Was sind Nanobots? Verständnis von Nanobot-Struktur, -Betrieb und -Anwendungen

Durch den Fortschritt der Technologie werden Dinge nicht immer größer und besser, sondern auch kleiner. Tatsächlich ist die Nanotechnologie eines der am schnellsten wachsenden technologischen Felder, mit einem Wert von über 1 Billion USD, und es wird prognostiziert, dass es in den nächsten fünf Jahren um etwa 17% wachsen wird. Nanobots sind ein wichtiger Teil des Nanotechnologie-Feldes, aber was sind sie genau und wie funktionieren sie? Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf Nanobots werfen, um zu verstehen, wie diese transformative Technologie funktioniert und wofür sie verwendet wird.

Was sind Nanobots?

Das Feld der Nanotechnologie beschäftigt sich mit der Forschung und Entwicklung von Technologien, die etwa ein bis 100 Nanometer im Maßstab sind. Daher konzentriert sich die Nanorobotik auf die Schaffung von Robotern, die etwa diese Größe haben. In der Praxis ist es schwierig, etwas so Kleines wie ein Nanometer im Maßstab zu konstruieren, und der Begriff “Nanorobotik” und “Nanobot” wird häufig auf Geräte angewendet, die etwa 0,1-10 Mikrometer im Maßstab sind, was immer noch ziemlich klein ist.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Begriff “Nanorobot” manchmal auf Geräte angewendet wird, die mit Objekten auf der Nanoskala interagieren, indem sie nanoskalige Elemente manipulieren. Daher kann ein Gerät, auch wenn es viel größer ist, als nanorobotisches Instrument betrachtet werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf nanoskalige Roboter selbst.

Ein großer Teil des Feldes der Nanorobotik und Nanobots ist noch in der theoretischen Phase, mit Forschung, die sich auf die Lösung der Probleme bei der Konstruktion auf so kleiner Skala konzentriert. Es wurden jedoch bereits einige Prototypen von Nanomaschinen und Nanomotoren entwickelt und getestet.

Die meisten derzeit existierenden nanorobotischen Geräte fallen in eine von vier Kategorien: Schalter, Motoren, Shuttles und Autos.

Nanorobotische Schalter funktionieren, indem sie von einem “Aus”-Zustand in einen “Ein”-Zustand umschalten. Umweltfaktoren werden verwendet, um die Maschine zu veranlassen, ihre Form zu ändern, ein Prozess, der als Konformationsänderung bezeichnet wird. Die Umwelt wird durch Prozesse wie chemische Reaktionen, UV-Licht und Temperatur verändert, und die nanorobotischen Schalter ändern ihre Form, um bestimmte Aufgaben auszuführen.

Nanomotoren sind komplexer als einfache Schalter und nutzen die durch die Konformationsänderung erzeugte Energie, um sich zu bewegen und die Moleküle in der Umgebung zu beeinflussen.

Shuttles sind Nanobots, die in der Lage sind, Chemikalien wie Medikamente zu bestimmten, gezielten Regionen zu transportieren. Das Ziel ist es, Shuttles mit Nanorobot-Motoren zu kombinieren, damit die Shuttles eine größere Bewegungsfreiheit in ihrer Umgebung haben.

Nanorobotische “Autos” sind die fortschrittlichsten Nanogeräte derzeit, die in der Lage sind, unabhängig mit Hilfe von chemischen oder elektromagnetischen Katalysatoren zu bewegen. Die Nanomotoren, die die nanorobotischen Autos antreiben, müssen gesteuert werden, damit das Fahrzeug gesteuert werden kann, und Forscher experimentieren mit verschiedenen Methoden der nanorobotischen Steuerung.

Nanorobotik-Forscher zielen darauf ab, diese verschiedenen Komponenten und Technologien in Nanomaschinen zu synthetisieren, die komplexe Aufgaben ausführen können, die durch Schwärme von Nanobots erzielt werden, die zusammenarbeiten.

Foto: “Vergleich der Größe von Nanomaterialien mit anderen Materialien.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Wie werden Nanobots erstellt?

Das Feld der Nanorobotik steht an der Kreuzung vieler Disziplinen, und die Erstellung von Nanobots erfordert die Erstellung von Sensoren, Aktoren und Motoren. Es muss auch eine physikalische Modellierung durchgeführt werden, und all dies muss auf der Nanoskala durchgeführt werden. Wie bereits erwähnt, werden Nanomanipulationsgeräte verwendet, um diese nano-skaligen Teile zu montieren und künstliche oder biologische Komponenten zu manipulieren, einschließlich der Manipulation von Zellen und Molekülen.

