Mik azok a nanobotok? A nanobot szerkezetének, működésének és használatának megértése

A technológia fejlődésével a dolgok nem mindig lesznek nagyobbak és jobbak, hanem a tárgyak is kisebbek lesznek. Valójában a nanotechnológia az egyik leggyorsabban növekvő technológiai terület, több mint 1 billió USD értékben, és az előrejelzések szerint a következő fél évtizedben körülbelül 17%-kal fog növekedni. Nanobotok a nanotechnológiai terület jelentős részét képezik, de mik ezek pontosan és hogyan működnek? Nézzük meg közelebbről a nanobotokat, hogy megértsük, hogyan működik ez az átalakító technológia, és mire használják.

Mik azok a nanobotok?

A nanotechnológia területe körülbelül 100-XNUMX nanométeres léptékű technológia kutatásával és fejlesztésével foglalkozik. Ezért a nanorobotika körülbelül ekkora méretű robotok létrehozására összpontosít. A gyakorlatban nehéz bármit megtervezni egy nanométernél kisebb méretben, és a „nanorobotika” és „nanobot” kifejezés gyakran alkalmazott hozzávetőlegesen 0.1-10 mikrométer méretű eszközökhöz, ami még mindig meglehetősen kicsi.

Fontos megjegyezni, hogy a „nanorobot” kifejezést néha olyan eszközökre alkalmazzák, amelyek kölcsönhatásba lépnek a nanoméretű tárgyakkal, nanoméretű elemeket manipulálva. Ezért, még ha maga az eszköz sokkal nagyobb is, nanorobotikus műszernek tekinthető. Ez a cikk magára a nanoméretű robotokra összpontosít.

A nanorobotika és nanobotok területének nagy része még az elméleti fázisban van, a kutatások az építés problémáinak ilyen kis léptékű megoldására irányulnak. Azonban néhány nanogép és nanomotor prototípusát tervezték és tesztelték.

A legtöbb jelenleg létező nanorobotikus eszköz beleesik négy kategória egyike: kapcsolók, motorok, ingajáratok és autók.

A nanorobotikus kapcsolók úgy működnek, hogy „kikapcsolt” állapotból „be” állapotba kapcsolnak. A környezeti tényezőket használják fel a gép alakjának megváltoztatására, ezt a folyamatot konformációs változásnak nevezik. A környezet olyan folyamatok hatására módosul, mint a kémiai reakciók, az UV-fény és a hőmérséklet, és ennek eredményeként a nanorobotikus kapcsolók különböző formáivá válnak, és képesek specifikus feladatokat ellátni.

A nanomotorok bonyolultabbak, mint az egyszerű kapcsolók, és a konformációs változás hatásaiból származó energiát hasznosítják a környező környezetben lévő molekulák mozgására és hatására.

A shuttle-ok nanorobotok, amelyek képesek vegyi anyagokat, például gyógyszereket szállítani meghatározott, célzott régiókba. A cél az, hogy a siklókat nanorobot motorokkal kombinálják, hogy azok nagyobb fokú mozgásra legyenek képesek a környezetben.

A nanorobotikus „autók” jelenleg a legfejlettebb nanoeszközök, amelyek kémiai vagy elektromágneses katalizátorok utasításaira képesek függetlenül mozogni. A nanorobotikus autókat hajtó nanomotorokat irányítani kell ahhoz, hogy a jármű kormányozható legyen, a kutatók pedig a nanorobotikus vezérlés különféle módszereivel kísérleteznek.

A nanorobotkutatók célja, hogy ezeket a különböző komponenseket és technológiákat nanogépekké szintetizálják, amelyek képesek komplex feladatokat végrehajtani, amelyeket nanobotok rajok együtt dolgoznak.

Fotó: Fotó: "A nanoanyagok méretének összehasonlítása más elterjedt anyagok méreteivel." Sureshup vagy Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hogyan jönnek létre a nanobotok?

A nanorobotika területe számos tudományág metszéspontjában áll, és a nanobotok létrehozása érzékelők, aktuátorok és motorok létrehozásával jár. Fizikai modellezést is el kell végezni, és mindezt nanoméretben. Ahogy fentebb említettük, nanomanipulációs eszközöket használnak ezeknek a nanoméretű alkatrészeknek az összeállítására és a mesterséges vagy biológiai komponensek manipulálására, ami magában foglalja a sejtek és molekulák manipulálását is.

