Što su nanoboti? Razumijevanje strukture, rada i upotrebe nanobota

Kako tehnologija napreduje, stvari ne postaju uvijek veće i bolje, objekti također postaju manji. Zapravo, nanotehnologija je jedno od najbrže rastućih tehnoloških područja, vrijedno više od 1 trilijun USD, a predviđa se da će porasti za približno 17% u sljedećih pola desetljeća. Nanoboti su glavni dio polja nanotehnologije, ali što su oni točno i kako djeluju? Pogledajmo pobliže nanobote kako bismo razumjeli kako ova transformativna tehnologija funkcionira i za što se koristi.

Što su nanoboti?

Područje nanotehnologije bavi se istraživanjem i razvojem tehnologije u mjerilu od približno jedan do 100 nanometara. Stoga je nanorobotika usmjerena na stvaranje robota koji su otprilike te veličine. U praksi je teško konstruirati nešto tako malo u mjerilu od jednog nanometra, a izraz "nanorobotika" i "nanobot" često se primijenjen na uređaje koji su veličine otprilike 0.1 – 10 mikrometara, što je još uvijek prilično malo.

Važno je napomenuti da se izraz "nanorobot" ponekad primjenjuje na uređaje koji stupaju u interakciju s objektima na nanorazini, manipulirajući predmetima na nanoskali. Stoga, čak i ako je sam uređaj mnogo veći, može se smatrati nanorobotskim instrumentom. Ovaj će se članak usredotočiti na same nano robote.

Velik dio područja nanorobotike i nanobota još uvijek je u teorijskoj fazi, s istraživanjem usmjerenim na rješavanje problema konstrukcije u tako maloj mjeri. Međutim, neki prototipovi nanomošina i nanomotora su dizajnirani i testirani.

Većina trenutno postojećih nanorobotskih uređaja spada u jedna od četiri kategorije: prekidači, motori, šatlovi i automobili.

Nanorobotski prekidači rade tako da se od njih traži da se prebace iz stanja "isključeno" u stanje "uključeno". Čimbenici okoline koriste se kako bi stroj promijenio oblik, proces koji se naziva konformacijska promjena. Okoliš se mijenja korištenjem procesa poput kemijskih reakcija, UV svjetla i temperature, a nanorobotski prekidači kao rezultat toga prelaze u različite oblike, sposobni za obavljanje specifičnih zadataka.

Nanomotori su složeniji od jednostavnih prekidača i koriste energiju stvorenu učincima konformacijske promjene kako bi se kretali i utjecali na molekule u okolnom okruženju.

Šatlovi su nanoroboti koji su sposobni transportirati kemikalije poput lijekova u određene, ciljane regije. Cilj je kombinirati shuttleove s nanorobotskim motorima tako da shuttleovi budu sposobni za veći stupanj kretanja kroz okolinu.

Nanorobotski "automobili" trenutno su najnapredniji nanouređaji, sposobni se samostalno kretati uz poticaje kemijskih ili elektromagnetskih katalizatora. Nanomotorima koji pokreću nanorobotske automobile potrebno je upravljati kako bi se vozilo moglo upravljati, a istraživači eksperimentiraju s različitim metodama nanorobotske kontrole.

Istraživači nanorobotike imaju za cilj sintetizirati te različite komponente i tehnologije u nanomašine koje mogu izvršiti složene zadatke, a koje ostvaruju rojevi nanobota koji rade zajedno.

Fotografija: Fotografija: ” Usporedba veličina nanomaterijala s veličinama drugih uobičajenih materijala.” Sureshup ili Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Kako nastaju nanoboti?

Područje nanorobotike nalazi se na raskrižju mnogih disciplina, a stvaranje nanobota uključuje stvaranje senzora, aktuatora i motora. Mora se napraviti i fizičko modeliranje, a sve to mora biti učinjeno na nanoskali. Kao što je gore spomenuto, uređaji za nanomanipulaciju koriste se za sastavljanje tih dijelova u nanorazmjerima i manipuliranje umjetnim ili biološkim komponentama, što uključuje manipuliranje stanicama i molekulama.