Nanorobotik-Ingenieure müssen eine Vielzahl von Problemen lösen. Sie müssen Fragen der Wahrnehmung, Steuerung, Energie, Kommunikation und Interaktion zwischen anorganischen und organischen Materialien angehen.

Die Größe eines Nanobots ist ungefähr mit biologischen Zellen vergleichbar, und aufgrund dieser Tatsache könnten zukünftige Nanobots in Disziplinen wie Medizin und Umweltschutz eingesetzt werden. Die meisten “Nanobots”, die heute existieren, sind einfach Moleküle, die manipuliert wurden, um bestimmte Aufgaben auszuführen.

Komplexe Nanobots sind im Wesentlichen einfach Moleküle, die durch chemische Prozesse miteinander verbunden und manipuliert werden. Zum Beispiel bestehen einige Nanobots aus DNA, und sie transportieren molekulare Fracht.

Wie funktionieren Nanobots?

Angesichts der noch immer stark theoretischen Natur von Nanobots werden Fragen nach ihrer Funktionsweise mit Vorhersagen beantwortet, anstatt mit Tatsachen. Es ist wahrscheinlich, dass die ersten großen Anwendungen für Nanobots im medizinischen Bereich liegen werden, wo sie durch den menschlichen Körper bewegt werden und Aufgaben wie die Diagnose von Krankheiten, die Überwachung von Vitalfunktionen und die Abgabe von Behandlungen ausführen. Diese Nanobots müssen in der Lage sein, sich durch den menschlichen Körper zu bewegen und durch Gewebe wie Blutgefäße zu navigieren.

Navigation

Was die Navigation von Nanobots betrifft, gibt es eine Vielzahl von Techniken, die von Nanorobotik-Forschern und -Ingenieuren untersucht werden. Eine Methode der Navigation ist die Verwendung von Ultraschallsignalen zur Erkennung und Entsendung. Ein Nanobot könnte Ultraschallsignale aussenden, die zur Lokalisierung der Position des Nanobots verwendet werden könnten, und der Roboter könnte dann mit Hilfe eines speziellen Werkzeugs, das seine Bewegung steuert, zu bestimmten Bereichen geleitet werden. Magnetresonanz-Tomographie-(MRT-)Geräte könnten auch verwendet werden, um die Position von Nanobots zu verfolgen, und frühe Experimente mit MRTs haben gezeigt, dass die Technologie verwendet werden kann, um Nanobots zu erkennen und sogar zu manövrieren. Andere Methoden der Erkennung und Manövrierung von Nanobots umfassen die Verwendung von Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen. Derzeit ist unsere Kontrolle über diese Wellen auf der Nanoskala jedoch noch begrenzt, so dass neue Methoden für die Verwendung dieser Wellen erfunden werden müssen.

Die oben beschriebenen Navigationssysteme sind externe Methoden, die auf die Verwendung von Werkzeugen zur Steuerung der Nanobots angewiesen sind. Durch die Integration von Bordensensoren könnten die Nanobots autonomer werden. Zum Beispiel könnten chemische Sensoren, die in den Nanobots integriert sind, es dem Roboter ermöglichen, die Umgebung zu scannen und bestimmte chemische Marker zu einem Zielbereich zu folgen.

Energie

Was die Energieversorgung der Nanobots betrifft, gibt es eine Vielzahl von Energiequellen, die von Forschern erforscht werden. Lösungen für die Energieversorgung von Nanobots umfassen externe Energiequellen und interne/bordinterne Energiequellen.

Interne Energiequellen umfassen Generatoren und Kondensatoren. Generatoren an Bord des Nanobots könnten die Elektrolyte im Blut verwenden, um Energie zu erzeugen, oder Nanobots könnten sogar mit Hilfe des umgebenden Blutes als chemischer Katalysator betrieben werden, der Energie erzeugt, wenn er mit einer chemischen Substanz kombiniert wird, die der Nanobot mit sich trägt. Kondensatoren funktionieren ähnlich wie Batterien, indem sie elektrische Energie speichern, die zum Antrieb des Nanobots verwendet werden kann. Andere Optionen wie winzige Kernkraftquellen wurden sogar in Betracht gezogen.

Was externe Energiequellen betrifft, könnten winzige, dünne Drähte den Nanobot mit einer externen Energiequelle verbinden. Solche Drähte könnten aus miniaturisierten Lichtwellenleitern bestehen, die Lichtimpulse durch die Drähte senden und die tatsächliche Elektrizität im Nanobot erzeugen.

Andere externe Energiequellen umfassen magnetische Felder oder Ultraschallsignale. Nanobots könnten ein piezoelektrisches Membran verwenden, das in der Lage ist, Ultraschallwellen zu sammeln und in elektrische Energie umzuwandeln. Magnetfelder können verwendet werden, um elektrische Ströme in einer geschlossenen Leitung auf dem Nanobot zu erzeugen. Als Bonus kann das magnetische Feld auch verwendet werden, um die Richtung des Nanobots zu steuern.