A nanorobotikus mérnököknek képesnek kell lenniük számos probléma megoldására. Foglalkozniuk kell az érzékeléssel, az irányítási erővel, a kommunikációval és a szervetlen és szerves anyagok közötti kölcsönhatásokkal kapcsolatos kérdésekkel.

Egy nanobot mérete nagyjából a biológiai sejtekhez hasonlítható, és emiatt a jövő nanobotjai olyan tudományágakban is alkalmazhatók lesznek, mint az orvostudomány és a környezetvédelem/remediáció. A legtöbb ma létező „nanobot” csak bizonyos molekulák, amelyeket bizonyos feladatok elvégzése érdekében manipuláltak. 

A komplex nanobotok lényegében csak egyszerű molekulák, amelyeket összekapcsolnak és kémiai folyamatokkal manipulálnak. Például néhány nanobot DNS-ből áll, és ők molekuláris rakomány szállítása.

Hogyan működnek a nanobotok?

Tekintettel a nanobotok még mindig erősen elméleti természetére, a nanobotok működésével kapcsolatos kérdésekre inkább előrejelzések, semmint tényállítások adnak választ. Valószínű, hogy a nanobotok első jelentősebb felhasználása az orvosi területen lesz, az emberi testen áthaladva, és olyan feladatokat hajt végre, mint a betegségek diagnosztizálása, a létfontosságú anyagok monitorozása és a kezelések kiosztása. Ezeknek a nanobotoknak képesnek kell lenniük eligazodni az emberi testben, és át kell haladniuk a szöveteken, például az ereken.

Navigáció

Ami a nanobot navigációt illeti, a nanobot kutatók és mérnökök számos technikát vizsgálnak. A navigáció egyik módja az ultrahangos jelek észlelése és telepítése. A nanobot ultrahangos jeleket bocsáthat ki, amelyek nyomon követhetőek a nanobotok helyzetének meghatározásához, majd a robotokat egy speciális eszközzel, amely irányítja a mozgásukat, meghatározott területekre irányíthatják. Mágneses rezonancia képalkotó (MRI) eszközök is használhatók a nanobotok helyzetének nyomon követésére, és korai MRI-kísérletek bebizonyították, hogy a technológia használható nanobotok észlelésére és akár manőverezésére is. A nanobotok észlelésének és manőverezésének egyéb módszerei közé tartozik a röntgensugárzás, a mikrohullámú és a rádióhullámok használata. Jelenleg ezeknek a hullámoknak a nanoméretű szabályozása meglehetősen korlátozott, ezért új módszereket kellene feltalálni ezeknek a hullámoknak a hasznosítására.

A fent leírt navigációs és észlelési rendszerek külső módszerek, amelyek a nanobotok mozgatására szolgáló eszközök használatára támaszkodnak. A beépített érzékelők hozzáadásával a nanobotok autonómabbak lehetnek. Például a nanobotok fedélzetén található kémiai érzékelők lehetővé teszik a robot számára, hogy átvizsgálja a környező környezetet, és kövesse bizonyos kémiai markereket a célterületre.

Power

Ami a nanobotok meghajtását illeti, szintén sokféle létezik energiamegoldásokat kutatnak a kutatók. A nanobotok táplálására szolgáló megoldások közé tartoznak a külső áramforrások és a fedélzeti/belső áramforrások.

A belső áramellátási megoldások közé tartoznak a generátorok és a kondenzátorok. A nanobot fedélzetén lévő generátorok felhasználhatják a vérben található elektrolitokat energia előállítására, vagy a nanobotokat akár a környező vér kémiai katalizátorként történő felhasználásával is működtethetik, amely energiát termel, ha a nanobot által magával vitt vegyi anyaggal kombinálják. A kondenzátorok az akkumulátorokhoz hasonlóan működnek, elektromos energiát tárolnak, amelyet a nanobot meghajtására lehetne használni. Más lehetőségeket is mérlegeltek, mint például az apró nukleáris energiaforrásokat.

Ami a külső áramforrásokat illeti, hihetetlenül kicsi, vékony vezetékek köthetik a nanobotokat egy külső áramforráshoz. Az ilyen vezetékeket miniatűr optikai kábelekből lehet készíteni, amelyek fényimpulzusokat küldenek le a vezetékeken, és a tényleges elektromosságot a nanobotban állítják elő.

Egyéb külső áramellátási megoldások közé tartoznak a mágneses mezők vagy az ultrahangos jelek. A nanobotok alkalmazhatnának valami piezoelektromos membránt, amely képes ultrahanghullámokat összegyűjteni és elektromos energiává alakítani. Mágneses mezők használhatók elektromos áramok katalizálására a nanobot fedélzetén lévő zárt vezető hurokban. Bónuszként a mágneses mezőt a nanobot irányának szabályozására is lehetne használni.

