Hvað eru Nanobots? Skilningur á uppbyggingu, rekstri og notkun Nanobot

Eftir því sem tækninni fleygir fram verða hlutirnir ekki alltaf stærri og betri, hlutir verða líka minni. Reyndar er nanótækni eitt af þeim tæknisviðum sem vex hvað hraðast, að verðmæti yfir 1 trilljón Bandaríkjadala, og er spáð að hún muni vaxa um um það bil 17% á næsta hálfa áratug. Nanóbotar eru stór hluti af nanótæknisviðinu, en hverjar eru þær nákvæmlega og hvernig starfa þær? Við skulum skoða nanóbotna nánar til að skilja hvernig þessi umbreytingartækni virkar og til hvers hún er notuð.

Hvað eru Nanobots?

Sviðið nanótækni snýst um rannsóknir og þróun tækni sem er um það bil einn til 100 nanómetrar að stærð. Þess vegna beinist nanorobotics að því að búa til vélmenni sem eru í kringum þessa stærð. Í reynd er erfitt að búa til eitthvað svo lítið sem einn nanómetra að stærð og hugtakið „nanorobotics“ og „nanobot“ er oft beitt til tækja sem eru um það bil 0.1 – 10 míkrómetrar að stærð, sem er samt frekar lítið.

Það er mikilvægt að hafa í huga að hugtakið „nanorobot“ er stundum notað um tæki sem hafa samskipti við hluti á nanóskala og vinna með hluti á nanóskala. Þess vegna, jafnvel þótt tækið sjálft sé miklu stærra, getur það talist nanóvélmenni. Þessi grein mun fjalla um vélmenni á nanóskala sjálfum.

Mikið af sviði nanóvélfærafræði og nanóbotna er enn í fræðilegum áfanga, þar sem rannsóknir beinast að því að leysa vandamál smíði á svo litlum mælikvarða. Hins vegar hafa nokkrar frumgerðir nanóvéla og nanómótora verið hannaðar og prófaðar.

Flest núverandi nanorobotic tæki falla inn í einn af fjórum flokkum: rofar, mótorar, skutlur og bílar.

Nanorobotic rofar starfa með því að vera beðinn um að skipta úr „slökkt“ ástandi í „kveikt“ ástand. Umhverfisþættir eru notaðir til að láta vélina breyta lögun, ferli sem kallast sköpulagsbreyting. Umhverfinu er breytt með því að nota ferla eins og efnahvörf, UV ljós og hitastig, og nanóvélfærarofarnir breytast í mismunandi form fyrir vikið, sem geta sinnt sérstökum verkefnum.

Nanóhreyflar eru flóknari en einfaldir rofar og þeir nýta orkuna sem myndast við áhrif sköpulagsbreytingarinnar til að hreyfa sig og hafa áhrif á sameindirnar í umhverfinu í kring.

Skutlur eru nanóvélmenni sem geta flutt efni eins og lyf til ákveðinna marksvæða. Markmiðið er að sameina skutlur við nanóvélbotnamótora þannig að skutlurnar séu færar um meiri hreyfingu um umhverfi.

Nanórobotískir „bílar“ eru fullkomnustu nanótækin í augnablikinu, sem geta hreyft sig sjálfstætt með leiðbeiningum frá efna- eða rafsegulhvata. Stýra þarf nanóhreyflum sem knýja nanóvélfærabíla til þess að hægt sé að stýra ökutækinu og eru vísindamenn að gera tilraunir með ýmsar aðferðir við nanóvélfærastýringu.

Vísindamenn í nanóvélfræði miða að því að búa til þessa mismunandi íhluti og tækni í nanóvélar sem geta klárað flókin verkefni, unnin af kvikum nanóbotna sem vinna saman.

Mynd: Mynd: "Samburður á stærðum nanóefna við stærðir annarra algengra efna." Sureshup á Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hvernig eru Nanobots búnir til?

Sviðið nanóvélfærafræði er á krossgötum margra fræðigreina og sköpun nanóbotna felur í sér gerð skynjara, stýrisbúnaðar og mótora. Líkamslíkön verða líka að fara fram og allt þetta verður að gera á nanóskala. Eins og getið er hér að ofan eru nanómeðferðartæki notuð til að setja saman þessa nano-kvarða hluta og vinna með gervi eða líffræðilega hluti, sem felur í sér meðferð frumna og sameinda.

Nanorobotics verkfræðingar verða að geta leyst fjölmörg vandamál. Þeir verða að taka á málum varðandi skynjun, stjórnunarvald, samskipti og samskipti milli bæði ólífrænna og lífrænna efna.

Stærð nanóbotna er nokkurn veginn sambærileg við líffræðilegar frumur, og vegna þessarar staðreyndar gætu framtíðar nanóbotar verið notaðir í greinum eins og læknisfræði og umhverfisvernd / endurbætur. Flestir „nanobotar“ sem eru til í dag eru bara sérstakar sameindir sem hafa verið handleikar til að framkvæma ákveðin verkefni. 

