Τι είναι τα Nanobots; Κατανόηση της δομής, της λειτουργίας και των χρήσεων του Nanobot

Καθώς η τεχνολογία προχωρά, τα πράγματα δεν γίνονται πάντα μεγαλύτερα και καλύτερα, αλλά και τα αντικείμενα γίνονται μικρότερα. Στην πραγματικότητα, η νανοτεχνολογία είναι ένας από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τεχνολογικούς τομείς, αξίας άνω του 1 τρισεκατομμυρίου δολαρίων ΗΠΑ, και προβλέπεται να αναπτυχθεί κατά περίπου 17% την επόμενη μισή δεκαετία. νανορομπότ αποτελούν σημαντικό μέρος του τομέα της νανοτεχνολογίας, αλλά τι ακριβώς είναι και πώς λειτουργούν; Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα νανορομπότ για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί αυτή η μετασχηματιστική τεχνολογία και σε τι χρησιμοποιείται.

Τι είναι τα Nanobots;

Ο τομέας της νανοτεχνολογίας ασχολείται με την έρευνα και την ανάπτυξη τεχνολογίας σε κλίμακα περίπου ένα έως 100 νανόμετρα. Ως εκ τούτου, η νανορομποτική επικεντρώνεται στη δημιουργία ρομπότ που έχουν περίπου αυτό το μέγεθος. Στην πράξη, είναι δύσκολο να κατασκευαστεί κάτι μικρό όσο ένα νανόμετρο σε κλίμακα και ο όρος «νανορομποτικά» και «νανορομπότ» είναι συχνά εφαρμοσμένος σε συσκευές με μέγεθος περίπου 0.1 – 10 μικρόμετρα, το οποίο είναι ακόμα αρκετά μικρό.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο όρος «νανορομπότ» χρησιμοποιείται μερικές φορές σε συσκευές που αλληλεπιδρούν με αντικείμενα σε νανοκλίμακα, χειραγωγώντας αντικείμενα νανοκλίμακας. Επομένως, ακόμα κι αν η ίδια η συσκευή είναι πολύ μεγαλύτερη, μπορεί να θεωρηθεί νανορομποτικό όργανο. Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στα ίδια τα ρομπότ νανοκλίμακας.

Μεγάλο μέρος του πεδίου της νανορομποτικής και των νανορομπότ βρίσκεται ακόμη σε θεωρητική φάση, με την έρευνα να επικεντρώνεται στην επίλυση των προβλημάτων της κατασκευής σε τόσο μικρή κλίμακα. Ωστόσο, ορισμένες πρωτότυπες νανομηχανές και νανοκινητήρες έχουν σχεδιαστεί και δοκιμαστεί.

Οι περισσότερες υπάρχουσες επί του παρόντος νανορομποτικές συσκευές εμπίπτουν μία από τις τέσσερις κατηγορίες: διακόπτες, κινητήρες, λεωφορεία και αυτοκίνητα.

Οι νανορομποτικοί διακόπτες λειτουργούν όταν τους ζητείται να μεταβούν από κατάσταση "off" σε κατάσταση "on". Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται για να κάνουν τη μηχανή να αλλάξει σχήμα, μια διαδικασία που ονομάζεται διαμορφωτική αλλαγή. Το περιβάλλον μεταβάλλεται χρησιμοποιώντας διεργασίες όπως χημικές αντιδράσεις, υπεριώδη ακτινοβολία και θερμοκρασία και οι νανορομποτικοί διακόπτες μετατοπίζονται σε διαφορετικές μορφές ως αποτέλεσμα, ικανοί να ολοκληρώσουν συγκεκριμένες εργασίες.

Οι νανοκινητήρες είναι πιο περίπλοκοι από τους απλούς διακόπτες και χρησιμοποιούν την ενέργεια που δημιουργείται από τα αποτελέσματα της διαμορφωτικής αλλαγής προκειμένου να κινηθούν και να επηρεάσουν τα μόρια στο περιβάλλον.

Τα λεωφορεία είναι νανορομπότ που είναι ικανά να μεταφέρουν χημικές ουσίες όπως ναρκωτικά σε συγκεκριμένες, στοχευμένες περιοχές. Ο στόχος είναι να συνδυαστούν τα λεωφορεία με κινητήρες νανορομπότ έτσι ώστε τα λεωφορεία να είναι ικανά για μεγαλύτερο βαθμό κίνησης μέσα σε ένα περιβάλλον.

