Qu’est-ce que les nanorobots ? Comprendre la structure, le fonctionnement et les utilisations des nanorobots

À mesure que la technologie progresse, les choses ne deviennent pas toujours plus grandes et meilleures, les objets deviennent également plus petits. En fait, la nanotechnologie est l’un des domaines technologiques à la croissance la plus rapide, d’une valeur de plus de 1 000 milliards de dollars, et elle devrait croître d’environ 17 % au cours des cinq prochaines années. Les nanorobots font partie intégrante du domaine de la nanotechnologie, mais qu’est-ce qu’ils sont exactement et comment fonctionnent-ils ? Jetons un coup d’œil plus précis sur les nanorobots pour comprendre comment cette technologie transformative fonctionne et à quoi elle sert.

Qu’est-ce que les nanorobots ?

Le domaine de la nanotechnologie est concerné par la recherche et le développement de technologies d’environ un à 100 nanomètres d’échelle. Par conséquent, la nanorobotique est axée sur la création de robots de cette taille. Dans la pratique, il est difficile d’ingénieriser quelque chose d’aussi petit qu’un nanomètre d’échelle et le terme « nanorobotique » et « nanorobot » est fréquemment appliqué à des dispositifs qui sont d’environ 0,1 à 10 micromètres de taille, ce qui est encore très petit.

Il est important de noter que le terme « nanorobot » est parfois appliqué à des dispositifs qui interagissent avec des objets à l’échelle nanométrique, en manipulant des éléments à l’échelle nanométrique. Par conséquent, même si le dispositif lui-même est beaucoup plus grand, il peut être considéré comme un instrument nanorobotique. Cet article se concentrera sur les robots nanométriques eux-mêmes.

Une grande partie du domaine de la nanorobotique et des nanorobots est encore dans la phase théorique, avec des recherches axées sur la résolution des problèmes de construction à une échelle si petite. Cependant, certains prototypes de nanomachines et de nanomoteurs ont été conçus et testés.

La plupart des dispositifs nanorobotiques existants tombent dans l’une des quatre catégories : interrupteurs, moteurs, navettes et voitures.

Les interrupteurs nanorobotiques fonctionnent en étant déclenchés pour passer d’un état « éteint » à un état « allumé ». Des facteurs environnementaux sont utilisés pour faire changer de forme la machine, un processus appelé changement de conformation. L’environnement est modifié à l’aide de processus tels que les réactions chimiques, la lumière ultraviolette et la température, et les interrupteurs nanorobotiques changent de forme en conséquence, capables d’accomplir des tâches spécifiques.

Les nanomoteurs sont plus complexes que les simples interrupteurs et ils utilisent l’énergie créée par les effets du changement de conformation pour se déplacer et affecter les molécules de l’environnement surrounding.

Les navettes sont des nanorobots capables de transporter des produits chimiques tels que des médicaments vers des régions ciblées. L’objectif est de combiner les navettes avec des moteurs nanorobotiques afin que les navettes soient capables d’un plus grand degré de mouvement à travers un environnement.

Les « voitures » nanorobotiques sont les dispositifs nanométriques les plus avancés à l’heure actuelle, capables de se déplacer de manière indépendante avec des déclencheurs chimiques ou électromagnétiques. Les nanomoteurs qui alimentent les voitures nanorobotiques doivent être contrôlés afin que le véhicule puisse être dirigé, et les chercheurs expérimentent avec différentes méthodes de contrôle nanorobotique.

Les chercheurs en nanorobotique visent à synthétiser ces différents composants et technologies en nanomachines capables d’accomplir des tâches complexes, réalisées par des essaims de nanorobots travaillant ensemble.

Photo : « Comparaison des tailles de nanomatériaux avec celles d’autres matériaux communs ». Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Comment les nanorobots sont-ils créés ?

Le domaine de la nanorobotique est à la croisée de nombreuses disciplines et la création de nanorobots implique la création de capteurs, d’actionneurs et de moteurs. La modélisation physique doit être effectuée, et tout cela doit être fait à l’échelle nanométrique. Comme mentionné plus haut, des dispositifs de nanomanipulation sont utilisés pour assembler ces pièces à l’échelle nanométrique et manipuler des composants artificiels ou biologiques, ce qui inclut la manipulation de cellules et de molécules.

