Mitä nanobotit ovat? Nanobotin rakenteen, toiminnan ja käytön ymmärtäminen

Tekniikan kehittyessä asiat eivät aina muutu isommiksi ja paremmiksi, vaan myös esineet pienenevät. Itse asiassa nanoteknologia on yksi nopeimmin kasvavista teknologia-aloista, arvoltaan yli 1 biljoona USD, ja sen ennustetaan kasvavan noin 17 prosenttia seuraavan puolen vuosikymmenen aikana. nanobotit ovat suuri osa nanoteknologian alaa, mutta mitä ne tarkalleen ovat ja miten ne toimivat? Tarkastellaan lähemmin nanobotteja ymmärtääksemme, kuinka tämä transformoiva tekniikka toimii ja mihin sitä käytetään.

Mitä nanobotit ovat?

Nanoteknologian ala koskee noin 100-XNUMX nanometrin mittakaavassa olevan teknologian tutkimusta ja kehittämistä. Siksi nanorobotiikka keskittyy noin tämän kokoisten robottien luomiseen. Käytännössä on vaikeaa suunnitella mitään niin pientä kuin yhden nanometrin mittakaavassa, ja termit "nanorobotics" ja "nanobot" ovat usein sovellettu laitteisiin, jotka ovat kooltaan noin 0.1 – 10 mikrometriä, mikä on vielä melko pieni.

On tärkeää huomata, että termiä "nanorobot" käytetään joskus laitteisiin, jotka ovat vuorovaikutuksessa nanomittakaavaisten esineiden kanssa manipuloiden nanokokoisia kohteita. Siksi, vaikka itse laite olisi paljon suurempi, sitä voidaan pitää nanoroboottisena instrumenttina. Tämä artikkeli keskittyy itse nanomittakaavaisiin robotteihin.

Suuri osa nanorobotiikan ja nanobottien alasta on vielä teoreettisessa vaiheessa, ja tutkimus keskittyy rakentamisen ongelmien ratkaisemiseen niin pienessä mittakaavassa. Joitakin nanokoneiden ja -moottoreiden prototyyppejä on kuitenkin suunniteltu ja testattu.

Useimmat nykyiset nanoroboottiset laitteet kuuluvat yksi neljästä kategoriasta: kytkimet, moottorit, sukkulat ja autot.

Nanoroboottiset kytkimet toimivat kehotuksella siirtymään "pois"-tilasta "päällä"-tilaan. Ympäristötekijöitä käytetään saamaan kone muuttamaan muotoaan, prosessia, jota kutsutaan konformaatiomuutokseksi. Ympäristöä muutetaan käyttämällä prosesseja, kuten kemiallisia reaktioita, UV-valoa ja lämpötilaa, ja nanoroboottiset kytkimet siirtyvät tämän seurauksena eri muotoihin, jotka pystyvät suorittamaan tiettyjä tehtäviä.

Nanomoottorit ovat monimutkaisempia kuin yksinkertaiset kytkimet, ja ne hyödyntävät konformaatiomuutoksen vaikutusten synnyttämää energiaa liikkuakseen ja vaikuttaakseen ympäröivän ympäristön molekyyleihin.

Sukkulat ovat nanorobotteja, jotka pystyvät kuljettamaan kemikaaleja, kuten lääkkeitä, tietyille kohdistetuille alueille. Tavoitteena on yhdistää sukkulat nanorobottimoottoriin, jotta sukkulat pystyvät liikkumaan enemmän ympäristön läpi.

Nanoroboottiset "autot" ovat tällä hetkellä edistyneimmät nanolaitteet, jotka pystyvät liikkumaan itsenäisesti kemiallisten tai sähkömagneettisten katalyyttien avulla. Nanoroboottisia autoja ajavia nanomoottoreita on ohjattava, jotta ajoneuvoa voidaan ohjata, ja tutkijat kokeilevat erilaisia ​​nanoroboottisia ohjausmenetelmiä.

Nanorobotiikan tutkijat pyrkivät syntetisoimaan nämä erilaiset komponentit ja teknologiat nanokoneiksi, jotka voivat suorittaa monimutkaisia ​​tehtäviä yhdessä nanobottiparvien avulla.

Kuva: Kuva: ”Nanomateriaalien kokojen vertailu muiden yleisten materiaalien kokoihin.” Sureshup tai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Kuinka nanobotit luodaan?

Nanorobotiikan ala on monien tieteenalojen risteyskohdassa ja nanobottien luomiseen kuuluu antureiden, toimilaitteiden ja moottoreiden luomista. Myös fyysinen mallinnus on tehtävä, ja kaikki tämä on tehtävä nanomittakaavassa. Kuten edellä mainittiin, nanomanipulaatiolaitteita käytetään näiden nanomittakaavan osien kokoamiseen ja keinotekoisten tai biologisten komponenttien manipulointiin, mikä sisältää solujen ja molekyylien manipuloinnin.

