Hvad er nanobots? Forstå Nanobots struktur, drift og anvendelser

Efterhånden som teknologien udvikler sig, bliver tingene ikke altid større og bedre, objekter bliver også mindre. Faktisk er nanoteknologi et af de hurtigst voksende teknologiske områder med en værdi på over 1 billion USD, og ​​det forventes at vokse med cirka 17 % i løbet af det næste halve årti. nanobots er en stor del af nanoteknologiområdet, men hvad er de præcist, og hvordan fungerer de? Lad os se nærmere på nanobots for at forstå, hvordan denne transformative teknologi fungerer, og hvad den bruges til.

Hvad er nanobots?

Området for nanoteknologi er beskæftiget med forskning og udvikling af teknologi omkring en til 100 nanometer i skala. Derfor er nanorobotics fokuseret på at skabe robotter, der er omkring denne størrelse. I praksis er det svært at konstruere noget så lille som en nanometer i skala, og udtrykket "nanorobotics" og "nanobot" er ofte anvendt til enheder, der er cirka 0.1 – 10 mikrometer store, hvilket stadig er ret lille.

Det er vigtigt at bemærke, at udtrykket "nanorobot" nogle gange anvendes på enheder, der interagerer med objekter på nanoskala, og manipulerer elementer i nanoskala. Derfor, selvom selve enheden er meget større, kan den betragtes som et nanorobotinstrument. Denne artikel vil fokusere på robotter i nanoskala selv.

En stor del af området for nanorobotics og nanobots er stadig i den teoretiske fase, med forskning fokuseret på at løse problemerne med byggeri i så lille skala. Men nogle prototype nanomaskiner og nanomotorer er blevet designet og testet.

De fleste nuværende nanorobotiske enheder falder ind under en af ​​fire kategorier: kontakter, motorer, shuttles og biler.

Nanorobotiske kontakter fungerer ved at blive bedt om at skifte fra en "slukket"-tilstand til en "tændt"-tilstand. Miljøfaktorer bruges til at få maskinen til at ændre form, en proces kaldet konformationsændring. Miljøet ændres ved hjælp af processer som kemiske reaktioner, UV-lys og temperatur, og nanorobotkontakterne skifter til forskellige former som et resultat, der er i stand til at udføre specifikke opgaver.

Nanomotorer er mere komplekse end simple kontakter, og de udnytter den energi, der skabes af virkningerne af konformationsændringen, til at bevæge sig rundt og påvirke molekylerne i det omgivende miljø.

Shuttle er nanorobotter, der er i stand til at transportere kemikalier som medicin til specifikke målrettede områder. Målet er at kombinere shuttles med nanorobotmotorer, så skytterne er i stand til en større grad af bevægelse gennem et miljø.

Nanorobotiske "biler" er de mest avancerede nanoenheder i øjeblikket, der er i stand til at bevæge sig uafhængigt med prompter fra kemiske eller elektromagnetiske katalysatorer. De nanomotorer, der driver nanorobotiske biler, skal styres, for at køretøjet kan styres, og forskere eksperimenterer med forskellige metoder til nanorobotstyring.

Nanorobotics-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: Foto: "Sammenligning af størrelsen af ​​nanomaterialer med størrelsen af ​​andre gængse materialer." Sureshup fra Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hvordan skabes nanobots?

Området for nanorobotik er ved krydsfeltet mellem mange discipliner, og skabelsen af ​​nanobots involverer skabelsen af ​​sensorer, aktuatorer og motorer. Fysisk modellering skal også udføres, og alt dette skal udføres på nanoskala. Som nævnt ovenfor bruges nanomanipulationsanordninger til at samle disse dele i nanoskala og manipulere kunstige eller biologiske komponenter, hvilket inkluderer manipulation af celler og molekyler.

Nanorobotics ingeniører skal være i stand til at løse en lang række problemer. De skal behandle spørgsmål vedrørende sansning, kontrolkraft, kommunikation og interaktioner mellem både uorganiske og organiske materialer.

