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

Καθώς η τεχνολογία προχωρεί, τα πράγματα δεν γίνονται πάντα μεγαλύτερα και καλύτερα, τα αντικείμενα επίσης γίνονται μικρότερα. Πράγματι, 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 cậnτιμη 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 νανομέτρων σε κλίμακα. Ως εκ τούτου, η νανορομποτική εστιάζεται στη δημιουργία ρομπότ που είναι περίπου αυτού του μεγέθους. Στην πράξη, είναι δύσκολο να σχεδιαστεί κάτι τόσο μικρό όσο ένα νανομέτρο σε κλίμακα 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 đôifois σε συσκευές που αλληλεπιδρούν με αντικείμενα σε νανοκλίμακα, χειρίζοντας αντικείμενα σε νανοκλίμακα. Ως εκ τούτου, ακόμη και αν η συσκευή είναι πολύ μεγαλύτερη, μπορεί να θεωρηθεί ως νανορομποτικό όργανο. Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στα ίδια τα νανορομπότ.
Μέρος του πεδίου της νανορομποτικής και των nanobots είναι ακόμα στη θεωρητική φάση, με έρευνα που επικεντρώνεται στη λύση των προβλημάτων της κατασκευής σε τόσο μικρή κλίμακα. Ωστόσο, κάποια πρωτότυπα νανομηχανές και νανοκινητήρες έχουν σχεδιαστεί και δοκιμαστεί.
Οι περισσότερες υπάρχουσες νανορομποτικές συσκευές分 vào μία από τις τέσσερις κατηγορίες: διακόπτες, κινητήρες, σιδηροδρόμων 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 μετασχηματιστική αλλαγή. Το περιβάλλον αλλάζει με διαδικασίες όπως χημικές αντιδράσεις, υπεριώδες φως και θερμοκρασία, και οι νανορομποτικές διακόπτες μεταβαίνουν σε διαφορετικές μορφές ως αποτέλεσμα,能够 να επιτύχουν συγκεκριμένα καθήκοντα.
Οι νανοκινητήρες είναι πιο σύνθετοι από τους απλούς διακόπτες και χρησιμοποιούν την ενέργεια που δημιουργείται από τις επιπτώσεις της μετασχηματιστικής αλλαγής για να κινούνται και να επηρεάζουν τις молέκουλες στο περιβάλλον.
Οι σιδηροδρόμων είναι νανορομπότ που είναι ικανά να μεταφέρουν χημικά όπως φάρμακα σε συγκεκριμένες, στοχευμένες περιοχές. Ο στόχος είναι να συνδυαστούν οι σιδηροδρόμων με νανορομποτικούς κινητήρες ώστε οι σιδηροδρόμων να είναι ικανά για μεγαλύτερο βαθμό κίνησης μέσα σε ένα περιβάλλον.
Τα νανορομποτικά “αυτοκίνητα” είναι τα πιο προηγμένα νανοσυσκευές αυτή τη στιγμή,能够 να κινούνται ανεξάρτητα με ενεργοποίηση από χημικούς ή ηλεκτρομαγνητικούς καταλύτες. Οι νανοκινητήρες που οδηγούν τα νανορομποτικά αυτοκίνητα χρειάζονται 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 σύνθετα καθήκοντα, τα οποία επιτυγχάνονται από σμήνη νανορομπότ που εργάζονται μαζί.

Φωτογραφία: “Σύγκριση των μεγεθών των νανοϋλικών με αυτά άλλων κοινούν 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, νανοχειρισμός συσκευές χρησιμοποιούνται για να συναρμολογήσουν αυτά τα νανο-μέρη και να χειριστούν τεχνητά ή βιολογικά συστατικά, τα οποία περιλαμβάνουν τη χειριστήρηση κυττάρων και μορίων.
Οι μηχανικοί της νανορομποτικής πρέπει να είναι能够 να λύσουν πολλά προβλήματα. πρέπει να αντιμετωπίσουν ζητήματα σχετικά με την αίσθηση, τον έλεγχο της δύναμης, 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 του περιβάλλοντος/αποκατάσταση. Τα περισσότερα “nanobots” που υπάρχουν σήμερα είναι απλά συγκεκριμένες μόλες που έχουν χειριστεί για να επιτύχουν συγκεκριμένα καθήκοντα.
Σύνθετα nanobots είναι ουσιαστικά απλά απλές μόλες που ενώνονται και χειρίζονται με χημικές διαδικασίες. Για παράδειγμα, κάποια nanobots αποτελούνται από DNA, και μπορούν να μεταφέρουν μοριακό φορτίο.