Les ingénieurs en nanorobotique doivent être capables de résoudre une multitude de problèmes. Ils doivent aborder des questions relatives à la sensation, au contrôle de puissance, aux communications et aux interactions entre matériaux inorganiques et organiques.

La taille d’un nanorobot est grossièrement comparable à celle des cellules biologiques, et en raison de ce fait, les nanorobots futurs pourraient être employés dans des domaines tels que la médecine et la préservation/remédiation de l’environnement. La plupart des « nanorobots » qui existent aujourd’hui ne sont que des molécules spécifiques qui ont été manipulées pour accomplir certaines tâches. 

Les nanorobots complexes sont essentiellement de simples molécules jointes et manipulées avec des processus chimiques. Par exemple, certains nanorobots sont composés d’ADN, et ils transportent des cargaisons moléculaires.

Comment les nanorobots fonctionnent-ils ?

Compte tenu de la nature encore fortement théorique des nanorobots, les questions sur la façon dont les nanorobots fonctionnent sont répondues par des prédictions plutôt que des faits. Il est probable que les premières utilisations majeures des nanorobots seront dans le domaine médical, en se déplaçant dans le corps humain et en accomplissant des tâches telles que le diagnostic de maladies, la surveillance des paramètres vitaux et la distribution de traitements. Ces nanorobots devront être capables de naviguer dans le corps humain et de se déplacer à travers les tissus tels que les vaisseaux sanguins.

Navigation

En termes de navigation des nanorobots, il existe une variété de techniques que les chercheurs et les ingénieurs en nanorobotique étudient. Une méthode de navigation consiste à utiliser des signaux ultrasonores pour la détection et le déploiement. Un nanorobot pourrait émettre des signaux ultrasonores qui pourraient être tracés pour localiser la position des nanorobots, et les robots pourraient alors être guidés vers des zones spécifiques à l’aide d’un outil spécial qui dirige leur mouvement. Les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM) pourraient également être utilisés pour suivre la position des nanorobots, et des expériences précoces avec les IRM ont démontré que la technologie peut être utilisée pour détecter et même manœuvrer les nanorobots. D’autres méthodes de détection et de manœuvre des nanorobots incluent l’utilisation de rayons X, de micro-ondes et d’ondes radio. Actuellement, notre contrôle de ces ondes à l’échelle nanométrique est assez limité, donc de nouvelles méthodes d’utilisation de ces ondes devraient être inventées.

Les systèmes de navigation et de détection décrits ci-dessus sont des méthodes externes, reposant sur l’utilisation d’outils pour déplacer les nanorobots. Avec l’ajout de capteurs embarqués, les nanorobots pourraient être plus autonomes. Par exemple, des capteurs chimiques intégrés aux nanorobots pourraient permettre au robot de scanner l’environnement surrounding et de suivre certaines marqueurs chimiques jusqu’à une région cible.

Puissance

Lorsqu’il s’agit d’alimenter les nanorobots, il existe également une variété de solutions d’alimentation étudiées par les chercheurs. Les solutions pour alimenter les nanorobots incluent des sources d’alimentation externes et des sources d’alimentation internes/embarquées.

Les solutions d’alimentation internes incluent des générateurs et des condensateurs. Les générateurs embarqués sur le nanorobot pourraient utiliser les électrolytes trouvés dans le sang pour produire de l’énergie, ou les nanorobots pourraient même être alimentés en utilisant le sang surrounding comme catalyseur chimique qui produit de l’énergie lorsqu’il est combiné avec un produit chimique que le nanorobot transporte avec lui. Les condensateurs fonctionnent de manière similaire aux batteries, stockant de l’énergie électrique qui pourrait être utilisée pour propulser le nanorobot. D’autres options comme de minuscules sources d’alimentation nucléaire ont même été considérées.

En ce qui concerne les sources d’alimentation externes, des fils incroyablement fins et minces pourraient relier les nanorobots à une source d’alimentation externe. De tels fils pourraient être faits de câbles à fibre optique miniatures, envoyant des impulsions de lumière le long des fils et ayant l’électricité réellement générée à l’intérieur du nanorobot.

