Mis on nanobotid? Nanoboti struktuuri, toimimise ja kasutuste mõistmine

Tehnika arenedes ei muutu asjad alati suuremaks ja paremaks, vaid ka objektid muutuvad väiksemaks. Tegelikult on nanotehnoloogia üks kiiremini kasvavaid tehnoloogiavaldkondi, mille väärtus on üle 1 triljoni USA dollari, ja prognooside kohaselt kasvab see järgmise poole kümnendi jooksul ligikaudu 17%. Nanobotid on suur osa nanotehnoloogia valdkonnast, kuid mis need täpselt on ja kuidas need toimivad? Vaatame nanoboteid lähemalt, et mõista, kuidas see transformatiivne tehnoloogia töötab ja milleks seda kasutatakse.

Mis on nanobotid?

Nanotehnoloogia valdkond on seotud umbes ühe kuni 100 nanomeetrise mastaabiga tehnoloogia uurimis- ja arendustegevusega. Seetõttu on nanorobootika keskendunud umbes sellise suurusega robotite loomisele. Praktikas on keeruline konstrueerida midagi nii väikest kui ühe nanomeetri skaala ning terminid "nanorobootika" ja "nanobot" on sageli rakendatud seadmetele, mille suurus on umbes 0.1–10 mikromeetrit, mis on siiski üsna väike.

Oluline on märkida, et terminit "nanorobot" kasutatakse mõnikord seadmete kohta, mis suhtlevad nanomõõtmeliste objektidega, manipuleerides nanomõõtmeliste üksustega. Seega, isegi kui seade ise on palju suurem, võib seda pidada nanorobootiliseks instrumendiks. See artikkel keskendub nanomõõtmelistele robotitele endile.

Suur osa nanorobootika ja nanorobotite valdkonnast on alles teoreetilises faasis, uurimistöö keskendub ehitusprobleemide lahendamisele nii väikeses mastaabis. Mõned nanomasinate ja nanomootorite prototüübid on siiski kavandatud ja testitud.

Enamik praegu olemasolevaid nanorobootilisi seadmeid kuulub üks neljast kategooriast: lülitid, mootorid, süstikud ja autod.

Nanorobootilised lülitid töötavad nii, et neil palutakse lülituda „väljas“ olekust „sees“ olekusse. Masina kuju muutmiseks kasutatakse keskkonnategureid, seda protsessi nimetatakse konformatsiooniliseks muutuseks. Keskkonda muudetakse selliste protsesside abil nagu keemilised reaktsioonid, UV-valgus ja temperatuur ning nanorobootilised lülitid nihkuvad selle tulemusena erinevatesse vormidesse, mis suudavad täita konkreetseid ülesandeid.

Nanomootorid on keerukamad kui lihtsad lülitid ja kasutavad konformatsioonimuutuste mõjul tekkivat energiat, et liikuda ja mõjutada ümbritsevas keskkonnas olevaid molekule.

Süstikud on nanorobotid, mis on võimelised transportima kemikaale, näiteks ravimeid, konkreetsetesse sihtpiirkondadesse. Eesmärk on ühendada süstikud nanorobotimootoritega, et süstikud suudaksid keskkonnas suuremal määral liikuda.

Nanorobootilised "autod" on hetkel kõige arenenumad nanoseadmed, mis on võimelised iseseisvalt liikuma keemiliste või elektromagnetiliste katalüsaatorite käsul. Nanorobootilisi autosid juhtivaid nanomootoreid tuleb sõiduki juhtimiseks juhtida ning teadlased katsetavad erinevaid nanorobootilisi juhtimismeetodeid.

Nanorobootika teadlaste eesmärk on sünteesida need erinevad komponendid ja tehnoloogiad nanomasinateks, mis suudavad täita keerulisi ülesandeid, mida saavutavad nanobotite sülemid, mis töötavad koos.

Foto: Foto: ”Nanomaterjalide suuruste võrdlus teiste levinud materjalide omadega.” Sureshup või Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Kuidas nanoboteid luuakse?

Nanorobootika valdkond on paljude teadusharude ristumiskohas ja nanobotite loomine hõlmab andurite, täiturmehhanismide ja mootorite loomist. Füüsilist modelleerimist tuleb samuti teha ja seda kõike nanomõõtmetes. Nagu eespool mainitud, kasutatakse nanomanipulatsiooniseadmeid nende nanomõõtmeliste osade kokkupanemiseks ja kunstlike või bioloogiliste komponentidega manipuleerimiseks, mis hõlmab rakkude ja molekulidega manipuleerimist.