Mozgás

A probléma megoldása nanobot mozgás ötletes megoldásokat igényel. Azoknak a nanobotoknak, amelyek nincsenek lekötve, vagy nem csak szabadon lebegnek a környezetükben, rendelkezniük kell valamilyen módszerrel a célhelyükre való eljutáshoz. A propulziós rendszernek erősnek és stabilnak kell lennie, hogy képes legyen a nanobotot a környező környezet áramaival, például a véráramlással szemben megmozdítani. A vizsgált meghajtási megoldásokat gyakran a természeti világ ihlette, a kutatók azt vizsgálják, hogyan mozognak a mikroszkópos organizmusok a környezetükön. Például a mikroorganizmusok gyakran használnak hosszú, ostorszerű farkat, úgynevezett flagellákat, hogy megmozdítsák magukat, vagy számos apró, szőrszerű végtagot használnak, amelyeket csillóknak neveznek.

A kutatók kísérleteznek a robotok kicsinyítésével is karszerű függelékek ami lehetővé teszi a robot számára, hogy úszni, kapaszkodni és kúszni tudjon. Jelenleg ezeket a függelékeket a testen kívüli mágneses mezők vezérlik, mivel a mágneses erő rezgésre készteti a robot karjait. Ennek a helyváltoztatási módszernek további előnye, hogy az ehhez szükséges energia külső forrásból származik. Ezt a technológiát még kisebbre kellene tenni ahhoz, hogy életképes legyen az igazi nanobotok számára.

Vannak más, ötletesebb meghajtási stratégiák is vizsgálat alatt. Egyes kutatók például kondenzátorok felhasználását javasolták egy elektromágneses szivattyú megtervezésére, amely vezető folyadékokat von be, és kilő. mint egy sugárhajtású, előrehajtva a nanobotot.

A nanobotok esetleges alkalmazásától függetlenül meg kell oldaniuk a fent leírt problémákat, a navigáció, a helyváltoztatás és az energia kezelését.

Mire használhatók a nanobotok?

Mint említettük, a nanobotok első felhasználásai valószínűleg benne lesz az orvosi terület. A nanobotok felhasználhatók a test sérüléseinek megfigyelésére, és esetleg még a sérülések helyreállítását is megkönnyíthetik. A jövő nanobotjai közvetlenül azokhoz a sejtekhez juttathatják a gyógyszert, amelyeknek szükségük van rájuk. Jelenleg a gyógyszereket orálisan vagy intravénásan adják be, és az egész szervezetben szétterjednek, ahelyett, hogy csak a célterületeket érintenék, és mellékhatásokat okoznának. Az érzékelőkkel felszerelt nanobotok könnyen használhatók a sejtrégiók változásainak nyomon követésére, és a károsodás vagy meghibásodás első jelére jelenthetik a változásokat.

Még mindig nagyon messze vagyunk ezektől a hipotetikus alkalmazásoktól, de folyamatosan történik előrelépés. Példaként 2017-ben tudósok nanobotokat hozott létre, amelyek a rákos sejteket célozták meg és megtámadta őket egy miniatűr fúróval, megölve őket. Idén az ITMO Egyetem kutatóinak egy csoportja DNS-fragmensekből álló nanobotot tervezett. képes elpusztítani a patogén RNS-szálakat. A DNS-alapú nanobotok jelenleg molekuláris rakomány szállítására is alkalmasak. A nanobot három különböző DNS-szakaszból épül fel, DNS „lábbal” manőverez, és egy „kar” segítségével specifikus molekulákat szállít.

Az orvosi alkalmazásokon túl kutatások folynak a nanobotok környezettisztítási és kármentesítési célú felhasználásával kapcsolatban. Nanobotok potenciálisan használhatók az eltávolításra mérgező nehézfémek és a műanyag víztestekből. A nanobotok olyan vegyületeket hordozhatnak, amelyek egymással kombinálva közömbössé teszik a mérgező anyagokat, vagy felhasználhatók a műanyaghulladék lebontására hasonló eljárások során. Kutatások folynak a nanobotok használatával kapcsolatban is, amelyek megkönnyítik a rendkívül kicsi számítógépes chipek és processzorok előállítását, lényegében nanobotokat használva mikroméretű számítógépes áramkörök előállítására.