Inženjeri nanorobotike moraju biti u stanju riješiti mnoštvo problema. Moraju se pozabaviti pitanjima koja se tiču ​​osjeta, moći kontrole, komunikacije i interakcija između anorganskih i organskih materijala.

Veličina nanobota otprilike je usporediva s biološkim stanicama i zbog te bi se činjenice budući nanoboti mogli koristiti u disciplinama kao što su medicina i očuvanje/remedijacija okoliša. Većina "nanobota" koji danas postoje samo su specifične molekule kojima se manipuliralo kako bi se izvršili određeni zadaci. 

Složeni nanoboti su u biti samo jednostavne molekule spojene zajedno i kojima se upravlja kemijskim procesima. Na primjer, neki nanoboti jesu sastavljen od DNK, i oni prijevoz molekularnog tereta.

Kako funkcioniraju nanoboti?

S obzirom na još uvijek izrazito teoretsku prirodu nanobota, na pitanja o tome kako nanoboti funkcioniraju odgovara se predviđanjima, a ne činjenicama. Vjerojatno je da će prva velika upotreba nanobota biti u medicinskom polju, kretanje kroz ljudsko tijelo i obavljanje zadataka kao što su dijagnosticiranje bolesti, praćenje vitalnih organa i davanje tretmana. Ovi nanoboti morat će se moći kretati ljudskim tijelom i kretati se kroz tkiva poput krvnih žila.

navigacija

Što se tiče navigacije nanobotima, postoji niz tehnika koje istraživači i inženjeri nanobota istražuju. Jedna od metoda navigacije je korištenje ultrazvučnih signala za otkrivanje i postavljanje. Nanobot bi mogao emitirati ultrazvučne signale koji bi se mogli pratiti kako bi se locirao položaj nanobota, a roboti bi zatim mogli biti vođeni na određena područja pomoću posebnog alata koji usmjerava njihovo kretanje. Uređaji za magnetsku rezonanciju (MRI) također se mogu koristiti za praćenje položaja nanobota, i rani pokusi s MRI su pokazali da se tehnologija može koristiti za otkrivanje i čak manevriranje nanobota. Ostale metode otkrivanja i manevriranja nanobota uključuju korištenje X-zraka, mikrovalova i radio-valova. Trenutačno je naša kontrola ovih valova na nano skali prilično ograničena, pa bi se morale izmisliti nove metode korištenja ovih valova.

Gore opisani sustavi navigacije i detekcije vanjske su metode koje se oslanjaju na korištenje alata za pomicanje nanobota. Uz dodatak ugrađenih senzora, nanoboti bi mogli biti autonomniji. Na primjer, kemijski senzori uključeni u nanobote mogli bi robotu omogućiti skeniranje okolnog okoliša i praćenje određenih kemijskih markera do ciljne regije.

Vlast

Što se tiče napajanja nanobota, također ih ima mnogo energetska rješenja koja istražuju istraživači. Rješenja za napajanje nanobota uključuju vanjske izvore napajanja i ugrađene/unutarnje izvore napajanja.

Rješenja za unutarnje napajanje uključuju generatore i kondenzatore. Generatori na nanobotu mogli bi koristiti elektrolite koji se nalaze u krvi za proizvodnju energije ili bi se nanoboti čak mogli napajati koristeći okolnu krv kao kemijski katalizator koji proizvodi energiju u kombinaciji s kemikalijom koju nanobot nosi sa sobom. Kondenzatori rade slično baterijama, pohranjujući električnu energiju koja bi se mogla koristiti za pogon nanobota. Razmatrane su i druge mogućnosti poput malih nuklearnih izvora energije.

Što se tiče vanjskih izvora energije, nevjerojatno male, tanke žice mogle bi povezati nanobote s vanjskim izvorom energije. Takve žice mogu biti izrađene od minijaturnih optičkih kabela, slanjem svjetlosnih impulsa niz žice i stvaranjem električne energije unutar nanobota.