Nanorobotiikan insinöörien on kyettävä ratkaisemaan monia ongelmia. Heidän on käsiteltävä kysymyksiä, jotka koskevat tunnetta, ohjaustehoa, viestintää ja sekä epäorgaanisten että orgaanisten materiaalien välistä vuorovaikutusta.

Nanobotin koko on suunnilleen verrattavissa biologisiin soluihin, ja tästä syystä tulevaisuuden nanobotteja voitaisiin käyttää sellaisilla aloilla kuin lääketiede ja ympäristönsuojelu/kunnostus. Useimmat nykyään olemassa olevat "nanobotit" ovat vain tiettyjä molekyylejä, joita on manipuloitu tiettyjen tehtävien suorittamiseksi. 

Monimutkaiset nanobotit ovat pohjimmiltaan vain yksinkertaisia ​​molekyylejä, jotka on liitetty yhteen ja joita käsitellään kemiallisilla prosesseilla. Esimerkiksi jotkut nanobotit ovat koostuu DNA:sta, ja he kuljettaa molekyylilastia.

Kuinka nanobotit toimivat?

Koska nanobotit ovat edelleen vahvasti teoreettisia, nanobottien toimintaa koskeviin kysymyksiin vastataan pikemminkin ennusteilla kuin faktoilla. On todennäköistä, että nanobottien ensimmäiset suuret käyttötarkoitukset tulevat olemaan lääketieteen alalla, jotka liikkuvat ihmiskehon läpi ja suorittavat tehtäviä, kuten sairauksien diagnosointia, elintärkeiden seurantaa ja hoitojen jakamista. Näiden nanobottien on pystyttävä liikkumaan ihmiskehossa ja liikkumaan kudosten, kuten verisuonten, läpi.

suunnistus

Nanobot-navigoinnin suhteen nanobotin tutkijat ja insinöörit tutkivat useita tekniikoita. Eräs navigointimenetelmä on ultraäänisignaalien käyttö havaitsemiseen ja käyttöönottoon. Nanobotti voisi lähettää ultraäänisignaaleja, jotka voitaisiin jäljittää nanobottien sijainnin löytämiseksi, ja sitten robotit voitaisiin ohjata tietyille alueille käyttämällä erityistä työkalua, joka ohjaa niiden liikettä. Magnetic Resonance Imaging (MRI) -laitteita voitaisiin myös käyttää nanobottien sijainnin seuraamiseen. varhaiset MRI-kokeet ovat osoittaneet, että tekniikkaa voidaan käyttää nanobottien havaitsemiseen ja jopa ohjaamiseen. Muita menetelmiä nanobottien havaitsemiseksi ja ohjaamiseksi ovat röntgensäteiden, mikroaaltojen ja radioaaltojen käyttö. Tällä hetkellä näiden aaltojen hallinta nanomittakaavassa on varsin rajallista, joten uusia menetelmiä näiden aaltojen hyödyntämiseksi olisi keksittävä.

Edellä kuvatut navigointi- ja tunnistusjärjestelmät ovat ulkoisia menetelmiä, jotka perustuvat työkalujen käyttöön nanobottien siirtämiseen. Sisäisten antureiden lisäämisen ansiosta nanobotit voisivat olla autonomisempia. Esimerkiksi nanobottien sisällä olevat kemialliset anturit voisivat antaa robotille mahdollisuuden skannata ympäröivää ympäristöä ja seurata tiettyjä kemiallisia merkkejä kohdealueelle.

teho

Mitä tulee nanobottien virrankäyttöön, on olemassa myös erilaisia tehoratkaisuja tutkijat tutkivat. Ratkaisuja nanobottien virransyöttöön ovat ulkoiset virtalähteet ja sisäiset/sisäiset virtalähteet.

Sisäisiä tehoratkaisuja ovat generaattorit ja kondensaattorit. Nanobotin generaattorit voisivat käyttää veressä olevia elektrolyyttejä energian tuottamiseen, tai nanobotit voisivat jopa saada virtaa käyttämällä ympäröivää verta kemiallisena katalyyttinä, joka tuottaa energiaa yhdistettynä nanobotin mukanaan tuomaan kemikaaliin. Kondensaattorit toimivat samalla tavalla kuin akut, ja ne varastoivat sähköenergiaa, jota voitaisiin käyttää nanobotin kuljettamiseen. Muita vaihtoehtoja, kuten pieniä ydinvoimanlähteitä, on jopa harkittu.

Mitä tulee ulkoisiin virtalähteisiin, uskomattoman pienet, ohuet johdot voisivat kytkeä nanobotit ulkopuoliseen virtalähteeseen. Tällaisia ​​johtoja voitaisiin valmistaa miniatyyreistä valokuitukaapeleista, jotka lähettävät valopulsseja alas johtoja pitkin ja saavat varsinaisen sähkön tuottamaan nanobotin sisällä.