Πώς Λειτουργούν τα Nanobots;

Δεδομένου του ακόμα θεωρητικού χαρακτήρα των nanobots, οι ερωτήσεις σχετικά με το πώς λειτουργούν τα nanobots απαντώνται με προβλέψεις παρά με δηλώσεις γεγονότων. Είναι πιθανό ότι οι πρώτες σημαντικές χρήσεις για τα nanobots θα είναι στο ιατρικό πεδίο, κινούμενα μέσα στο ανθρώπινο σώμα και επιτυγχάνοντας καθήκοντα όπως η διάγνωση ασθενειών, η παρακολούθηση των ζωτικών σημείων και η χορήγηση θεραπειών. Αυτά τα nanobots θα πρέπει να είναι能够 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 ερευνώνται από τους ερευνητές και τους μηχανικούς. 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 εντοπιστεί η 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 παρακολουθήσουν την θέση των nanobots, και πρώιμες πειραματικές με MRI έχουν δείξει ότι η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει και ακόμη και να χειριστεί τα nanobots. Άλλες μεθόδους ανίχνευσης και χειρισμού των nanobots περιλαμβάνουν τη χρήση ακτίνων-Χ, μικροκυμάτων και ραδιοκυμάτων. Αυτή τη στιγμή, ο έλεγχός μας αυτών των κυμάτων στη νανοκλίμακα είναι bastante περιορισμένος, ώστε νέες μεθόδους 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 κινηθούν τα nanobots. Με την προσθήκη αισθητήρων στο nanobot, τα ρομπότ θα μπορούσαν να είναι πιο αυτόνομα. Για παράδειγμα, χημικοί αισθητήρες που περιλαμβάνονται στο nanobot θα μπορούσαν να επιτρέψουν στο ρομπότ να σκανάρει το περιβάλλον και να ακολουθήσει συγκεκριμένα χημικά σημάδια σε μια στόχευση περιοχή.
Δύναμη
Όταν πρόκειται για την παροχή ενέργειας στα nanobots, υπάρχουν επίσης διάφορες λύσεις ενέργειας που ερευνώνται από τους ερευνητές. Λύσεις για την παροχή ενέργειας στα nanobots περιλαμβάνουν εξωτερικές πηγές ενέργειας και εσωτερικές/εσωτερικές πηγές ενέργειας.
Εσωτερικές λύσεις ενέργειας περιλαμβάνουν γεννήτριες και tụβες. Γεννήτριες στο nanobot θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τα ηλεκτρολύτες που βρίσκονται μέσα 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 tụβες λειτουργούν παρόμοια με τις μπαταρίες, αποθηκεύοντας ηλεκτρική ενέργεια που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να προωθήσει το nanobot. Άλλες επιλογές όπως μικρές πυρηνικές πηγές ενέργειας έχουν ακόμη και σκεφτεί.
Όσον αφορά τις εξωτερικές πηγές ενέργειας, εξαιρετικά μικρά, λεπτά καλώδια θα μπορούσαν να συνδέσουν τα nanobots με μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Τα καλώδια αυτά θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από μικροσκοπικά οπτικά καλώδια, στέλνοντας παλμούς φωτός κάτω 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 μπονους, το μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει την κατεύθυνση 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 πλωτά στο περιβάλλον, χρειάζονται κάποιο μέσο για να κινούνται στους 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 είναι εμπνευσμένες από τον φυσικό κόσμο, με τους ερευνητές να εξετάζουν πώς τα μικροσκοπικά οργανικά κινούνται μέσα στο περιβάλλον.
Οι ερευνητές πειραματίζονται επίσης με το να δώσουν στα ρομπότ μικρά βραχίονες που θα μπορούσαν να επιτρέψουν στο ρομπότ να κολυμπήσει, να πιάσει και να κινηθεί. Αυτή τη στιγμή, αυτοί οι βραχίονες ελέγχονται μέσω μαγνητικών πεδίων έξω από το σώμα, καθώς η μαγνητική δύναμη προκαλεί τους βραχίονες του ρομπότ να δονηθούν. Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου κίνησης 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 τα πραγματικά nanobots.
Υπάρχουν και άλλες, πιο εφευρετικές, στρατηγικές προώθησης που ερευνώνται. Για παράδειγμα, κάποιοι ερευνητές έχουν προτείνει τη χρήση tụβων για να κατασκευάσουν einen ηλεκτρομαγνητικό αντλία που θα έλκυε conductive υγρά και τα έβγαζε 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 παροχή ενέργειας.

