Hvad er Nanobots? Forståelse af Nanobot-Struktur, Operation og Anvendelse

Da teknologien udvikler sig, bliver tingene ikke altid større og bedre, men også mindre. Faktisk er nanoteknologi et af de hurtigst voksende teknologiske områder, der er værd over 1 billion USD, og det forventes at vokse med omkring 17% over de næste fem år. Nanobots er en stor del af nanoteknologiens felt, men hvad er de nøjagtig, og hvordan fungerer de? Lad os tage en nærmere kig på nanobots for at forstå, hvordan denne transformative teknologi fungerer og hvad den bruges til.

Hvad er Nanobots?

Feltet nanoteknologi beskæftiger sig med forskning og udvikling af teknologi, der er omkring en til 100 nanometer i størrelse. Derfor er nanorobotik fokuseret på skabelsen af robotter, der er omkring denne størrelse. I praksis er det svært at konstruere noget så lille som en nanometer, og begreberne “nanorobotik” og “nanobot” anvendes ofte på enheder, der er omkring 0,1-10 mikrometer i størrelse, hvilket stadig er ret små.

Det er vigtigt at bemærke, at begrebet “nanorobot” nogen gange anvendes på enheder, der interagerer med objekter på nanoskala, der manipulerer nanoskala-objekter. Derfor kan en enhed, der selv er større, stadig være betragtet som en nanorobotisk instrument. Denne artikel vil fokusere på nanoskala-robotter selv.

Meget af feltet nanorobotik og nanobots er stadig i den teoretiske fase, med forskning fokuseret på at løse problemerne ved konstruktion på så lille en skala. Men nogle prototype-nanomaskiner og nanomotorer er blevet designet og testet.

De fleste eksisterende nanorobotiske enheder falder i en af fire kategorier: switch, motorer, shuttle og biler.

Nanorobotiske switch fungerer ved at skifte fra en “af”-tilstand til en “på”-tilstand. Miljøfaktorer anvendes til at ændre maskinens form, en proces kaldet konformationsændring. Miljøet ændres ved hjælp af processer som kemiske reaktioner, UV-lys og temperatur, og nanorobotiske switch skifter til forskellige former som resultat, i stand til at udføre bestemte opgaver.

Nanomotorer er mere komplekse end simple switch, og de anvender den energi, der skabes af konformationsændringens effekter, til at bevæge sig og påvirke molekylerne i den omgivende miljø.

Shuttle er nanorobotter, der er i stand til at transportere kemikalier som lægemidler til bestemte, målrettede områder. Målet er at kombinere shuttle med nanorobot-motorer, så shuttle kan bevæge sig mere frit gennem en miljø.

Nanorobotiske “biler” er de mest avancerede nanodevices i øjeblikket, i stand til at bevæge sig uafhængigt med prompts fra kemiske eller elektromagnetiske katalysatorer. Nanomotorerne, der driver nanorobotiske biler, skal kontrolleres for at køretøjet kan styres, og forskere eksperimenterer med forskellige metoder til nanorobotisk kontrol.

Nanorobotik-forskere sigter mod at syntetisere disse forskellige komponenter og teknologier til nanomaskiner, der kan udføre komplekse opgaver, udført af sværme af nanobots, der arbejder sammen.

Foto: “Sammenligning af nanomaterialers størrelse med andre almindelige materialer.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hvordan skabes Nanobots?

Feltet nanorobotik er ved skæringen af mange discipliner, og skabelsen af nanobots indebærer skabelsen af sensorer, aktuatorer og motorer. Fysisk modellering skal også udføres, og alt dette skal gøres på nanoskala. Som nævnt ovenfor anvendes nanomanipulationsenheder til at samle disse nano-skala-dele og manipulere kunstige eller biologiske komponenter, herunder manipulation af celler og molekyler.

