Mitä ovat nanorobotit? Ymmärtäminen nanorobotti-rakennetta, toimintaa ja käyttöä

Teknologian edetessä asiat eivät aina kasva suuremmiksi ja paremmiksi, vaan ne voivat myös pienentää. Itse asiassa nanoteknologia on yksi nopeimmin kasvavista teknologian aloista, jonka arvo on yli 1 biljoona dollaria, ja sen odotetaan kasvavan noin 17 % seuraavan puolen vuosikymmenen aikana. Nanorobotit ovat tärkeä osa nanoteknologiaa, mutta mitä ne ovat oikeasti ja miten ne toimivat? Otetaan lähempi katsaus nanoroboteihin, jotta ymmärretään, miten tämä muuntava teknologia toimii ja mihin sitä käytetään.

Mitä ovat nanorobotit?

Nanoteknologian ala on huolissaan tutkimuksesta ja kehityksestä, joka on noin yhdestä sataan nanometriin mittakaavassa. Siksi nanorobotitutkimus on keskittynyt robotien luomiseen, jotka ovat noin tämän kokoisia. Käytännössä on vaikea suunnitella mitään niin pientä kuin yksi nanometri, ja termejä “nanorobotti” ja “nanorobotit” käytetään usein laitteista, jotka ovat noin 0,1-10 mikrometrin kokoisia, mikä on edelleen hyvin pieni.

On tärkeää huomata, että termi “nanorobotti” voidaan soveltaa laitteisiin, jotka vuorovaikuttavat esineiden kanssa nanotason mittakaavassa, manipuloiden nanotason kohteita. Siksi, vaikka laite itsessään on paljon suurempi, se voidaan kutsua nanorobottiseksi laitteeksi. Tämä artikkeli keskittyy nanomittakaavan robottiin itseensä.

Suurin osa nanorobotitutkimuksesta ja nanoroboteista on edelleen teoreettisessa vaiheessa, ja tutkimus on keskittynyt ratkaisemaan ongelmia, jotka liittyvät rakentamiseen niin pienessä mittakaavassa. Kuitenkin joitakin nanokoneita ja nanomoottoreita on suunniteltu ja testattu.

Useimmat nykyiset nanorobottiset laitteet kuuluvat neljään kategoriaan: kytkimiin, moottoreihin, kuljettimiin ja autoihin.

Nanorobottiset kytkimet toimivat siten, että ne vaihtavat “päällä”-tilasta “pois”-tilaan. Ympäristötekijöitä käytetään muuttamaan koneen muotoa, prosessi, jota kutsutaan konformaatiomuutokseksi. Ympäristö muutetaan prosesseilla, kuten kemiallisilla reaktioilla, UV-valolla ja lämmöllä, ja nanorobottiset kytkimet siirtyvät eri muotoihin, pystyen suorittamaan tiettyjä tehtäviä.

Nanomoottorit ovat monimutkaisempia kuin yksinkertaiset kytkimet, ja ne hyödyntävät energiaa, joka syntyy konformaatiomuutoksen vaikutuksesta, liikuttaakseen molekyylejä ympäröivässä ympäristössä.

Kuljettimet ovat nanorobotteja, jotka pystyvät kuljettamaan kemikaaleja, kuten lääkkeitä, tiettyihin kohdealueisiin. Tavoitteena on yhdistää kuljettimet nanorobottimoottoreihin, jotta kuljettimet pystyvät liikkumaan suuremmassa määrin ympäristössään.

Nanorobottiset “autot” ovat edistyneimmät nanolaitteet tällä hetkellä, ja ne pystyvät liikkumaan itsenäisesti kemiallisten tai sähkömagneettisten katalyyttien ohjaamana. Nanomoottorit, jotka ohjaavat nanorobottiautoja, tarvitsevat ohjausta, jotta ajoneuvo voidaan ohjata. Tutkijat kokeilevat erilaisia menetelmiä nanorobottien ohjaamiseksi.

Nanorobotitutkijat pyrkivät yhdistämään nämä eri komponentit ja teknologiat nanokoneiksi, jotka voivat suorittaa monimutkaisia tehtäviä, joita suorittavat nanorobottien parvet.

Kuva: “Vertailu nanomateriaalien kokoja muihin yleisiin materiaaleihin.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Miten nanorobotit luodaan?

Nanorobotitutkimus on monitieteinen ala, ja nanorobottien luominen vaatii anturien, toimilaitteiden ja moottorien luomisen. Fyysinen mallinnus on tehtävä, ja kaikki tämä on tehtävä nanomittakaavassa. Kuten mainittiin aiemmin, nanomanipulaatiolaitteita käytetään näiden nano-asteisten osien kokoamiseen ja keinotekoisia tai biologisia komponenttien manipulointiin, mukaan lukien solujen ja molekyylien manipulointi.