Για Τι Χρησιμοποιούνται τα Nanobots;

Όπως αναφέρθηκε, οι πρώτες χρήσεις για τα nanobots θα είναι πιθανότατα στο ιατρικό πεδίο. Τα nanobots θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να παρακολουθήσουν για ζημίες στο σώμα και να διευκολύνουν ακόμη και την επισκευή αυτής της ζημίας. Τα μελλοντικά nanobots θα μπορούσαν να παραδώσουν φάρμακα απευθείας στα κύτταρα που τα χρειάζονται. Αυτή τη στιγμή, τα φάρμακα παραδίδονται στο στόμα ή ενδοφλεβίως και διασκορπίζονται σε όλο το σώμα αντί να χτυπούν μόνο τις στόχευσεις περιοχές, προκαλώντας παρενέργειες. Τα nanobots που είναι εξοπλισμένα με αισθητήρες θα μπορούσαν εύκολα να χρησιμοποιηθούν για να παρακολουθήσουν για αλλαγές σε περιοχές κυττάρων, αναφέροντας αλλαγές στην πρώτη σημάδια ζημίας ή δυσλειτουργίας.
Είμαστε ακόμα πολύ μακριά από αυτές τις υποθετικές εφαρμογές, αλλά η πρόοδος γίνεται συνεχώς. Για παράδειγμα, το 2017, οι επιστήμονες δημιούργησαν nanobots που στόχευαν σε καρκινικά κύτταρα και τους επιτέθηκαν με μια miniaturized τρυπάνι, σκοτώνοντας τους. Αυτή τη χρονιά, μια ομάδα ερευνητών από το ITMO University σχεδίασε ένα nanobot που αποτελούνταν από τμήματα DNA,能够 να καταστρέφει παθογόνους RNA ιχνούς. Τα DNA-μπασισμένα nanobots είναι επίσης αυτή τη στιγμή能够 να μεταφέρουν μοριακό φορτίο. Το nanobot είναι κατασκευασμένο από τρία διαφορετικά τμήματα DNA, χειριζόμενο με ένα “πόδι” DNA και μεταφέροντας συγκεκριμένες μόλες με τη χρήση eines “βραχίονα”.
Πέρα από τις ιατρικές εφαρμογές, η έρευνα γίνεται σχετικά με τη χρήση των nanobots για τους σκοπούς της περιβαλλοντικής καθαρισμού και αποκατάστασης. Τα nanobots θα μπορούσαν потенτικά να χρησιμοποιηθούν για να αφαιρέσουν τοξικά βαρέα μέταλλα και πλαστικά από σώματα νερού. Τα nanobots θα μπορούσαν να φέρουν ενώσεις που κάνουν τις τοξικές ουσίες ανενεργές όταν συνδυάζονται μαζί, ή θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποικοδομήσουν 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 τα nanobots για να παράγουν μικρο-κυκλώματα.