Muita ulkoisia tehoratkaisuja ovat magneettikentät tai ultraäänisignaalit. Nanobotit voisivat käyttää jotain, jota kutsutaan pietsosähköiseksi kalvoksi, joka pystyy keräämään ultraääniaaltoja ja muuttamaan ne sähkövoimaksi. Magneettikenttiä voidaan käyttää sähkövirtojen katalysoimiseen nanobotin sisällä olevan suljetun johtavan silmukan sisällä. Bonuksena magneettikenttää voitiin käyttää myös nanobotin suunnan ohjaamiseen.

liikkumiskyky

Ongelman ratkaiseminen nanobotin liikkuminen vaatii kekseliäitä ratkaisuja. Nanobotit, joita ei ole kytketty toisiinsa tai jotka eivät vain kellu vapaasti ympäristössään, tarvitsevat jonkin menetelmän siirtyä kohdesijainteihinsa. Propulsiojärjestelmän tulee olla tehokas ja vakaa, jotta se voi ajaa nanobotin sen ympäristön virtoja vastaan, kuten veren virtausta vastaan. Tutkittavat propulsioratkaisut ovat usein saaneet inspiraationsa luonnosta, ja tutkijat tutkivat, kuinka mikroskooppiorganismit liikkuvat ympäristössään. Esimerkiksi mikro-organismit käyttävät usein pitkiä, piiskamaisia ​​häntää, nimeltään flagella, tai ne käyttävät useita pieniä, karvamaisia ​​raajoja, joita kutsutaan väreiksi.

Tutkijat yrittävät myös antaa roboteille pieniä käsivarren kaltaiset lisäkkeet jonka avulla robotti voi uida, tarttua ja ryömiä. Tällä hetkellä näitä lisäyksiä ohjataan kehon ulkopuolella olevien magneettikenttien kautta, koska magneettinen voima saa robotin käsivarret värähtelemään. Tämän liikkumismenetelmän lisäetu on, että sen energia tulee ulkopuolisesta lähteestä. Tätä tekniikkaa olisi tehtävä vielä pienemmäksi, jotta se olisi kannattavaa todellisille nanoboteille.

Myös muita, kekseliäisempiä propulsiostrategioita on tutkittavana. Jotkut tutkijat ovat esimerkiksi ehdottaneet kondensaattoreiden käyttöä sähkömagneettisen pumpun rakentamiseen, joka vetäisi johtavia nesteitä sisään ja ampuisi sen ulos. kuin suihkukone, työntäen nanobotin eteenpäin.

Nanobottien mahdollisesta sovelluksesta riippumatta niiden on ratkaistava edellä kuvatut navigoinnin, liikkumisen ja tehon käsittelyyn liittyvät ongelmat.

Mihin nanobotteja käytetään?

Kuten mainittiin, nanobottien ensimmäiset käyttötarkoitukset tulee todennäköisesti mukaan lääketieteen ala. Nanobotteja voitaisiin käyttää kehon vaurioiden tarkkailemiseen ja mahdollisesti jopa näiden vaurioiden korjaamiseen. Tulevat nanobotit voisivat toimittaa lääkettä suoraan niitä tarvitseville soluille. Tällä hetkellä lääkkeet annetaan suun kautta tai suonensisäisesti ja ne leviävät koko kehoon sen sijaan, että osuvat vain kohdealueille aiheuttaen sivuvaikutuksia. Sensoreilla varustettuja nanobotteja voitaisiin helposti käyttää solujen alueiden muutosten tarkkailuun ja raportoida muutoksista ensimmäisistä vaurioista tai toimintahäiriöistä.

Olemme vielä kaukana näistä hypoteettisista sovelluksista, mutta edistystä tapahtuu koko ajan. Esimerkiksi vuonna 2017 tutkijat loi nanobotteja, jotka kohdistuivat syöpäsoluihin ja hyökkäsi heidän kimppuunsa miniporalla tappaen heidät. ITMO-yliopiston tutkijaryhmä suunnitteli tänä vuonna DNA-fragmenteista koostuvan nanobotin, joka pystyy tuhoamaan patogeeniset RNA-säikeet. DNA-pohjaiset nanobotit pystyvät tällä hetkellä myös kuljettamaan molekyylilastia. Nanobot on valmistettu kolmesta eri DNA-osasta, jotka ohjaavat DNA-jalan avulla ja kuljettavat tiettyjä molekyylejä "käsivarren" avulla.

Lääketieteellisten sovellusten lisäksi tutkitaan nanobottien käyttöä ympäristön puhdistamiseen ja kunnostukseen. Nanobotteja voitaisiin mahdollisesti käyttää poistamiseen myrkyllisiä raskasmetalleja ja muovit vesistöistä. Nanobotit voivat kuljettaa yhdisteitä, jotka tekevät myrkyllisistä aineista inerttejä, kun ne yhdistetään toisiinsa, tai niitä voitaisiin käyttää muovijätteen hajottamiseen vastaavilla prosesseilla. Nanobottien käyttöä tutkitaan myös erittäin pienten tietokonesirujen ja prosessorien valmistuksen helpottamiseksi, pääasiassa nanobottien avulla mikromittakaavaisten tietokonepiirien tuottamiseen.