Størrelsen af ​​en nanobot er nogenlunde sammenlignelig med biologiske celler, og på grund af denne kendsgerning kan fremtidige nanobots bruges i discipliner som medicin og miljøbevarelse/-sanering. De fleste "nanobots", der eksisterer i dag, er blot specifikke molekyler, som er blevet manipuleret til at udføre visse opgaver. 

Komplekse nanobots er i bund og grund blot simple molekyler, der er forbundet og manipuleret med kemiske processer. For eksempel er nogle nanobots består af DNAOg de transportere molekylær last.

Hvordan fungerer nanobots?

I betragtning af nanobotternes stadig stærkt teoretiske karakter, besvares spørgsmål om, hvordan nanobotter fungerer, med forudsigelser snarere end fakta. Det er sandsynligt, at de første store anvendelser af nanobots vil være inden for det medicinske område, der bevæger sig gennem menneskekroppen og udfører opgaver som at diagnosticere sygdomme, overvåge vitale funktioner og uddele behandlinger. Disse nanobots skal være i stand til at navigere rundt i den menneskelige krop og bevæge sig gennem væv som blodkar.

Navigation

Med hensyn til nanobot-navigation er der en række forskellige teknikker, som nanobot-forskere og -ingeniører undersøger. En metode til navigation er udnyttelsen af ​​ultralydssignaler til detektion og implementering. En nanobot kunne udsende ultralydssignaler, der kunne spores for at lokalisere nanobotternes position, og robotterne kunne derefter guides til bestemte områder ved hjælp af et specielt værktøj, der styrer deres bevægelse. Magnetic Resonance Imaging (MRI) enheder kan også bruges til at spore positionen af ​​nanobots, og tidlige forsøg med MR har vist, at teknologien kan bruges til at opdage og endda manøvrere nanobots. Andre metoder til at detektere og manøvrere nanobots omfatter brugen af ​​røntgenstråler, mikrobølger og radiobølger. I øjeblikket er vores kontrol over disse bølger på nanoskala ret begrænset, så nye metoder til at udnytte disse bølger skulle opfindes.

Navigations- og detektionssystemerne beskrevet ovenfor er eksterne metoder, der er afhængige af brugen af ​​værktøjer til at flytte nanobotterne. Med tilføjelsen af ​​indbyggede sensorer kunne nanobotterne være mere autonome. For eksempel kunne kemiske sensorer inkluderet ombord på nanobots tillade robotten at scanne det omgivende miljø og følge visse kemiske markører til et målområde.

Power

Når det kommer til at drive nanobotterne, er der også en række forskellige strømløsninger, der undersøges af forskere. Løsninger til at drive nanobots omfatter eksterne strømkilder og indbyggede/interne strømkilder.

Interne strømløsninger omfatter generatorer og kondensatorer. Generatorer ombord på nanoboten kunne bruge de elektrolytter, der findes i blodet, til at producere energi, eller nanobots kunne endda drives ved hjælp af det omgivende blod som en kemisk katalysator, der producerer energi, når de kombineres med et kemikalie, som nanobotten bærer med sig. Kondensatorer fungerer på samme måde som batterier og lagrer elektrisk energi, der kan bruges til at drive nanoboten frem. Andre muligheder som små atomkraftkilder er endda blevet overvejet.

Hvad angår eksterne strømkilder, kunne utroligt små, tynde ledninger binde nanobotterne til en ekstern strømkilde. Sådanne ledninger kunne være lavet af miniature fiberoptiske kabler, der sender lysimpulser ned i ledningerne og får den faktiske elektricitet til at blive genereret i nanoboten.