Nanorobotitutkijat joutuvat ratkaisemaan monia ongelmia. Heidän on ratkaistava ongelmat, jotka liittyvät havainnointiin, ohjausvoimaan, viestintään ja vuorovaikutukseen sekä epäorgaanisten ja orgaanisten materiaalien välillä.

Nanorobottien koko on suunnilleen verrattavissa biologisiin soluihin, ja tulevaisuudessa nanorobotit voivat olla käytössä lääketieteessä ja ympäristön säilyttämisessä/puhdistamisessa. Useimmat “nanorobotit”, jotka ovat olemassa tänään, ovat vain tiettyjä molekyylejä, jotka on manipuloitu suorittamaan tiettyjä tehtäviä. 

Monimutkaiset nanorobotit ovat vain yksinkertaisia molekyylejä, jotka on yhdistetty ja manipuloitu kemiallisilla prosesseilla. Esimerkiksi jotkut nanorobotit koostuvat DNA:sta, ja ne kuljettavat molekyylirakenteita.

Miten nanorobotit toimivat?

Nanorobotitutkimuksen edelleen teoreettisen luonteen vuoksi nanorobotien toimintaa koskevat kysymykset vastataan ennusteilla eikä tosiasioilla. On todennäköistä, että nanorobotien ensisijaiset käyttökohteet ovat lääketieteellisissä sovelluksissa, liikkuessaan ihmiskehossa ja suorittaessaan tehtäviä, kuten sairauksien diagnosointi, elintoimintojen seuranta ja hoidon toimittaminen. Nämä nanorobotit tarvitsevat kyvyn navigoida kehossa ja liikkua kudoksissa, kuten verisuonissa.

Navigointi

Nanorobotin navigoinnissa on useita tekniikoita, joita nanorobotitutkijat ja insinöörit tutkivat. Yksi navigoinnin menetelmä on ulträäniaaltojen käyttäminen havainnointiin ja käyttöön. Nanorobotti voi lähettää ulträäniaaltoja, jotka voidaan jäljittää nanorobotin sijainnin määrittämiseksi, ja robotti voidaan ohjata tiettyihin alueisiin erityisen työkalun avulla, joka ohjaa sen liikettä. Magneettikuvauslaitteita voidaan myös käyttää nanorobotin sijainnin seuraamiseen, ja varhaiset kokeet magneettikuvauslaitteiden kanssa ovat osoittaneet, että teknologiaa voidaan käyttää nanorobotin havainnointiin ja jopa ohjaamiseen. Muita nanorobotin havainnointiin ja ohjaamiseen käytettäviä menetelmiä ovat röntgen-, mikroaalto- ja radioaallot. Tällä hetkellä meidän hallinnassamme oleva nanoasteikon hallinta on melko rajoitettu, joten uusia menetelmiä on keksittävä.

Navigointi- ja havainnointijärjestelmät, jotka on kuvattu yllä, ovat ulkoisia menetelmiä, jotka riippuvat työkalujen käytöstä robotin liikkeen ohjaamiseen. Nanorobotin sisäisten anturien avulla robotti voi olla itsenäisempi. Esimerkiksi kemialliset anturit, jotka on asennettu nanorobottiin, voivat sallia robotin skannata ympäröivää ympäristöä ja seurata tiettyjä kemiallisia merkkejä kohdealueelle.

Voima

Nanorobotin voimanlähteenä on useita ratkaisuja, joita tutkijat tutkivat. Ratkaisut nanorobotin voimanlähteeksi sisältävät ulkoiset voimanlähteet ja sisäiset voimanlähteet.

Sisäiset voimanlähteet sisältävät generaattoreita ja kondensaattoreita. Generaattorit nanorobotin sisällä voivat käyttää elektrolyyttejä, jotka ovat veressä, tuottamaan energiaa, tai nanorobotit voivat jopa olla voimansaansa verestä käyttämällä kemiallista katalyyttiä, joka tuottaa energiaa, kun se yhdistyy kemikaaliin, jonka nanorobotti kuljettaa mukanaan. Kondensaattorit toimivat samalla tavalla kuin paristot, varastoimalla sähköenergiaa, jota voidaan käyttää nanorobotin liikuttamiseen. Muita vaihtoehtoja, kuten pieniä ydinvoimaloita, on myös tutkittu.

Ulkoiset voimanlähteet sisältävät hyvin ohuita ja ohuita johtimia, jotka voivat kiinnittää nanorobotin ulkoiseen voimanlähteeseen. Tällaiset johtimet voivat olla tehty miniatyyrimäisistä kuituoptisista kaapeleista, jotka lähettävät valon impulssin johtimien läpi, ja sähköenergia tuotetaan itse nanorobotissa.

Muita ulkoisia voimanlähteitä ovat magneettikentät tai ulträäniaallot. Nanorobotit voivat käyttää piezoelektristä kalvoa, joka pystyy keräämään ulträäniaaltoja ja muuttamaan ne sähköenergiaksi. Magneettikenttiä voidaan käyttää katalyyttinä sähkövirtojen syntymiseen nanorobotin sisällä olevassa suljetussa johtimessa. Magneettikenttää voidaan myös käyttää nanorobotin suunnan ohjaamiseen.