Nanorobootika insenerid peavad suutma lahendada paljusid probleeme. Nad peavad tegelema probleemidega, mis on seotud aistingu, kontrollivõimsuse, kommunikatsiooni ja nii anorgaaniliste kui ka orgaaniliste materjalide vaheliste interaktsioonidega.

Nanobotite suurus on ligikaudu võrreldav bioloogiliste rakkudega ja seetõttu saaks tulevasi nanoboteid kasutada sellistes valdkondades nagu meditsiin ja keskkonna säilitamine/tervendamine. Enamik tänapäeval eksisteerivaid "nanoboteid" on lihtsalt spetsiifilised molekulid, mida on teatud ülesannete täitmiseks manipuleeritud. 

Komplekssed nanobotid on sisuliselt lihtsalt lihtsad molekulid, mis on omavahel ühendatud ja mida manipuleeritakse keemiliste protsessidega. Näiteks mõned nanobotid on koosneb DNA-st, ja nemad transportida molekulaarset lasti.

Kuidas nanobotid töötavad?

Arvestades nanobotite endiselt tugevalt teoreetilist olemust, vastatakse küsimustele, kuidas nanobotid toimivad, pigem ennustuste kui faktiväidetega. On tõenäoline, et nanobotite esimesed suuremad kasutusalad on meditsiinivaldkonnas, liikudes läbi inimkeha ja täites selliseid ülesandeid nagu haiguste diagnoosimine, elutähtsate asjade jälgimine ja ravi väljastamine. Need nanobotid peavad suutma inimkehas ringi liikuda ja kudedes nagu veresooned liikuda.

NAVIGATSIOON

Nanobotite navigeerimise osas on nanobotite uurijad ja insenerid uurimas mitmesuguseid tehnikaid. Üks navigeerimismeetodeid on ultrahelisignaalide kasutamine tuvastamiseks ja kasutuselevõtuks. Nanobot võib kiirata ultraheli signaale, mida saab jälgida, et määrata kindlaks nanobotite asukoht, ja seejärel saaks roboteid suunata konkreetsetesse piirkondadesse, kasutades spetsiaalset tööriista, mis suunab nende liikumist. Magnetresonantstomograafia (MRI) seadmeid saab kasutada ka nanobotide asukoha jälgimiseks ja varased katsed MRI-ga on näidanud, et seda tehnoloogiat saab kasutada nanobotite tuvastamiseks ja isegi manööverdamiseks. Muud nanobotite tuvastamise ja manööverdamise meetodid hõlmavad röntgenikiirguse, mikrolainete ja raadiolainete kasutamist. Praegu on meie kontroll nende lainete üle nanoskaalal üsna piiratud, seega tuleks leiutada uued meetodid nende lainete kasutamiseks.

Ülalkirjeldatud navigeerimis- ja tuvastussüsteemid on välised meetodid, mis põhinevad nanobotite liigutamiseks tööriistade kasutamisel. Sisseehitatud andurite lisamisega võivad nanobotid olla autonoomsemad. Näiteks võivad nanobotite pardal olevad keemilised andurid võimaldada robotil skaneerida ümbritsevat keskkonda ja jälgida teatud keemilisi markereid sihtpiirkonda.

võim

Nanobotite toiteks on ka mitmesuguseid elektrilahendusi uurivad teadlased. Nanobotite toitelahendused hõlmavad väliseid toiteallikaid ja pardal olevaid/sisemisi toiteallikaid.

Sisemised toitelahendused hõlmavad generaatoreid ja kondensaatoreid. Nanoboti pardal olevad generaatorid saaksid energia tootmiseks kasutada veres leiduvaid elektrolüüte või nanoboteid saaks isegi toita, kasutades ümbritsevat verd keemilise katalüsaatorina, mis toodab energiat kombineerituna nanobotiga kaasas oleva kemikaaliga. Kondensaatorid töötavad sarnaselt patareidega, salvestades elektrienergiat, mida saaks kasutada nanoboti edasiliikumiseks. Kaalutud on isegi muid võimalusi, nagu pisikesed tuumaenergiaallikad.

Mis puutub välistesse toiteallikatesse, siis uskumatult väikesed õhukesed juhtmed võivad nanobotid välise toiteallika külge siduda. Sellised juhtmed võiks olla valmistatud miniatuursetest fiiberoptilistest kaablitest, mis saadavad mööda juhtmeid valgusimpulsse ja tekitades tegeliku elektrienergia nanobotis.