Nanorobotik-ingeniører skal kunne løse en mængde problemer. De skal adresse spørgsmål om sansning, kontrol, kommunikation og interaktion mellem både uorganiske og organiske materialer.

Størrelsen af en nanobot er omtrent sammenlignelig med biologiske celler, og på grund af denne faktum kan fremtidige nanobots muligvis anvendes i fag som medicin og miljøbeskyttelse/genoprettelse. De fleste “nanobots”, der eksisterer i dag, er blot bestemte molekyler, der er manipuleret til at udføre bestemte opgaver.

Komplekse nanobots er essentielt blot simple molekyler forbundet og manipuleret med kemiske processer. For eksempel består nogle nanobots af DNA, og de transporterer molekylært gods.

Hvordan fungerer Nanobots?

Givet den stadig meget teoretiske natur af nanobots, besvares spørgsmål om, hvordan nanobots fungerer, med forudsigelser snarere end faktiske udsagn. Det er sandsynligt, at de første store anvendelser af nanobots vil være i det medicinske felt, hvor de bevæger sig gennem den menneskelige krop og udfører opgaver som diagnosticering af sygdomme, overvågning af vitale funktioner og udlevering af behandlinger. Disse nanobots skal kunne navigere gennem den menneskelige krop og bevæge sig gennem væv som blodkar.

Navigering

I forhold til nanobot-navigering er der en række teknikker, som nanobot-forskere og -ingeniører undersøger. En metode til navigering er anvendelsen af ultralydssignaler til detektion og udsendelse. En nanobot kunne udsende ultralydssignaler, der kunne spores for at lokalisere nanobotens position, og robotterne kunne derefter guidere til bestemte områder med hjælp af et særligt værktøj, der dirigerer deres bevægelse. Magnetresonans-billede (MRI)-enheder kunne også anvendes til at spore nanobotens position, og tidlige eksperimenter med MRI’er har demonstreret, at teknologien kan anvendes til at detektere og endda manøvrere nanobots. Andre metoder til detektion og manøvrering af nanobots inkluderer anvendelsen af røntgenstråler, mikrobølger og radiobølger. I øjeblikket er vores kontrol over disse bølger på nanoskala ret begrænset, så nye metoder til at anvende disse bølger skal opfindes.

Navigations- og detektionssystemerne ovenfor er eksterne metoder, der afhænger af anvendelsen af værktøjer til at flytte nanobots. Med tilføjelsen af onboard-sensorer kunne nanobots være mere autonome. For eksempel kunne kemiske sensorer på nanobots tillade robotterne at scanne den omgivende miljø og følge bestemte kemiske markører til et målområde.

Kraft

Når det kommer til at give kraft til nanobots, er der også en række kraftløsninger, der undersøges af forskere. Kraftløsninger til nanobots inkluderer eksterne kraftkilder og interne/kraftkilder på nanobotens område.

Interne kraftløsninger inkluderer generatore og kondensatorer. Generatore på nanobotens område kunne anvende elektrolytterne i blodet til at producere energi eller nanobots kunne endda være drevet ved hjælp af den omgivende blod som en kemisk katalysator, der producerer energi, når den kombineres med en kemisk substans, som nanoboten medfører. Kondensatorer fungerer på samme måde som batterier og lagrer elektrisk energi, der kan anvendes til at fremme nanoboten. Andre muligheder som meget små kernekraftkilder er endda blevet overvejet.

I forhold til eksterne kraftkilder kan utrolig små, tynde ledninger anvendes til at tilkoble nanobots til en ydre kraftkilde. Sådanne ledninger kunne være lavet af miniature fiber-optiske kabler, der sender pulser af lys ned gennem ledningerne, og den faktiske elektricitet genereres indenfor nanoboten.

