nohou” DNA a nesoucí specifické molekuly pomocí “ramene”.

Mimo medicínské aplikace, výzkum je prováděn týkající se použití nanobotů pro účely ochrany životního prostředí a sanace. Nanoboti by mohli být potenciálně použiti k odstranění toxických těžkých kovů a plastů z vodních toků. Nanoboti by mohli nést sloučeniny, které by renderovaly toxické látky neaktivními, když by se kombinovaly, nebo by mohly být použity k degradaci plastového odpadu pomocí podobných procesů. Výzkum je také prováděn na použití nanobotů k usnadnění výroby extrémně malých počítačových čipů a procesorů, prakticky pomocí nanobotů k výrobě mikroskopických počítačových obvodů.