Τι είναι τα Nanobots; Κατανοώντας τη Δομή, τη Λειτουργία και τις Χρήσεις των Nanobots

Καθώς η τεχνολογία προχωρά, τα πράγματα δεν πάντα γίνονται μεγαλύτερα και καλύτερα, τα αντικείμενα επίσης γίνονται μικρότερα. Στην πραγματικότητα, η νανοτεχνολογία είναι ένας από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τεχνολογικούς τομείς, με αξία πάνω από 1 τρισεκατομμύριο δολάρια και προβλέπεται να αυξηθεί περίπου 17% τα επόμενα πέντε χρόνια. Τα nanobots είναι ένα σημαντικό μέρος του πεδίου της νανοτεχνολογίας, αλλά τι είναι ακριβώς και πώς λειτουργούν; Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα nanobots για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί αυτή η μετασχηματιστική τεχνολογία και για τι χρησιμοποιείται.

Τι είναι τα Nanobots;

Το πεδίο της νανοτεχνολογίας ασχολείται με την έρευνα και ανάπτυξη τεχνολογίας περίπου ενός έως 100 νανομετρίων σε μέγεθος. Συνεπώς, η νανορομποτική εστιάζει στη δημιουργία ρομπότ που είναι περίπου αυτού του μεγέθους. Στην πράξη, είναι δύσκολο να σχεδιαστεί κάτι τόσο μικρό όσο ένα νανομέτριο και ο όρος “νανορομποτική” και “nanobot” εφαρμόζεται συχνά σε συσκευές που είναι περίπου 0,1 – 10 μικρόμετρα σε μέγεθος, το οποίο είναι ακόμα khá μικρό.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο όρος “νανορομπότ” εφαρμόζεται μερικές φορές σε συσκευές που αλληλεπιδρούν με αντικείμενα σε νανοκλίμακα, χειριζόμενες νανοκλίμακες μονάδες. Συνεπώς, ακόμη και αν η συσκευή herself είναι πολύ μεγαλύτερη, μπορεί να θεωρηθεί ως νανορομποτικό όργανο. Αυτό το άρθρο θα εστιάσει στα νανομετρικά ρομπότ themselves.

Μέρος του πεδίου της νανορομποτικής και των nanobots είναι ακόμα στη θεωρητική φάση, με έρευνα που επικεντρώνεται στη λύση των προβλημάτων της κατασκευής σε τέτοιο μικρό μέγεθος. Ωστόσο, κάποια πρωτότυπα νανομηχανές και νανοκινητήρες έχουν σχεδιαστεί και δοκιμαστεί.

Οι περισσότερες υπάρχουσες νανορομποτικές συσκευές分 vào μια από τις τέσσερις κατηγορίες: διακόπτες, κινητήρες, μεταφορείς και αυτοκίνητα.

Οι νανορομποτικές διακόπτες λειτουργούν με την ενεργοποίηση από μια “απενεργοποιημένη” κατάσταση σε μια “ενεργοποιημένη” κατάσταση. Περιβαλλοντικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται για να κάνουν τη μηχανή να αλλάξει σχήμα, μια διαδικασία που ονομάζεται μεταβολή σχήματος. Το περιβάλλον αλλάζει με διαδικασίες όπως χημικές αντιδράσεις, υπεριώδης ακτινοβολία και θερμοκρασία, και οι νανορομποτικές διακόπτες μετατρέπονται σε διαφορετικές μορφές ως αποτέλεσμα,能够 να εκτελέσουν συγκεκριμένες εργασίες.

Οι νανοκινητήρες είναι πιο σύνθετοι από τους απλούς διακόπτες και χρησιμοποιούν την ενέργεια που δημιουργείται από τις επιπτώσεις της μεταβολής σχήματος για να κινούνται και να επηρεάζουν τις молέκουλες στο περιβάλλον.

Οι μεταφορείς είναι νανορομπότ που είναι ικανά να μεταφέρουν χημικά όπως φάρμακα σε συγκεκριμένες, στοχευμένες περιοχές. Ο στόχος είναι να συνδυαστούν οι μεταφορείς με νανορομποτικούς κινητήρες ώστε οι μεταφορείς να είναι ικανοί για μεγαλύτερο βαθμό κίνησης σε ένα περιβάλλον.

