¿Qué son los nanobots? Comprender la estructura, el funcionamiento y los usos de los nanobots

A medida que avanza la tecnología, las cosas no siempre se vuelven más grandes y mejores, los objetos también se vuelven más pequeños. De hecho, la nanotecnología es uno de los campos tecnológicos de más rápido crecimiento, con un valor de más de 1 billón de dólares, y se prevé que crezca aproximadamente un 17 % durante la próxima media década. Nanobots son una parte importante del campo de la nanotecnología, pero ¿qué son exactamente y cómo funcionan? Echemos un vistazo más de cerca a los nanobots para comprender cómo funciona esta tecnología transformadora y para qué se utiliza.

¿Qué son los nanobots?

El campo de la nanotecnología se ocupa de la investigación y el desarrollo de tecnología de aproximadamente uno a 100 nanómetros en escala. Por lo tanto, la nanorobótica se centra en la creación de robots de este tamaño. En la práctica, es difícil diseñar algo tan pequeño como un nanómetro en escala y el término "nanorobótica" y "nanobot" se utiliza con frecuencia. aplicada a dispositivos que tienen un tamaño aproximado de 0.1 a 10 micrómetros, que todavía es bastante pequeño.

Es importante tener en cuenta que el término "nanorobot" a veces se aplica a dispositivos que interactúan con objetos a nanoescala, manipulando elementos a nanoescala. Por lo tanto, incluso si el dispositivo en sí es mucho más grande, puede considerarse un instrumento nanorobótico. Este artículo se centrará en los propios robots a nanoescala.

Gran parte del campo de la nanorobótica y los nanobots aún se encuentra en la fase teórica, con investigaciones centradas en resolver los problemas de construcción a una escala tan pequeña. Sin embargo, se han diseñado y probado algunos prototipos de nanomáquinas y nanomotores.

La mayoría de los dispositivos nanorobóticos existentes en la actualidad caen en una de cuatro categorías: interruptores, motores, lanzaderas y automóviles.

Los interruptores nanorobóticos funcionan cuando se les pide que cambien de un estado "apagado" a un estado "encendido". Los factores ambientales se utilizan para hacer que la máquina cambie de forma, un proceso llamado cambio conformacional. El entorno se altera mediante procesos como reacciones químicas, luz ultravioleta y temperatura, y los interruptores nanorobóticos cambian a diferentes formas como resultado, capaces de realizar tareas específicas.

Los nanomotores son más complejos que los simples interruptores y utilizan la energía creada por los efectos del cambio conformacional para moverse y afectar a las moléculas del entorno circundante.

Los transbordadores son nanorobots que son capaces de transportar productos químicos como medicamentos a regiones específicas y específicas. El objetivo es combinar transbordadores con motores de nanorobots para que los transbordadores sean capaces de un mayor grado de movimiento a través de un entorno.

Los "coches" nanorobóticos son los nanodispositivos más avanzados en este momento, capaces de moverse de forma independiente con indicaciones de catalizadores químicos o electromagnéticos. Los nanomotores que impulsan los automóviles nanorobóticos deben controlarse para poder dirigir el vehículo, y los investigadores están experimentando con varios métodos de control nanorobótico.

Los investigadores de nanorobótica tienen como objetivo sintetizar estos diferentes componentes y tecnologías en nanomáquinas que puedan completar tareas complejas, realizadas por enjambres de nanobots que trabajan juntos.

Foto: Foto: ” Comparación de los tamaños de los nanomateriales con los de otros materiales comunes.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

¿Cómo se crean los nanobots?

El campo de la nanorobótica se encuentra en la encrucijada de muchas disciplinas y la creación de nanobots implica la creación de sensores, actuadores y motores. El modelado físico también debe hacerse, y todo esto debe hacerse a nanoescala. Como se mencionó anteriormente, los dispositivos de nanomanipulación se utilizan para ensamblar estas piezas a nanoescala y manipular componentes artificiales o biológicos, lo que incluye la manipulación de células y moléculas.