Andre eksterne kraftløsninger inkluderer magnetfelter eller ultralydssignaler. Nanobots kunne anvende noget, der kaldes en piezoelektrisk membran, der er i stand til at indsamle ultralydssignaler og omdanne dem til elektrisk kraft. Magnetfelter kan anvendes til at katalysere elektriske strømme indenfor en lukket ledning på nanobotens område. Som en bonus kan magnetfeltet også anvendes til at kontrollere nanobotens retning.

Bevægelse

At løse problemet med nanobot-bevægelse kræver nogle opfindsomme løsninger. Nanobots, der ikke er tilkoblet eller ikke bare flyder frit i deres miljø, har brug for en metode til at bevæge sig til deres mållokationer. Fremdriftssystemet skal være kraftfuldt og stabilt og i stand til at fremme nanoboten mod strømme i den omgivende miljø, som blodstrømmen. Fremdriftsløsninger under undersøgelse er ofte inspireret af den naturlige verden, hvor forskere ser på, hvordan mikroskopiske organismer bevæger sig gennem deres miljø. For eksempel anvender mikroorganismer ofte lange, piskelignende hale, kaldet flageller, til at fremme sig selv eller anvender en række små, hår-lignende lemmer kaldet cilia.

Forskere eksperimenterer også med at give robotter små arm-lignende udhæng, der kunne tillade robotterne at svømme, gribe og kravle. I øjeblikket styres disse udhæng via magnetfelter uden for kroppen, da magnetkraften får robotternes arme til at vibrere. En tilføjet fordel ved denne metode til bevægelse er, at energien kommer fra en ydre kilde. Denne teknologi skal dog gøres endnu mindre for at gøre den anvendelig for rigtige nanobots.

Der er andre, mere opfindsomme, fremdriftsstrategier under undersøgelse. For eksempel har nogle forskere foreslået at anvende kondensatorer til at konstruere en elektromagnetisk pumpe, der kunne trække konductive væsker ind og skyde dem ud som en jet, der fremmer nanoboten fremad.

Uanset den endelige anvendelse af nanobots skal de løse de ovennævnte problemer og håndtere navigering, bevægelse og kraft.

Hvad bruges Nanobots til?

Som nævnt vil de første anvendelser af nanobots sandsynligvis være i det medicinske felt. Nanobots kunne anvendes til at overvåge skader på kroppen og potentielt endda facilitere reparation af disse skader. Fremtidige nanobots kunne levere medicin direkte til cellerne, der har brug for dem. I øjeblikket leveres medicin typisk oralt eller intravenøst og spreder sig over hele kroppen i stedet for at ramme kun målområdet, hvilket forårsager bivirkninger. Nanobots udstyret med sensorer kunne let anvendes til at overvåge ændringer i celler, rapportere ændringer ved den første tegn på skade eller fejl.

Vi er stadig langt fra disse hypotetiske anvendelser, men der sker fremgang hele tiden. For eksempel skabte videnskabsmænd i 2017 nanobots, der målrettede kræftceller og angreb dem med en miniaturiseret bore, der dræbte dem. I år designede en gruppe forskere fra ITMO University en nanobot sammensat af DNA-fragmenter, der kunne ødelægge patogene RNA-strenge. DNA-baserede nanobots er også i øjeblikket i stand til at transportere molekylært gods, Nanoboten består af tre forskellige DNA-sektioner, manøvrerer med en DNA-“ben” og bærer bestemte molekyler med hjælp af en “arm”.

Ud over medicinske anvendelser udføres forskning omkring anvendelsen af nanobots til formålet med miljørensning og -genoprettelse. Nanobots kunne potentielt anvendes til at fjerne giftige tungmetaller og plastik fra vandmasser. Nanobots kunne bære kemiske forbindelser, der gør giftige stoffer inerte, når de kombineres, eller de kunne anvendes til at nedbryde plastaffald gennem lignende processer. Forskning udføres også omkring anvendelsen af nanobots til at facilitere produktionen af ekstremt små computerchips og processorer, essentielt ved at anvende nanobots til at producere mikroskala-computer-kredsløb.