Muud välised toitelahendused hõlmavad magnetvälju või ultraheli signaale. Nanobotid võiksid kasutada midagi, mida nimetatakse piesoelektriliseks membraaniks, mis on võimeline koguma ultrahelilaineid ja muutma need elektrienergiaks. Magnetvälju saab kasutada elektrivoolu katalüüsimiseks nanoboti pardal asuvas suletud juhtivas ahelas. Boonusena sai magnetvälja kasutada ka nanoboti suuna juhtimiseks.

Liikumine

Probleemi käsitlemine nanobotite liikumine nõuab mõningaid leidlikke lahendusi. Nanobotidel, mis pole lõastatud või mis ei hõlju oma keskkonnas lihtsalt vabalt, peab olema mingi meetod sihtkohtadesse liikumiseks. Tõukejõusüsteem peab olema võimas ja stabiilne, suutma nanobotit edasi lükata ümbritseva keskkonna voolude vastu, nagu verevool. Uuritavad tõukejõulahendused on sageli inspireeritud loodusmaailmast ning teadlased uurivad, kuidas mikroskoobi organismid oma keskkonnas liiguvad. Näiteks kasutavad mikroorganismid enda edasiliikumiseks sageli pikki piitsataolisi sabasid, mida nimetatakse flagellaks, või kasutavad nad mitmeid pisikesi karvasarnaseid jäsemeid, mida nimetatakse ripsmeteks.

Teadlased katsetavad ka robotitele väikeste andmist käetaolised lisandid mis võimaldaks robotil ujuda, haarata ja roomata. Praegu juhitakse neid lisandeid kehaväliste magnetväljade kaudu, kuna magnetjõud sunnib roboti käsi vibreerima. Selle liikumismeetodi täiendav eelis on see, et energia pärineb välisest allikast. Seda tehnoloogiat tuleks muuta veelgi väiksemaks, et muuta see tõeliste nanobotite jaoks elujõuliseks.

Uurimisel on ka teisi, leidlikumaid tõukejõu strateegiaid. Näiteks on mõned teadlased teinud ettepaneku kasutada kondensaatoreid, et luua elektromagnetiline pump, mis tõmbaks sisse juhtivaid vedelikke ja tulistaks selle välja. nagu reaktiivlennuk, lükates nanobot edasi.

Olenemata nanobotite võimalikust rakendamisest peavad nad lahendama ülalkirjeldatud probleemid, mis puudutavad navigatsiooni, liikumist ja võimsust.

Milleks nanoboteid kasutatakse?

Nagu mainitud, esimesed kasutusalad nanobotite jaoks saab tõenäoliselt sisse meditsiini valdkond. Nanoboteid saab kasutada kehakahjustuste jälgimiseks ja potentsiaalselt isegi selle kahjustuse parandamise hõlbustamiseks. Tulevased nanobotid võivad toimetada ravimeid otse rakkudesse, mis neid vajavad. Praegu manustatakse ravimeid suukaudselt või intravenoosselt ning need levivad kogu kehas, mitte ei tabanud sihtpiirkondi, põhjustades kõrvaltoimeid. Anduritega varustatud nanoboteid saab hõlpsasti kasutada rakkude piirkondade muutuste jälgimiseks, teavitades muutustest esimeste kahjustuste või rikete ilmnemisel.

Oleme nendest hüpoteetilistest rakendustest veel kaugel, kuid edusamme tehakse kogu aeg. Näiteks 2017. aastal teadlased lõi nanobotid, mis olid suunatud vähirakkudele ja ründas neid minitrelliga, tappes nad. Sel aastal kavandas ITMO ülikooli teadlaste rühm DNA fragmentidest koosneva nanoboti, on võimeline hävitama patogeenseid RNA ahelaid. DNA-põhised nanobotid on praegu võimelised ka molekulaarset lasti transportima. Nanobot on valmistatud kolmest erinevast DNA sektsioonist, manööverdades DNA “jalaga” ja kandes spetsiifilisi molekule “käe” abil.

Lisaks meditsiinilistele rakendustele tehakse uuringuid nanobotite kasutamise kohta keskkonna puhastamise ja tervendamise eesmärgil. Eemaldamiseks võib potentsiaalselt kasutada nanoboteid mürgised raskmetallid ja plastist veekogudest. Nanobotid võivad kanda ühendeid, mis muudavad mürgised ained omavahel kombineerituna inertseks, või neid saab kasutada plastijäätmete lagundamiseks sarnaste protsesside kaudu. Samuti tehakse uuringuid nanobotite kasutamise kohta üliväikeste arvutikiipide ja protsessorite tootmise hõlbustamiseks, kasutades peamiselt nanoboteid mikromõõtmeliste arvutiahelate tootmiseks.