Ostala rješenja vanjskog napajanja uključuju magnetska polja ili ultrazvučne signale. Nanoboti bi mogli koristiti nešto što se zove piezoelektrična membrana, koja je sposobna skupljati ultrazvučne valove i pretvarati ih u električnu energiju. Magnetska polja mogu se koristiti za kataliziranje električnih struja unutar zatvorene vodljive petlje koja se nalazi na brodu nanobota. Kao bonus, magnetsko polje se također može koristiti za kontrolu smjera nanobota.

kretanje

Rješavanje problema kretanje nanobota zahtijeva neka inventivna rješenja. Nanoboti koji nisu privezani, ili ne lebde samo slobodno u svojoj okolini, trebaju imati neku metodu kretanja do svojih ciljnih lokacija. Pogonski sustav mora biti snažan i stabilan, sposoban pokretati nanobota protiv struja u okolini, poput protoka krvi. Pogonska rješenja koja se istražuju često su inspirirana prirodnim svijetom, a istraživači promatraju kako se mikroskopski organizmi kreću kroz svoj okoliš. Na primjer, mikroorganizmi često koriste dugačke repove poput biča koji se nazivaju flagele da bi se pokrenuli ili koriste brojne sićušne udove poput dlaka koji se nazivaju cilije.

Istraživači također eksperimentiraju s malim robotima privjesci poput krakova koji bi robotu mogli omogućiti plivanje, hvatanje i puzanje. Trenutno se ti dodaci kontroliraju putem magnetskih polja izvan tijela, budući da magnetska sila tjera robotove ruke da vibriraju. Dodatna prednost ove metode kretanja je ta što energija za nju dolazi iz vanjskog izvora. Ovu bi tehnologiju trebalo učiniti još manjom kako bi bila održiva za prave nanobote.

Postoje i druge, inventivnije, pogonske strategije koje se također istražuju. Na primjer, neki su istraživači predložili korištenje kondenzatora za izradu elektromagnetske pumpe koja bi uvlačila vodljive tekućine i izbacivala ih poput mlažnjaka, gurajući nanobota naprijed.

Bez obzira na eventualnu primjenu nanobota, oni moraju riješiti gore opisane probleme, upravljanje navigacijom, kretanjem i snagom.

Za što se koriste nanoboti?

Kao što je spomenuto, prve namjene za nanobote vjerojatno će biti unutra medicinsko polje. Nanoboti bi se mogli koristiti za praćenje oštećenja tijela, a potencijalno čak i olakšati popravak te štete. Budući nanoboti mogli bi dostavljati lijekove izravno stanicama koje ih trebaju. Trenutačno se lijekovi daju oralno ili intravenozno i ​​šire se tijelom umjesto da pogađaju samo ciljne regije, uzrokujući nuspojave. Nanoboti opremljeni senzorima mogli bi se lako koristiti za praćenje promjena u dijelovima stanica, prijavljujući promjene na prvi znak oštećenja ili kvara.

Još smo daleko od ovih hipotetskih primjena, ali napredak se stalno postiže. Primjerice, 2017. znanstvenici stvorio nanobote koji ciljaju stanice raka i napali ih minijaturiziranom bušilicom, ubivši ih. Ove je godine grupa istraživača sa Sveučilišta ITMO dizajnirala nanobota sastavljenog od fragmenata DNK, sposobni uništiti patogene RNA lance. Nanoboti temeljeni na DNK također su trenutno sposobni transportirati molekularni teret. Nanobot se sastoji od tri različita dijela DNK, manevrirajući pomoću DNK "noge" i noseći specifične molekule pomoću "ruke".

Osim medicinskih primjena, provode se istraživanja o korištenju nanobota u svrhu čišćenja i sanacije okoliša. Nanoboti bi se potencijalno mogli koristiti za uklanjanje otrovni teški metali i plastika iz vodenih tijela. Nanoboti bi mogli nositi spojeve koji otrovne tvari čine inertnima kada se spoje zajedno ili bi se mogli koristiti za razgradnju plastičnog otpada kroz slične procese. Također se provode istraživanja o korištenju nanobota za olakšavanje proizvodnje iznimno malih računalnih čipova i procesora, u osnovi korištenjem nanobota za proizvodnju mikrorazmjernih računalnih sklopova.