Liikkuminen

Nanorobotin liikkumisen ongelman ratkaiseminen vaatii joitakin kekseliäitä ratkaisuja. Nanorobotit, jotka eivät ole kiinni johtimissa tai eivät ole vain vapaasti leijuvia ympäristössään, tarvitsevat jokin menetelmän liikkumiseen kohdealueilleen. Propulsiojärjestelmän on oltava voimakas ja vakaa, pystyen liikuttamaan nanorobotia ympäristönsä virtoja vastaan, kuten verenvirtausta. Propulsioratkaisut, jotka tutkitaan, ovat usein inspiroituja luonnosta, ja tutkijat tarkastelevat, miten mikroskooppiset eliöt liikkuvat ympäristössään. Esimerkiksi mikro-organismit käyttävät usein pitkiä, ruoskimaisia häntiä, joita kutsutaan flagelleiksi, liikuttaakseen itsensä, tai ne käyttävät joukkoa pientä, hiustenkaltaista raajaa, jota kutsutaan ciliumeiksi.

Tutkijat kokeilevat myös antamista robotille pieniä raajaa, jotka voivat sallia robotin uida, tarttua ja ryömiä. Tällä hetkellä nämä raajat ohjataan magneettikentillä kehon ulkopuolella, ja magneettivoima aiheuttaa robotin raajojen värähtelyt. Tämän menetelmän etu on, että energia tulee ulkoisesta lähteestä. Tämä teknologia tarvitsee kuitenkin oltava paljon pienempi, jotta se olisi toimiva nanorobotteja varten.

On myös muita, kekseliämpiä, propulsiostrategioita tutkittaessa. Esimerkiksi jotkut tutkijat ovat ehdottaneet kapasitorien käyttämistä sähkömagneettisen pumppujen rakentamiseen, jotka voivat imemään johtavia nesteitä ja ampua ne ulos kuin suihkumoottorina, liikuttaen nanorobotia eteenpäin.

Riippumatta lopullisesta nanorobotien soveltamisesta, ne joutuvat ratkaisemaan yllä kuvatut ongelmat, kuten navigoinnin, liikkumisen ja voimanlähteen.

Mitä nanorobotit ovat?

Kuten mainittiin aiemmin, nanorobotien ensisijaiset käyttökohteet ovat todennäköisesti lääketieteellisissä sovelluksissa. Nanorobotit voivat olla käytössä vaurion valvontaan kehossa ja mahdollisesti jopa vaurion korjaamiseen. Tulevaisuuden nanorobotit voivat toimittaa lääkkeitä suoraan soluihin, jotka niitä tarvitsevat. Tällä hetkellä lääkkeet toimitetaan suun kautta tai laskimoon ja ne leviävät koko kehossa eikä ainoastaan kohdealueille, aiheuttaen sivuvaikutuksia. Nanorobotit, joissa on anturit, voivat helposti käyttää solujen muutosten valvontaan, ilmoittaen muutoksista ensimmäisen vaurion tai toimintahäiriön merkin.

Olemme edelleen kaukana näistä hypoteettisistä sovelluksista, mutta edistystä tehdään jatkuvasti. Esimerkiksi vuonna 2017 tutkijat luoivat nanorobotit, jotka kohdistuivat syöpäsoluihin ja hyökkäsivät niihin miniaturisoidulla porakoneella, tappaen ne. Tänä vuonna ryhmä tutkijoita ITMO-yliopistosta suunnitteli nanorobotin, joka koostui DNA-fragmentteja, ja se pystyi tuhoamaan patogeenisia RNA-säikeitä. DNA-pohjaiset nanorobotit ovat myös jo pystyviä kuljettamaan molekyylirakenteita. Nanorobotti koostuu kolmesta eri DNA-jaksosta, ja se liikkuu DNA-“jalka” ja kuljettaa tiettyjä molekyylejä “käsivarren” avulla.

Lääketieteellisten sovellusten lisäksi tutkimusta tehdään nanorobotien käytöstä ympäristön puhdistamisessa ja korjaamisessa. Nanorobotit voivat olla käytössä myrkyllisten raskasmetallien ja muovien poistamiseen vesistöistä. Nanorobotit voivat kuljettaa yhdisteitä, jotka tekevät myrkyllisiä aineita vaarattomiksi, kun ne yhdistyvät, tai ne voivat olla käytössä muovijätteen hajoittamiseen samankaltaisilla prosesseilla. Tutkimusta tehdään myös nanorobotien käytöstä hyvin pienten tietokoneiden ja prosessorien tuottamisessa, käyttäen nanorobotteja mikroskaalaisen tietokoneen piirien tuottamiseen.