Τα νανορομποτικά «αυτοκίνητα» είναι οι πιο προηγμένες νανοσυσκευές αυτή τη στιγμή, ικανές να κινούνται ανεξάρτητα με προτροπές από χημικούς ή ηλεκτρομαγνητικούς καταλύτες. Οι νανοκινητήρες που οδηγούν τα νανορομποτικά αυτοκίνητα πρέπει να ελέγχονται για να κατευθύνεται το όχημα και οι ερευνητές πειραματίζονται με διάφορες μεθόδους νανορομποτικού ελέγχου.

Οι ερευνητές της νανορομποτικής στοχεύουν να συνθέσουν αυτά τα διαφορετικά εξαρτήματα και τεχνολογίες σε νανομηχανές που μπορούν να ολοκληρώσουν πολύπλοκες εργασίες, που επιτυγχάνονται από σμήνη νανορομπότ που συνεργάζονται.

Φωτογραφία: Φωτογραφία: "Σύγκριση των μεγεθών των νανοϋλικών με αυτά άλλων κοινών υλικών." Sureshup και Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Πώς δημιουργούνται τα Nanobots;

Ο τομέας της νανορομποτικής βρίσκεται στο σταυροδρόμι πολλών κλάδων και η δημιουργία νανορομπότ περιλαμβάνει τη δημιουργία αισθητήρων, ενεργοποιητών και κινητήρων. Πρέπει να γίνει και φυσική μοντελοποίηση και όλα αυτά πρέπει να γίνονται σε νανοκλίμακα. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι συσκευές νανοχειρισμού χρησιμοποιούνται για τη συναρμολόγηση αυτών των εξαρτημάτων νανοκλίμακας και τον χειρισμό τεχνητών ή βιολογικών συστατικών, που περιλαμβάνει τον χειρισμό κυττάρων και μορίων.

Οι μηχανικοί νανορομποτικής πρέπει να είναι σε θέση να λύσουν ένα πλήθος προβλημάτων. Πρέπει να αντιμετωπίσουν ζητήματα που αφορούν την αίσθηση, τη δύναμη ελέγχου, τις επικοινωνίες και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ανόργανων και οργανικών υλικών.

Το μέγεθος ενός νανορομπότ είναι περίπου συγκρίσιμο με τα βιολογικά κύτταρα, και λόγω αυτού του γεγονότος τα μελλοντικά νανορομπότ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε κλάδους όπως η ιατρική και η διατήρηση/αποκατάσταση του περιβάλλοντος. Τα περισσότερα «νανορομπότ» που υπάρχουν σήμερα είναι απλά συγκεκριμένα μόρια που έχουν υποστεί χειραγώγηση για να επιτύχουν ορισμένες εργασίες. 

Τα σύνθετα νανορομπότ είναι ουσιαστικά απλά μόρια που ενώνονται μεταξύ τους και τα οποία χειρίζονται με χημικές διεργασίες. Για παράδειγμα, ορισμένα nanobots είναι που αποτελείται από DNA, και αυτοί μεταφορά μοριακού φορτίου.

Πώς λειτουργούν τα Nanobots;

Δεδομένης της ακόμα πολύ θεωρητικής φύσης των νανορομπότ, οι ερωτήσεις σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των νανορομπότ απαντώνται με προβλέψεις και όχι με δηλώσεις γεγονότων. Είναι πιθανό ότι οι πρώτες σημαντικές χρήσεις για τα νανορομπότ θα είναι στον ιατρικό τομέα, μετακινώντας μέσα στο ανθρώπινο σώμα και ολοκληρώνοντας εργασίες όπως η διάγνωση ασθενειών, η παρακολούθηση ζωτικής σημασίας και η χορήγηση θεραπειών. Αυτά τα νανορομπότ θα πρέπει να μπορούν να περιηγούνται στο ανθρώπινο σώμα και να κινούνται μέσα από ιστούς όπως τα αιμοφόρα αγγεία.

Πλοήγηση

Όσον αφορά την πλοήγηση με νανορομπότ, υπάρχει μια ποικιλία τεχνικών που ερευνούν οι ερευνητές και οι μηχανικοί νανορομπότ. Μία μέθοδος πλοήγησης είναι η χρήση υπερηχητικών σημάτων για ανίχνευση και ανάπτυξη. Ένα νανορομπότ θα μπορούσε να εκπέμπει υπερηχητικά σήματα που θα μπορούσαν να εντοπιστούν για τον εντοπισμό της θέσης των νανορομπότ και τα ρομπότ θα μπορούσαν στη συνέχεια να οδηγηθούν σε συγκεκριμένες περιοχές με τη χρήση ενός ειδικού εργαλείου που κατευθύνει την κίνησή τους. Οι συσκευές μαγνητικής τομογραφίας (MRI) θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της θέσης των νανορομπότ και πρώιμα πειράματα με μαγνητική τομογραφία έχουν αποδείξει ότι η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό και ακόμη και τον ελιγμό νανορομπότ. Άλλες μέθοδοι ανίχνευσης και χειρισμού νανορομπότ περιλαμβάνουν τη χρήση ακτίνων Χ, μικροκυμάτων και ραδιοκυμάτων. Προς το παρόν, ο έλεγχος αυτών των κυμάτων σε νανοκλίμακα είναι αρκετά περιορισμένος, επομένως θα έπρεπε να εφευρεθούν νέες μέθοδοι χρήσης αυτών των κυμάτων.

