Que sont les Nanobots ? Comprendre la structure, le fonctionnement et les utilisations de Nanobot

Au fur et 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 17 milliards de dollars, et elle devrait croître d'environ XNUMX % au cours de la prochaine demi-décennie. Nanobots constituent une part importante du domaine des nanotechnologies, mais que sont-elles exactement et comment fonctionnent-elles ? Examinons de plus près les nanobots pour comprendre comment fonctionne cette technologie transformatrice et à quoi elle sert.

Que sont les nanobots ?

Le domaine de la nanotechnologie concerne la recherche et le développement de technologies d'une échelle d'environ un à 100 nanomètres. Par conséquent, la nanorobotique se concentre sur la création de robots de cette taille. En pratique, il est difficile de concevoir quoi que ce soit d'aussi petit qu'un nanomètre à l'échelle et le terme "nanorobotique" et "nanobot" est fréquemment appliqué aux appareils d'une taille d'environ 0.1 à 10 micromètres, ce qui est encore assez 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, manipulant des objets à l'échelle nanométrique. Par conséquent, même si l'appareil lui-même est beaucoup plus grand, il peut être considéré comme un instrument nanorobotique. Cet article se concentrera sur les robots à l'échelle nanométrique eux-mêmes.

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

La plupart des dispositifs nanorobotiques existants actuellement entrent dans une des quatre catégories: interrupteurs, moteurs, navettes et voitures.

Les commutateurs nanorobotiques fonctionnent en étant invités à passer d'un état « off » à un état « on ». Les facteurs environnementaux sont utilisés pour faire en sorte que la machine change de forme, un processus appelé changement conformationnel. L'environnement est modifié à l'aide de processus tels que les réactions chimiques, la lumière UV et la température, et les commutateurs nanorobotiques se transforment en conséquence en différentes formes, capables d'accomplir des tâches spécifiques.

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

Les navettes sont des nanorobots capables de transporter des produits chimiques comme des médicaments vers des régions spécifiques et ciblées. L'objectif est de combiner des navettes avec des moteurs de nanorobot afin que les navettes soient capables d'un plus grand degré de mouvement dans un environnement.

Les «voitures» nanorobotiques sont les nanodispositifs les plus avancés à l'heure actuelle, capables de se déplacer indépendamment avec des invites de catalyseurs chimiques ou électromagnétiques. Les nanomoteurs qui entraînent les voitures nanorobotiques doivent être contrôlés pour que le véhicule soit dirigé, et les chercheurs expérimentent diverses méthodes de contrôle nanorobotique.

Les chercheurs en nanorobotique visent à synthétiser ces différents composants et technologies dans des nanomachines capables d'accomplir des tâches complexes, accomplies par des essaims de nanobots travaillant ensemble.

Photo : Photo : « Comparaison des tailles des nanomatériaux avec celles d'autres matériaux courants. Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomateraux_sizes.jpg)

Comment sont créés les nanobots ?

Le domaine de la nanorobotique est au carrefour de nombreuses disciplines et la création de nanobots passe par la création de capteurs, d'actionneurs et de moteurs. La modélisation physique doit également être faite, et tout cela doit être fait à l'échelle nanométrique. Comme mentionné ci-dessus, les 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 concernant la sensation, le pouvoir de contrôle, les communications et les interactions entre les matériaux inorganiques et organiques.

La taille d'un nanobot est à peu près comparable à celle des cellules biologiques et, de ce fait, les futurs nanobots pourraient être utilisés dans des disciplines telles que la médecine et la préservation/l'assainissement de l'environnement. La plupart des "nanobots" qui existent aujourd'hui ne sont que des molécules spécifiques qui ont été manipulées pour accomplir certaines tâches. 

Les nanorobots complexes ne sont essentiellement que de simples molécules réunies et manipulées par des processus chimiques. Par exemple, certains nanorobots sont composé d'ADN, Et ils transporter des cargaisons moléculaires.

Comment fonctionnent les nanobots ?

Étant donné la nature encore fortement théorique des nanobots, les questions sur la façon dont les nanobots fonctionnent reçoivent des réponses par des prédictions plutôt que par des déclarations de faits. Il est probable que les premières utilisations majeures des nanobots seront dans le domaine médical, se déplaçant dans le corps humain et accomplissant des tâches telles que diagnostiquer des maladies, surveiller les signes vitaux et dispenser des traitements. Ces nanobots devront être capables de naviguer dans le corps humain et de se déplacer dans des tissus comme les vaisseaux sanguins.