Andre eksterne strømløsninger omfatter magnetiske felter eller ultralydssignaler. Nanobots kunne bruge noget, der kaldes en piezoelektrisk membran, som er i stand til at opsamle ultralydsbølger og omdanne dem til elektrisk strøm. Magnetiske felter kan bruges til at katalysere elektriske strømme i en lukket ledende sløjfe indeholdt ombord på nanobot. Som en bonus kunne magnetfeltet også bruges til at styre nanobottens retning.

Bevægelse

Løsning af problemet med nanobot bevægelse kræver nogle opfindsomme løsninger. Nanobots, der ikke er bundet, eller ikke bare er frit svævende i deres miljø, skal have en eller anden metode til at flytte til deres målplaceringer. Fremdriftssystemet skal være kraftigt og stabilt, i stand til at drive nanoboten mod strømme i dets omgivende miljø, som blodets strømning. Fremdriftsløsninger, der undersøges, er ofte inspireret af den naturlige verden, hvor forskere ser på, hvordan mikroskoporganismer bevæger sig gennem deres miljø. For eksempel bruger mikroorganismer ofte lange, pisklignende haler kaldet flageller til at drive sig selv frem, eller de bruger en række små, hårlignende lemmer kaldet cilia.

Forskere eksperimenterer også med at give robotter små armlignende vedhæng som kunne give robotten mulighed for at svømme, gribe og kravle. I øjeblikket styres disse vedhæng via magnetiske felter uden for kroppen, da den magnetiske kraft får robottens arme til at vibrere. En ekstra fordel ved denne bevægelsesmetode er, at energien til den kommer fra en ekstern kilde. Denne teknologi skulle gøres endnu mindre for at gøre den levedygtig for ægte nanobots.

Der er også andre, mere opfindsomme fremdriftsstrategier under undersøgelse. For eksempel har nogle forskere foreslået at bruge kondensatorer til at konstruere en elektromagnetisk pumpe, der ville trække ledende væsker ind og skyde den ud som et jetfly, der driver nanoboten fremad.

Uanset den eventuelle anvendelse af nanobots, skal de løse de ovenfor beskrevne problemer, håndtere navigation, bevægelse og magt.

Hvad bruges nanobots til?

Som nævnt er de første anvendelser til nanobots vil sandsynligvis være med det medicinske område. Nanobots kunne bruges til at overvåge for skader på kroppen og potentielt endda lette reparationen af ​​denne skade. Fremtidige nanobots kunne levere medicin direkte til de celler, der har brug for dem. I øjeblikket indgives medicin oralt eller intravenøst, og de spredes i hele kroppen i stedet for kun at ramme målregionerne, hvilket forårsager bivirkninger. Nanobots udstyret med sensorer kan nemt bruges til at overvåge ændringer i celleområder og rapportere ændringer ved det første tegn på skade eller funktionsfejl.

Vi er stadig langt væk fra disse hypotetiske anvendelser, men der sker hele tiden fremskridt. Som et eksempel, i 2017 videnskabsmænd skabte nanobots, der målrettede kræftceller og angreb dem med en miniaturiseret boremaskine og dræbte dem. I år har en gruppe forskere fra ITMO University designet en nanobot sammensat af DNA-fragmenter, i stand til at ødelægge patogene RNA-strenge. DNA-baserede nanobots er også i øjeblikket i stand til at transportere molekylær last. Nanobotten er lavet af tre forskellige DNA-sektioner, der manøvrerer med et DNA "ben" og bærer specifikke molekyler med brug af en "arm".

Ud over medicinske anvendelser forskes der i brugen af ​​nanobots med henblik på miljøoprydning og -sanering. Nanobots kan potentielt bruges til at fjerne giftige tungmetaller , plast fra vandmasser. Nanobotterne kunne bære forbindelser, der gør giftige stoffer inerte, når de kombineres, eller de kan bruges til at nedbryde plastikaffald gennem lignende processer. Der forskes også i brugen af ​​nanobots til at lette produktionen af ​​ekstremt små computerchips og processorer, i det væsentlige ved hjælp af nanobots til at producere computerkredsløb i mikroskala.