Τα συστήματα πλοήγησης και ανίχνευσης που περιγράφονται παραπάνω είναι εξωτερικές μέθοδοι, που βασίζονται στη χρήση εργαλείων για τη μετακίνηση των νανορομπότ. Με την προσθήκη αισθητήρων επί του σκάφους, τα νανορομπότ θα μπορούσαν να είναι πιο αυτόνομα. Για παράδειγμα, οι χημικοί αισθητήρες που περιλαμβάνονται στα νανορομπότ θα μπορούσαν να επιτρέψουν στο ρομπότ να σαρώσει το περιβάλλον και να ακολουθήσει ορισμένους χημικούς δείκτες σε μια περιοχή στόχο.

Power

Όσον αφορά την τροφοδοσία των νανορομπότ, υπάρχει επίσης μια ποικιλία από λύσεις ισχύος που διερευνώνται από ερευνητές. Οι λύσεις για την τροφοδοσία των νανορομπότ περιλαμβάνουν εξωτερικές πηγές ενέργειας και ενσωματωμένες/εσωτερικές πηγές ενέργειας.

Οι λύσεις εσωτερικής ισχύος περιλαμβάνουν γεννήτριες και πυκνωτές. Οι γεννήτριες στο νανορομπότ θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τους ηλεκτρολύτες που βρίσκονται στο αίμα για να παράγουν ενέργεια ή τα νανορομπότ θα μπορούσαν ακόμη και να τροφοδοτηθούν χρησιμοποιώντας το περιβάλλον αίμα ως χημικό καταλύτη που παράγει ενέργεια όταν συνδυάζεται με μια χημική ουσία που φέρει μαζί του. Οι πυκνωτές λειτουργούν παρόμοια με τις μπαταρίες, αποθηκεύοντας ηλεκτρική ενέργεια που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την προώθηση του νανορομπότ. Έχουν εξεταστεί ακόμη και άλλες επιλογές, όπως μικροσκοπικές πηγές πυρηνικής ενέργειας.

Όσον αφορά τις εξωτερικές πηγές ενέργειας, τα απίστευτα μικρά, λεπτά καλώδια θα μπορούσαν να συνδέουν τα νανορομπότ σε μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Τέτοια καλώδια θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από μικροσκοπικά καλώδια οπτικών ινών, στέλνοντας παλμούς φωτός στα καλώδια και έχοντας την πραγματική ηλεκτρική ενέργεια να παράγεται μέσα στο νανορομπότ.

Άλλες λύσεις εξωτερικής ισχύος περιλαμβάνουν μαγνητικά πεδία ή υπερηχητικά σήματα. Τα νανορομπότ θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν κάτι που ονομάζεται πιεζοηλεκτρική μεμβράνη, η οποία είναι ικανή να συλλέγει υπερηχητικά κύματα και να τα μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατάλυση ηλεκτρικών ρευμάτων εντός ενός κλειστού αγώγιμου βρόχου που περιέχεται στο νανορομπότ. Ως μπόνους, το μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της κατεύθυνσης του νανορομπότ.

Μετακίνηση

Αντιμετώπιση του προβλήματος των μετακίνηση νανορομπότ απαιτεί κάποιες εφευρετικές λύσεις. Τα νανορομπότ που δεν είναι δεμένα ή δεν επιπλέουν απλώς ελεύθερα στο περιβάλλον τους, πρέπει να έχουν κάποια μέθοδο μετακίνησης στις τοποθεσίες-στόχους τους. Το σύστημα πρόωσης θα πρέπει να είναι ισχυρό και σταθερό, ικανό να ωθεί το νανορομπότ ενάντια σε ρεύματα στο περιβάλλον του, όπως η ροή του αίματος. Οι υπό διερεύνηση λύσεις πρόωσης συχνά εμπνέονται από τον φυσικό κόσμο, με τους ερευνητές να εξετάζουν πώς κινούνται μικροσκοπικοί οργανισμοί στο περιβάλλον τους. Για παράδειγμα, οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν συχνά μακριές ουρές που μοιάζουν με μαστίγιο που ονομάζονται μαστίγια για να προωθηθούν ή χρησιμοποιούν μια σειρά από μικροσκοπικά άκρα που μοιάζουν με τρίχες που ονομάζονται βλεφαρίδες.