Τα νανορομποτικά “αυτοκίνητα” είναι τα πιο προηγμένα νανοσυσκευές αυτή τη στιγμή, ικανά να κινούνται ανεξάρτητα με ενεργοποίηση από χημικούς ή ηλεκτρομαγνητικούς καταλύτες. Οι νανοκινητήρες που οδηγούν τα νανορομποτικά αυτοκίνητα πρέπει να ελεγχθούν για να οδηγηθεί το όχημα, και οι ερευνητές πειραματίζονται με διάφορες μεθόδους ελέγχου των νανορομπότ.

Οι ερευνητές της νανορομποτικής στοχεύουν να συνθέσουν αυτά τα διαφορετικά συστατικά και τεχνολογίες σε νανομηχανές που μπορούν να ολοκληρώσουν σύνθετες εργασίες, που επιτυγχάνονται από σμήνη νανορομπότ που εργάζονται μαζί.

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

Πώς Δημιουργούνται τα Nanobots;

Το πεδίο της νανορομποτικής βρίσκεται στο σταυροδρόμι πολλών επιστημών και η δημιουργία των nanobots περιλαμβάνει τη δημιουργία αισθητήρων, ενεργοποιητών και κινητήρων. Φυσική μοντελοποίηση πρέπει να γίνει επίσης, και όλα αυτά πρέπει να γίνουν σε νανοκλίμακα. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, νανοχειρισμού συσκευές χρησιμοποιούνται για να συναρμολογήσουν αυτά τα νανομετρικά μέρη και να χειριστούν τεχνητά ή βιολογικά συστατικά, τα οποία περιλαμβάνουν τη χειρισμό κυττάρων και μορίων.

Οι μηχανικοί της νανορομποτικής πρέπει να μπορέσουν να λύσουν eine ποικιλία προβλημάτων. Πρέπει να αντιμετωπίσουν ζητήματα σχετικά με την αίσθηση, τον έλεγχο, την ενέργεια, τις επικοινωνίες και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ανόργανων και οργανικών υλικών.

Το μέγεθος ενός nanobot είναι περίπου συγκρίσιμο με τα βιολογικά κύτταρα, και λόγω αυτού του γεγονότος, τα μελλοντικά nanobots θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πεδία όπως η ιατρική και η προστασία/αποκατάσταση του περιβάλλοντος. Τα περισσότερα “nanobots” που υπάρχουν σήμερα είναι απλά συγκεκριμένες молέκουλες που έχουν χειριστεί για να επιτύχουν συγκεκριμένες εργασίες.

Σύνθετα nanobots είναι ουσιαστικά απλά απλά μόρια που έχουν συνδεθεί και χειριστεί με χημικές διαδικασίες. Για παράδειγμα, κάποια nanobots αποτελούνται από DNA, και μπορούν να μεταφέρουν μοριακό φορτίο.

Πώς Λειτουργούν τα Nanobots;

Λόγω της ακόμα θεωρητικής φύσης των nanobots, οι ερωτήσεις σχετικά με το πώς λειτουργούν τα nanobots απαντώνται με προβλέψεις αντί για δηλώσεις γεγονότων. Είναι πιθανό ότι οι πρώτες σημαντικές χρήσεις για τα nanobots θα είναι στην ιατρική, κινούμενα μέσα στο ανθρώπινο σώμα και επιτυγχάνοντας εργασίες όπως η διάγνωση ασθενειών, η παρακολούθηση των ζωτικών σημάτων και η χορήγηση θεραπειών. Αυτά τα nanobots θα πρέπει να μπορέσουν να πλοηγηθούν μέσα στο ανθρώπινο σώμα και να κινούνται μέσα σε ιστία όπως τα αιμοφόρα αγγεία.

Πλοήγηση

Όσον αφορά την πλοήγηση των nanobots, υπάρχουν διάφορες τεχνικές που ερευνούν οι ερευνητές και οι μηχανικοί. Μια μέθοδος πλοήγησης είναι η χρήση υπερηχητικών σημάτων για ανίχνευση και ανάπτυξη. Ένα nanobot θα μπορούσε να εκπέμψει υπερηχητικά σήματα που θα μπορούσαν να ανιχνευτούν για να εντοπίσουν τη θέση των nanobots, και τα ρομπότ θα μπορούσαν τότε να οδηγηθούν σε συγκεκριμένες περιοχές με τη χρήση eines ειδικού εργαλείου που κατευθύνει την κίνησή τους. Οι συσκευές Magnetic Resonance Imaging (MRI) θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να ανιχνεύσουν τη θέση των nanobots, και πρώιμα πειράματα με MRI έχουν δείξει ότι η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει και ακόμη και να χειριστεί nanobots. Άλλες μέθοδοι ανίχνευσης και χειρισμού nanobots περιλαμβάνουν τη χρήση ακτίνων Χ, μικροκυμάτων και ραδιοκυμάτων. Αυτή τη στιγμή, ο έλεγχός μας πάνω σε αυτά τα κύματα στη νανοκλίμακα είναι αρκετά περιορισμένος, οπότε νέες μέθοδοι χρήσης αυτών των κυμάτων θα πρέπει να εφευρεθούν.