D’autres solutions d’alimentation externes incluent des champs magnétiques ou des signaux ultrasonores. Les nanorobots pourraient employer quelque chose appelé membrane piézoélectrique, capable de collecter des ondes ultrasonores et de les transformer en énergie électrique. Les champs magnétiques peuvent être utilisés pour catalyser des courants électriques à l’intérieur d’une boucle conductrice fermée contenue à bord du nanorobot. En prime, le champ magnétique pourrait également être utilisé pour contrôler la direction du nanorobot.

Locomotion

La résolution du problème de locomotion des nanorobots nécessite certaines solutions ingénieuses. Les nanorobots qui ne sont pas reliés ou qui ne flottent pas simplement dans leur environnement doivent avoir un moyen de se déplacer jusqu’à leurs emplacements cibles. Le système de propulsion devra être puissant et stable, capable de propulser le nanorobot contre les courants de son environnement surrounding, comme le flux du sang. Les solutions de propulsion étudiées sont souvent inspirées du monde naturel, les chercheurs regardant comment les organismes microscopiques se déplacent dans leur environnement. Par exemple, les micro-organismes utilisent souvent de longues queues en forme de fouet appelées flagelles pour se propulser, ou ils utilisent un certain nombre de membres minuscules et poilus appelés cils.

Les chercheurs expérimentent également avec des appendices ressemblant à des bras pour les robots, qui pourraient permettre au robot de nager, de saisir et de ramper. Actuellement, ces appendices sont contrôlés via des champs magnétiques à l’extérieur du corps, car la force magnétique incite les bras du robot à vibrer. Un avantage supplémentaire de cette méthode de locomotion est que l’énergie nécessaire provient d’une source externe. Cette technologie devrait être rendue encore plus petite pour être viable pour les véritables nanorobots.

Il existe d’autres stratégies de propulsion plus ingénieuses en cours d’étude. Par exemple, certains chercheurs ont proposé d’utiliser des condensateurs pour concevoir une pompe électromagnétique qui tirerait des fluides conducteurs et les expulserait comme un jet, propulsant le nanorobot vers l’avant.

Quelle que soit l’application éventuelle des nanorobots, ils doivent résoudre les problèmes décrits ci-dessus, en gérant la navigation, la locomotion et l’alimentation.

À quoi servent les nanorobots ?

Comme mentionné, les premières utilisations des nanorobots seront probablement dans le domaine médical. Les nanorobots pourraient être utilisés pour surveiller les dommages au corps et potentiellement même faciliter la réparation de ces dommages. Les nanorobots futurs pourraient livrer des médicaments directement aux cellules qui en ont besoin. Actuellement, les médicaments sont administrés par voie orale ou intraveineuse et ils se répandent dans tout le corps au lieu de toucher uniquement les régions cibles, provoquant des effets secondaires. Les nanorobots équipés de capteurs pourraient facilement être utilisés pour surveiller les changements dans les régions de cellules, en signalant les changements au premier signe de dommage ou de dysfonctionnement.

Nous sommes encore loin de ces applications hypothétiques, mais des progrès sont réalisés en permanence. Par exemple, en 2017, des scientifiques ont créé des nanorobots qui ciblaient les cellules cancéreuses et les attaquaient avec un mini-tarière, les tuant. Cette année, un groupe de chercheurs de l’Université ITMO a conçu un nanorobot composé de fragments d’ADN, capable de détruire des brins d’ARN pathogènes. Les nanorobots à base d’ADN sont également actuellement capables de transporter des cargaisons moléculaires. Le nanorobot est composé de trois sections d’ADN différentes, se déplaçant avec une « jambe » d’ADN et transportant des molécules spécifiques à l’aide d’un « bras ».

Au-delà des applications médicales, des recherches sont menées sur l’utilisation de nanorobots à des fins de nettoyage et de remédiation de l’environnement. Les nanorobots pourraient potentiellement être utilisés pour éliminer les métaux lourds toxiques et les plastiques des masses d’eau. Les nanorobots pourraient transporter des composés qui rendent les substances toxiques inactives lorsqu’ils sont combinés, ou ils pourraient être utilisés pour dégrader les déchets plastiques par des processus similaires. Des recherches sont également menées sur l’utilisation de nanorobots pour faciliter la production de circuits informatiques et de processeurs extrêmement petits, en utilisant essentiellement des nanorobots pour produire des circuits informatiques à l’échelle micrométrique.