Los ingenieros en nanorobótica deben ser capaces de resolver multitud de problemas. Deben abordar cuestiones relacionadas con la sensación, el poder de control, las comunicaciones y las interacciones entre materiales inorgánicos y orgánicos.

El tamaño de un nanobot es más o menos comparable al de las células biológicas, y debido a este hecho, los futuros nanobots podrían emplearse en disciplinas como la medicina y la preservación/remediación ambiental. La mayoría de los "nanobots" que existen hoy en día son solo moléculas específicas que han sido manipuladas para realizar ciertas tareas. 

Los nanobots complejos son esencialmente moléculas simples unidas y manipuladas con procesos químicos. Por ejemplo, algunos nanobots son compuesto de ADN, y ellos transporte de carga molecular.

¿Cómo funcionan los nanobots?

Dada la naturaleza aún fuertemente teórica de los nanobots, las preguntas sobre cómo funcionan los nanobots se responden con predicciones en lugar de afirmaciones de hechos. Es probable que los primeros usos importantes de los nanobots sean en el campo de la medicina, moviéndose a través del cuerpo humano y realizando tareas como el diagnóstico de enfermedades, el control de signos vitales y la dispensación de tratamientos. Estos nanobots necesitarán poder moverse por el cuerpo humano y moverse a través de tejidos como los vasos sanguíneos.

Navegación

En términos de navegación de nanobots, hay una variedad de técnicas que los investigadores e ingenieros de nanobots están investigando. Un método de navegación es la utilización de señales ultrasónicas para detección y despliegue. Un nanobot podría emitir señales ultrasónicas que podrían rastrearse para ubicar la posición de los nanobots, y luego los robots podrían guiarse a áreas específicas con el uso de una herramienta especial que dirige su movimiento. Los dispositivos de imágenes por resonancia magnética (IRM) también podrían emplearse para rastrear la posición de los nanobots, y primeros experimentos con resonancias magnéticas han demostrado que la tecnología se puede utilizar para detectar e incluso maniobrar nanobots. Otros métodos para detectar y maniobrar nanobots incluyen el uso de rayos X, microondas y ondas de radio. Por el momento, nuestro control de estas ondas a escala nanométrica es bastante limitado, por lo que habría que inventar nuevos métodos para utilizar estas ondas.

Los sistemas de navegación y detección descritos anteriormente son métodos externos que se basan en el uso de herramientas para mover los nanobots. Con la adición de sensores a bordo, los nanobots podrían ser más autónomos. Por ejemplo, los sensores químicos incluidos a bordo de los nanobots podrían permitir que el robot escanee el entorno circundante y siga ciertos marcadores químicos hasta una región objetivo.

Motor

Cuando se trata de alimentar a los nanobots, también hay una variedad de soluciones de energía que están siendo exploradas por los investigadores. Las soluciones para alimentar nanobots incluyen fuentes de alimentación externas y fuentes de alimentación integradas/internas.

Las soluciones de energía interna incluyen generadores y condensadores. Los generadores a bordo del nanobot podrían usar los electrolitos que se encuentran dentro de la sangre para producir energía, o los nanobots podrían incluso funcionar usando la sangre circundante como un catalizador químico que produce energía cuando se combina con un químico que el nanobot lleva consigo. Los condensadores funcionan de manera similar a las baterías, almacenando energía eléctrica que podría usarse para impulsar el nanobot. Incluso se han considerado otras opciones, como pequeñas fuentes de energía nuclear.

En cuanto a las fuentes de energía externas, cables increíblemente pequeños y delgados podrían atar los nanobots a una fuente de energía externa. Dichos cables podrían estar hechos de cables de fibra óptica en miniatura, enviando pulsos de luz a través de los cables y haciendo que la electricidad real se genere dentro del nanobot.