Τα συστήματα πλοήγησης και ανίχνευσης που περιγράφηκαν παραπάνω είναι εξωτερικές μεθόδους, βασισμένες στη χρήση εργαλείων για να κινούν τα nanobots. Με την προσθήκη ενσωματωμένων αισθητήρων, τα nanobots θα μπορούσαν να είναι πιο αυτόνομα. Για παράδειγμα, χημικοί αισθητήρες ενσωματωμένοι στα nanobots θα μπορούσαν να επιτρέψουν στο ρομπότ να σκανάρει το περιβάλλον και να ακολουθήσει συγκεκριμένες χημικές σημαίες σε μια στόχευση.

Ενέργεια

Όταν πρόκειται για την ενέργεια των nanobots, υπάρχουν επίσης διάφορες λύσεις ενέργειας που ερευνώνται από τους ερευνητές. Λύσεις για την ενέργεια των nanobots περιλαμβάνουν εξωτερικές πηγές ενέργειας και εσωτερικές/ενσωματωμένες πηγές ενέργειας.

Εσωτερικές λύσεις ενέργειας περιλαμβάνουν γεννήτριες και tụτες. Γεννήτριες ενσωματωμένες στα nanobots θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τα ηλεκτρολύτες που βρίσκονται στο αίμα για να παράγουν ενέργεια, ή τα nanobots θα μπορούσαν ακόμη και να τροφοδοτηθούν χρησιμοποιώντας το περιβάλλον αίμα ως χημικό καταλύτη που παράγει ενέργεια όταν συνδυάζεται με μια χημική ουσία που φέρει το nanobot. Οι tụτες λειτουργούν παρόμοια με τις μπαταρίες, αποθηκεύοντας ηλεκτρική ενέργεια που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να προωθήσει το nanobot. Άλλες επιλογές όπως μικροί πυρηνικοί σταθμοί ενέργειας έχουν ακόμη θεωρηθεί.

Όσον αφορά τις εξωτερικές πηγές ενέργειας, εξαιρετικά μικρά, λεπτά καλώδια θα μπορούσαν να συνδέσουν τα nanobots με μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Τέτοια καλώδια θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από μικροσκοπικά ινικά καλώδια, στέλνοντας παλμούς φωτός μέσα από τα καλώδια και έχοντας την πραγματική ηλεκτρική ενέργεια να παράγεται μέσα στο nanobot.

Άλλες εξωτερικές λύσεις ενέργειας περιλαμβάνουν μαγνητικά πεδία ή υπερηχητικά σήματα. Τα nanobots θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν κάτι που ονομάζεται πιεζοηλεκτρική μεμβράνη, η οποία είναι ικανή να συλλέγει υπερηχητικά κύματα και να τα μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να καταλύσουν ηλεκτρικούς ρεύματα μέσα σε einem κλειστό αγωγό που περιέχεται στο nanobot. Ως μπόνους, το μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει τη διεύθυνση του nanobot.

Κίνηση

Η αντιμετώπιση του προβλήματος κίνησης των nanobots απαιτεί κάποιες εφευρετικές λύσεις. Τα nanobots που δεν είναι συνδεδεμένα ή δεν είναι απλά ελεύθερα να πλωρούν στο περιβάλλον τους χρειάζονται κάποιο μέσο για να κινούνται προς τις στόχους τους. Το σύστημα προώθησης θα πρέπει να είναι ισχυρό και σταθερό,能够 να προωθήσει το nanobot ενάντια στις ροές στο περιβάλλον, όπως η ροή του αίματος. Λύσεις προώθησης που ερευνώνται συχνά εμπνέονται από τον φυσικό κόσμο, με τους ερευνητές να εξετάζουν πώς κινούνται τα μικροσκοπικά οργανικά μέσα στο περιβάλλον τους. Για παράδειγμα, τα μικροοργανικά συχνά χρησιμοποιούν μακρές, φλαγελλοειδείς ουρές που ονομάζονται flagella για να προωθήσουν τον εαυτό τους, ή χρησιμοποιούν μια σειρά από μικρά, τριχωματώδη άκρα που ονομάζονται cilia.