Bewegung

Die Lösung des Problems der Nanobot-Bewegung erfordert einige erfinderische Lösungen. Nanobots, die nicht mit einer externen Energiequelle verbunden sind oder nicht einfach in ihrer Umgebung schweben, benötigen eine Methode, um sich zu bewegen und ihre Zielorte zu erreichen. Das Antriebssystem muss leistungsstark und stabil sein, um den Nanobot gegen Strömungen in seiner Umgebung, wie den Blutfluss, zu bewegen. Antriebslösungen, die derzeit erforscht werden, sind oft von der Natur inspiriert, wobei Forscher untersuchen, wie mikroskopische Organismen sich durch ihre Umgebung bewegen. Zum Beispiel verwenden Mikroorganismen oft lange, peitschenartige Schwänze, die als Flagellen bezeichnet werden, um sich fortzubewegen, oder sie verwenden eine Reihe von winzigen, haarartigen Gliedmaßen, die als Cilien bezeichnet werden.

Forscher experimentieren auch mit der Ausstattung von Robotern mit kleinen armartigen Anhängen, die es dem Roboter ermöglichen, zu schwimmen, zu greifen und zu kriechen. Derzeit werden diese Anhängen durch magnetische Felder außerhalb des Körpers gesteuert, wobei die magnetische Kraft die Arme des Roboters zum Vibrieren bringt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Bewegungsmethode ist, dass die Energie dafür von einer externen Quelle stammt. Diese Technologie müsste jedoch noch weiter miniaturisiert werden, um für echte Nanobots geeignet zu sein.

Es gibt auch andere, erfinderischere Antriebsstrategien, die derzeit erforscht werden. Zum Beispiel haben einige Forscher vorgeschlagen, Kapazitoren zu verwenden, um eine elektromagnetische Pumpe zu konstruieren, die konductive Flüssigkeiten ansaugt und ausspuckt wie ein Strahltriebwerk, um den Nanobot voranzutreiben.

Unabhängig von der letztendlichen Anwendung von Nanobots müssen sie die oben beschriebenen Probleme lösen und Navigation, Bewegung und Energie bewältigen.

Wofür werden Nanobots verwendet?

Wie bereits erwähnt, werden die ersten Anwendungen für Nanobots wahrscheinlich im medizinischen Bereich liegen. Nanobots könnten verwendet werden, um Schäden am Körper zu überwachen und möglicherweise sogar die Reparatur dieser Schäden zu erleichtern. Zukünftige Nanobots könnten Medikamente direkt an die Zellen liefern, die sie benötigen. Derzeit werden Medikamente oral oder intravenös verabreicht und sie verbreiten sich im gesamten Körper, anstatt nur die Zielregionen zu treffen, was zu Nebenwirkungen führt. Nanobots mit Sensoren könnten leicht verwendet werden, um Veränderungen in Zellregionen zu überwachen und Veränderungen bei dem ersten Anzeichen von Schäden oder Fehlfunktionen zu melden.

Noch sind wir weit entfernt von diesen hypothetischen Anwendungen, aber Fortschritte werden ständig erzielt. Zum Beispiel haben Wissenschaftler im Jahr 2017 Nanobots entwickelt, die Krebszellen angriffen und mit einem miniaturisierten Bohrer töteten. In diesem Jahr entwarfen Forscher der ITMO-Universität einen Nanobot, der aus DNA-Fragmenten besteht und in der Lage ist, pathogene RNA-Stränge zu zerstören. DNA-basierte Nanobots sind auch derzeit in der Lage, molekulare Fracht zu transportieren, Der Nanobot besteht aus drei verschiedenen DNA-Abschnitten, die mit einem DNA-“Bein” manövrieren und spezifische Moleküle mit Hilfe eines “Arms” transportieren.

Über medizinische Anwendungen hinaus wird Forschung betrieben, um die Verwendung von Nanobots für Umweltsanierungs- und Reinigungsmaßnahmen zu untersuchen. Nanobots könnten möglicherweise verwendet werden, um giftige Schwermetalle und Kunststoffe aus Gewässern zu entfernen. Die Nanobots könnten Verbindungen transportieren, die giftige Substanzen unschädlich machen, wenn sie miteinander kombiniert werden, oder sie könnten verwendet werden, um Kunststoffabfälle durch ähnliche Prozesse abzubauen. Es wird auch Forschung betrieben, um die Verwendung von Nanobots zu untersuchen, um die Produktion extrem kleiner Computerchips und Prozessoren zu erleichtern, indem Nanobots verwendet werden, um mikroskalige Computer-Schaltkreise herzustellen.