Otras soluciones de energía externa incluyen campos magnéticos o señales ultrasónicas. Los nanobots podrían emplear algo llamado membrana piezoeléctrica, que es capaz de recolectar ondas ultrasónicas y transformarlas en energía eléctrica. Los campos magnéticos se pueden utilizar para catalizar corrientes eléctricas dentro de un bucle conductor cerrado contenido a bordo del nanobot. Como beneficio adicional, el campo magnético también podría usarse para controlar la dirección del nanobot.

Locomoción

Abordar el problema de locomoción de nanobots requiere algunas soluciones inventivas. Los nanobots que no están atados, o que simplemente no flotan libremente en su entorno, necesitan algún método para moverse a sus ubicaciones de destino. El sistema de propulsión deberá ser potente y estable, capaz de impulsar al nanobot contra las corrientes de su entorno, como el flujo de la sangre. Las soluciones de propulsión que se están investigando a menudo se inspiran en el mundo natural, y los investigadores observan cómo los organismos microscópicos se mueven a través de su entorno. Por ejemplo, los microorganismos a menudo usan colas largas en forma de látigo llamadas flagelos para impulsarse, o usan una serie de diminutas extremidades parecidas a pelos llamadas cilios.

Los investigadores también están experimentando con dar a los robots pequeños apéndices en forma de brazo que podría permitir que el robot nade, agarre y gatee. Actualmente, estos apéndices se controlan a través de campos magnéticos fuera del cuerpo, ya que la fuerza magnética hace que los brazos del robot vibren. Un beneficio adicional de este método de locomoción es que la energía proviene de una fuente externa. Esta tecnología tendría que hacerse aún más pequeña para que sea viable para los verdaderos nanobots.

También se están investigando otras estrategias de propulsión más ingeniosas. Por ejemplo, algunos investigadores han propuesto el uso de condensadores para diseñar una bomba electromagnética que atraería fluidos conductores y los expulsaría. como un jet, impulsando al nanobot hacia adelante.

Independientemente de la eventual aplicación de los nanobots, estos deben resolver los problemas descritos anteriormente, manejando la navegación, la locomoción y el poder.

¿Para qué se utilizan los nanobots?

Como se mencionó, los primeros usos de los nanobots probablemente estará en el campo medico. Los nanobots podrían usarse para monitorear daños en el cuerpo y, potencialmente, incluso facilitar la reparación de este daño. Los futuros nanobots podrían administrar medicamentos directamente a las células que los necesitan. Actualmente, los medicamentos se administran por vía oral o intravenosa y se propagan por todo el cuerpo en lugar de afectar solo las regiones objetivo, lo que provoca efectos secundarios. Los nanobots equipados con sensores podrían usarse fácilmente para monitorear cambios en regiones de las células, informando cambios a la primera señal de daño o mal funcionamiento.

Todavía estamos muy lejos de estas aplicaciones hipotéticas, pero se avanza todo el tiempo. Como ejemplo, en 2017 los científicos creó nanobots que apuntaban a las células cancerosas y los atacó con un taladro miniaturizado, matándolos. Este año, un grupo de investigadores de la Universidad ITMO diseñó un nanobot compuesto por fragmentos de ADN, capaz de destruir cadenas de ARN patógenas. Los nanobots basados ​​en ADN también son actualmente capaces de transportar carga molecular. El nanobot está hecho de tres secciones diferentes de ADN, maniobra con una "pata" de ADN y transporta moléculas específicas con el uso de un "brazo".

Más allá de las aplicaciones médicas, se están realizando investigaciones sobre el uso de nanobots con fines de limpieza y remediación ambiental. Los nanobots podrían usarse potencialmente para eliminar metales pesados ​​tóxicos y plástica de cuerpos de agua. Los nanobots podrían transportar compuestos que vuelven inertes las sustancias tóxicas cuando se combinan, o podrían usarse para degradar desechos plásticos a través de procesos similares. También se están realizando investigaciones sobre el uso de nanobots para facilitar la producción de chips y procesadores de computadora extremadamente pequeños, esencialmente utilizando nanobots para producir circuitos de computadora a microescala.