Οι ερευνητές πειραματίζονται επίσης με τη δωρεά μικρών βραχιόνων σε ρομπότ που θα μπορούσαν να επιτρέψουν στο ρομπότ να κολυμπήσει, να πιάσει και να σκαρφαλώσει. Αυτή τη στιγμή, αυτά τα βραχίονες ελέγχονται μέσω μαγνητικών πεδίων έξω από το σώμα, καθώς η μαγνητική δύναμη προκαλεί τα βραχίονες του ρομπότ να δονηθούν. Ένας πρόσθετος όφελος σε αυτή τη μέθοδο κίνησης είναι ότι η ενέργεια για αυτήν προέρχεται από μια εξωτερική πηγή. Αυτή η τεχνολογία θα πρέπει να γίνει ακόμη μικρότερη για να γίνει βιώσιμη για πραγματικά nanobots.

Υπάρχουν και άλλες, πιο εφευρετικές, στρατηγικές προώθησης που ερευνώνται. Για παράδειγμα, κάποιοι ερευνητές έχουν προτείνει τη χρήση tụτων για να σχεδιάσουν einen ηλεκτρομαγνητικό αντλία που θα μπορούσε να τραβήξει αγώγιμα υγρά και να τα εκτοξεύσει σαν ένα τζετ, προωθώντας το nanobot προς τα εμπρός.

Ανεξάρτητα από την τελική εφαρμογή των nanobots, πρέπει να λύσουν τα προβλήματα που περιγράφηκαν παραπάνω, αντιμετωπίζοντας την πλοήγηση, την κίνηση και την ενέργεια.

Για Τι Χρησιμοποιούνται τα Nanobots;

Όπως αναφέρθηκε, οι πρώτες χρήσεις για τα nanobots θα είναι πιθανότατα στην ιατρική. Τα nanobots θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να παρακολουθήσουν για ζημιά στο σώμα και να διορθώσουν αυτή τη ζημιά. Τα μελλοντικά nanobots θα μπορούσαν να παραδώσουν φάρμακα απευθείας στα κύτταρα που τα χρειάζονται. Αυτή τη στιγμή, τα φάρμακα παραδόνονται από το στόμα ή ενδοφλεβίως και διαδίδονται σε όλο το σώμα αντί να στοχεύουν συγκεκριμένες περιοχές, προκαλώντας παρενέργειες. Τα nanobots εξοπλισμένα με αισθητήρες θα μπορούσαν εύκολα να χρησιμοποιηθούν για να παρακολουθήσουν για αλλαγές σε περιοχές κυττάρων, αναφέροντας αλλαγές στην πρώτη εμφάνιση ζημιάς ή δυσλειτουργίας.

Είμαστε ακόμα μακριά από αυτές τις υποθετικές εφαρμογές, αλλά η πρόοδος γίνεται συνεχώς. Για παράδειγμα, το 2017, οι επιστήμονες δημιούργησαν nanobots που στοχεύουν σε καρκινικά κύτταρα και τους επιτέθηκαν με einen miniaturized τρυπάνι, σκοτώνοντάς τους. Αυτή τη χρονιά, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο ITMO σχεδίασε ένα nanobot αποτελούμενο από θραύσματα DNA, ικανό να καταστρέφει παθογόνους RNA ιούς. Τα DNA-βασισμένα nanobots είναι επίσης αυτή τη στιγμή ικανά να μεταφέρουν μοριακό φορτίο, το nanobot είναι κατασκευασμένο από τρία διαφορετικά τμήματα DNA, χειριζόμενο με ένα DNA “πόδι” και μεταφέροντας συγκεκριμένες молέκουλες με τη χρήση ενός “βραχίονα”.

Πέρα από τις ιατρικές εφαρμογές, η έρευνα γίνεται σχετικά με τη χρήση των nanobots για την περιβαλλοντική καθαρισμό και αποκατάσταση. Τα nanobots θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αφαιρέσουν τοξικά βαρέα μέταλλα και πλαστικά από υδάτινες μάζες. Τα nanobots θα μπορούσαν να μεταφέρουν ενώσεις που κάνουν τις τοξικές ουσίες ανενεργές όταν συνδυάζονται, ή θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποσυνθέσουν τα πλαστικά απόβλητα μέσω παρόμοιων διαδικασιών. Η έρευνα γίνεται επίσης σχετικά με τη χρήση των nanobots για να διευκολύνουν την παραγωγή εξαιρετικά μικρών υπολογιστικών chip και επεξεργαστών, χρησιμοποιώντας ουσιαστικά nanobots για να παράγουν μικροκλίμακες υπολογιστικές κυκλώματα.