Οι ερευνητές πειραματίζονται επίσης δίνοντας μικρά ρομπότ εξαρτήματα που μοιάζουν με βραχίονα που θα μπορούσε να επιτρέψει στο ρομπότ να κολυμπήσει, να πιάσει και να σέρνεται. Επί του παρόντος, αυτά τα εξαρτήματα ελέγχονται μέσω μαγνητικών πεδίων έξω από το σώμα, καθώς η μαγνητική δύναμη ωθεί τους βραχίονες του ρομπότ να δονηθούν. Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου μετακίνησης είναι ότι η ενέργεια για αυτήν προέρχεται από μια εξωτερική πηγή. Αυτή η τεχνολογία θα πρέπει να γίνει ακόμη μικρότερη για να είναι βιώσιμη για αληθινά νανορομπότ.

Υπάρχουν και άλλες, πιο εφευρετικές, στρατηγικές πρόωσης υπό διερεύνηση. Για παράδειγμα, ορισμένοι ερευνητές έχουν προτείνει τη χρήση πυκνωτών για την κατασκευή μιας ηλεκτρομαγνητικής αντλίας που θα έλκει τα αγώγιμα υγρά και θα τα εκτοξεύει. σαν τζετ, προωθώντας το νανορομπότ προς τα εμπρός.

Ανεξάρτητα από την τελική εφαρμογή των νανορομπότ, πρέπει να λύσουν τα προβλήματα που περιγράφηκαν παραπάνω, τον χειρισμό της πλοήγησης, της μετακίνησης και της ισχύος.

Σε τι χρησιμεύουν τα Nanobots;

Όπως αναφέρθηκε, οι πρώτες χρήσεις για νανορομπότ πιθανότατα θα είναι μέσα τον ιατρικό τομέα. Τα νανορομπότ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση τυχόν ζημιών στο σώμα και ενδεχομένως να διευκολύνουν ακόμη και την επιδιόρθωση αυτής της βλάβης. Τα μελλοντικά νανορομπότ θα μπορούσαν να μεταφέρουν φάρμακα απευθείας στα κύτταρα που τα χρειάζονται. Επί του παρόντος, τα φάρμακα χορηγούνται από το στόμα ή ενδοφλέβια και εξαπλώνονται σε όλο το σώμα αντί να χτυπούν μόνο τις περιοχές-στόχους, προκαλώντας παρενέργειες. Τα νανορομπότ εξοπλισμένα με αισθητήρες θα μπορούσαν εύκολα να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση αλλαγών σε περιοχές των κυψελών, αναφέροντας αλλαγές με το πρώτο σημάδι βλάβης ή δυσλειτουργίας.

Είμαστε ακόμη πολύ μακριά από αυτές τις υποθετικές εφαρμογές, αλλά σημειώνεται πρόοδος συνεχώς. Για παράδειγμα, το 2017 επιστήμονες δημιούργησε νανορομπότ που στόχευαν τα καρκινικά κύτταρα και τους επιτέθηκε με μικρογραφία τρυπάνι σκοτώνοντάς τους. Φέτος, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο ITMO σχεδίασε ένα νανορομπότ που αποτελείται από θραύσματα DNA, ικανό να καταστρέψει παθογόνους κλώνους RNA. Τα νανορομπότ που βασίζονται στο DNA είναι επίσης ικανά να μεταφέρουν μοριακό φορτίο. Το νανορομπότ αποτελείται από τρία διαφορετικά τμήματα DNA, που κάνουν ελιγμούς με ένα «πόδι» DNA και μεταφέρουν συγκεκριμένα μόρια με τη χρήση ενός «βραχίονα».

Πέρα από τις ιατρικές εφαρμογές, γίνεται έρευνα σχετικά με τη χρήση νανορομπότ για σκοπούς καθαρισμού και αποκατάστασης του περιβάλλοντος. Τα νανορομπότ θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για την αφαίρεση τοξικά βαρέα μέταλλα και πλαστικά από υδάτινα σώματα. Τα νανορομπότ θα μπορούσαν να μεταφέρουν ενώσεις που καθιστούν τις τοξικές ουσίες αδρανείς όταν συνδυάζονται μαζί ή θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την υποβάθμιση των πλαστικών απορριμμάτων μέσω παρόμοιων διεργασιών. Γίνεται επίσης έρευνα για τη χρήση νανορομπότ για τη διευκόλυνση της παραγωγής εξαιρετικά μικρών τσιπ και επεξεργαστών υπολογιστών, χρησιμοποιώντας ουσιαστικά νανορομπότ για την παραγωγή κυκλωμάτων υπολογιστών μικροκλίμακας.