Navigation

En termes de navigation nanobot, il existe une variété de techniques que les chercheurs et ingénieurs nanobot étudient. Une méthode de navigation est l'utilisation de signaux ultrasonores pour la détection et le déploiement. Un nanobot pourrait émettre des signaux ultrasonores qui pourraient être tracés pour localiser la position des nanobots, et les robots pourraient ensuite être guidés vers des zones spécifiques à l'aide d'un outil spécial qui dirige leur mouvement. Des dispositifs d'imagerie par résonance magnétique (IRM) pourraient également être utilisés pour suivre la position des nanobots, et premières expériences avec les IRM ont démontré que la technologie peut être utilisée pour détecter et même manœuvrer des nanobots. D'autres méthodes de détection et de manœuvre des nanobots incluent l'utilisation de rayons X, de micro-ondes et d'ondes radio. À l'heure actuelle, notre contrôle de ces ondes à l'échelle nanométrique est assez limité, il faudrait donc inventer de nouvelles méthodes d'utilisation de ces ondes.

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

Puissance

Lorsqu'il s'agit d'alimenter les nanobots, il existe également une variété de solutions énergétiques explorées par les chercheurs. Les solutions d'alimentation des nanorobots comprennent des sources d'alimentation externes et des sources d'alimentation embarquées/internes.

Les solutions d'alimentation interne comprennent des générateurs et des condensateurs. Les générateurs à bord du nanobot pourraient utiliser les électrolytes trouvés dans le sang pour produire de l'énergie, ou les nanobots pourraient même être alimentés en utilisant le sang environnant comme catalyseur chimique qui produit de l'énergie lorsqu'il est combiné avec un produit chimique que le nanobot transporte avec lui. Les condensateurs fonctionnent de la même manière que les batteries, stockant l'énergie électrique qui pourrait être utilisée pour propulser le nanobot. D'autres options comme de minuscules sources d'énergie nucléaire ont même été envisagées.

En ce qui concerne les sources d'alimentation externes, des fils incroyablement petits et fins pourraient attacher les nanobots à une source d'alimentation extérieure. De tels fils pourraient être constitués de câbles à fibres optiques miniatures, envoyant des impulsions de lumière dans les fils et faisant en sorte que l'électricité réelle soit générée dans le nanobot.

D'autres solutions d'alimentation externe incluent les champs magnétiques ou les signaux ultrasonores. Les nanorobots pourraient utiliser ce qu'on appelle une 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 dans une boucle conductrice fermée contenue à bord du nanorobot. En prime, le champ magnétique pourrait également être utilisé pour contrôler la direction du nanobot.

Locomotion

Aborder le problème de la locomotion des nanobots nécessite des solutions inventives. Les nanobots qui ne sont pas attachés ou qui ne flottent pas simplement dans leur environnement doivent disposer d'une méthode pour se déplacer vers leurs emplacements cibles. Le système de propulsion devra être puissant et stable, capable de propulser le nanobot contre les courants de son environnement, comme le flux sanguin. Les solutions de propulsion à l'étude sont souvent inspirées du monde naturel, les chercheurs examinant 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 minuscules membres ressemblant à des poils appelés cils.

Les chercheurs expérimentent également en donnant aux robots de petites appendices en forme de bras qui pourrait permettre au robot de nager, de saisir et de ramper. Actuellement, ces appendices sont contrôlés via des champs magnétiques extérieurs au corps, car la force magnétique fait vibrer les bras du robot. Un avantage supplémentaire de cette méthode de locomotion est que l'énergie provient d'une source extérieure. Cette technologie devrait être rendue encore plus petite pour la rendre viable pour les vrais nanobots.

D'autres stratégies de propulsion, plus inventives, sont également à l'étude. Par exemple, certains chercheurs ont proposé d'utiliser des condensateurs pour concevoir une pompe électromagnétique qui aspirerait des fluides conducteurs et les expulserait. comme un jet, propulsant le nanobot vers l'avant.

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

A quoi servent les nanobots ?

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

Nous sommes encore loin de ces applications hypothétiques, mais des progrès sont constamment réalisés. Par exemple, en 2017, les scientifiques créé des nanobots ciblant les cellules cancéreuses et les a attaqués avec une perceuse miniaturisée, les tuant. Cette année, un groupe de chercheurs de l'Université ITMO a conçu un nanobot composé de fragments d'ADN, capable de détruire des brins d'ARN pathogènes. Les nanobots à base d'ADN sont également actuellement capables de transporter une cargaison moléculaire. Le nanobot est composé de trois sections d'ADN différentes, manœuvrant avec une « jambe » d'ADN et transportant des molécules spécifiques à l'aide d'un « bras ».

Au-delà des applications médicales, des recherches sont en cours concernant l'utilisation de nanobots à des fins de nettoyage et de restauration de l'environnement. Les nanobots pourraient potentiellement être utilisés pour supprimer métaux lourds toxiques et les plastiques des plans d'eau. Les nanorobots pourraient transporter des composés qui rendent les substances toxiques inertes lorsqu'ils sont combinés, ou ils pourraient être utilisés pour dégrader les déchets plastiques par des processus similaires. Des recherches sont également en cours sur l'utilisation de nanobots pour faciliter la production de puces et de processeurs informatiques extrêmement petits, utilisant essentiellement des nanobots pour produire des circuits informatiques à l'échelle microscopique.