Flóknir nanóbottar eru í rauninni bara einfaldar sameindir tengdar saman og meðhöndlaðar með efnaferlum. Til dæmis, sumir nanóbottar eru það samanstendur af DNA, og þeir flytja sameindafarm.

Hvernig virka Nanobots?

Í ljósi þess að nanóbotar eru enn mjög fræðilegir, er spurningum um hvernig nanóbotar starfa, svarað með spám frekar en staðhæfingum um staðreyndir. Það er líklegt að fyrstu helstu notkun nanóbotna verði á læknisfræðilegu sviði, fara í gegnum mannslíkamann og sinna verkefnum eins og að greina sjúkdóma, fylgjast með lífsnauðsynlegum efnum og dreifa meðferðum. Þessir nanóbottar þurfa að geta siglt um mannslíkamann og farið í gegnum vefi eins og æðar.

Navigation

Hvað varðar nanobot siglingar, þá eru margvíslegar aðferðir sem vísindamenn og verkfræðingar nanobot eru að rannsaka. Ein leið til að sigla er að nota úthljóðsmerki til að greina og dreifa. Nanóbotni gæti sent frá sér hljóðmerki sem hægt væri að rekja til að staðsetja stöðu nanóbotna og síðan væri hægt að leiðbeina vélmennunum á ákveðin svæði með því að nota sérstakt verkfæri sem stýrir hreyfingu þeirra. Einnig væri hægt að nota segulómun (MRI) tæki til að rekja stöðu nanóbotna og snemma tilraunir með segulómun hafa sýnt fram á að hægt er að nota tæknina til að greina og jafnvel stjórna nanóbottum. Aðrar aðferðir til að greina og stjórna nanóbottum eru meðal annars notkun röntgengeisla, örbylgjuofna og útvarpsbylgna. Í augnablikinu er stjórn okkar á þessum bylgjum á nanó-kvarða frekar takmörkuð, þannig að nýjar aðferðir til að nýta þessar bylgjur þyrfti að finna upp.

Leiðsögu- og greiningarkerfin sem lýst er hér að ofan eru utanaðkomandi aðferðir, sem treysta á notkun tækja til að færa nanóbotna. Með því að bæta við skynjurum um borð gætu nanóbotnarnir verið sjálfstæðari. Til dæmis gætu efnaskynjarar innifalið um borð í nanóbottum gert vélmenninu kleift að skanna umhverfið í kring og fylgja ákveðnum efnamerkjum að marksvæði.

Power

Þegar kemur að því að knýja nanóbotnana eru líka til margs konar orkulausnir sem vísindamenn kanna. Lausnir til að knýja nanóbotna eru meðal annars ytri aflgjafar og innri/innri aflgjafar.

Innri orkulausnir innihalda rafala og þétta. Rafalar um borð í nanóbotninum gætu notað raflausnina sem finnast í blóðinu til að framleiða orku, eða nanobotar gætu jafnvel verið knúnir með því að nota nærliggjandi blóð sem efnahvata sem framleiðir orku þegar það er blandað saman við efni sem nanobotinn ber með sér. Þéttar virka á svipaðan hátt og rafhlöður og geyma raforku sem hægt er að nota til að knýja fram nanóbotann. Aðrir kostir eins og örsmáir kjarnorkugjafar hafa jafnvel verið skoðaðir.

Hvað ytri aflgjafa ná til, þá gætu ótrúlega litlir, þunnir vírar tengt nanóbotna við utanaðkomandi aflgjafa. Slíkir vírar gætu verið búnir til úr litlum ljósleiðarasnúrum, sent ljóspúls niður um vírana og látið raunverulega rafmagnið myndast innan nanóbotnsins.

Aðrar ytri orkulausnir eru segulsvið eða úthljóðsmerki. Nanobots gætu notað eitthvað sem kallast piezoelectric himna, sem er fær um að safna úthljóðsbylgjum og umbreyta þeim í raforku. Hægt er að nota segulsvið til að hvetja rafstrauma innan lokaðrar leiðslulykkja sem er um borð í nanóbotninum. Sem bónus gæti segulsviðið einnig verið notað til að stjórna stefnu nanóbotnsins.

Hreyfing

Að takast á við vandamálið hreyfing nanóbotna krefst frumlegra lausna. Nanobotar sem eru ekki tjóðraðir, eða eru ekki bara lausir fljótandi í umhverfi sínu, þurfa að hafa einhverja aðferð til að færa sig á markstaðina. Knúningskerfið þarf að vera öflugt og stöðugt, geta knúið nanóbotninn áfram gegn straumum í umhverfi sínu, eins og blóðflæði. Driflausnir sem verið er að rannsaka eru oft innblásnar af náttúrunni, þar sem vísindamenn skoða hvernig smásjárlífverur fara í gegnum umhverfi sitt. Til dæmis nota örverur oft langa, svipulíka hala sem kallast flagella til að knýja sig áfram, eða þær nota nokkra örsmáa, hárlíka útlimi sem kallast cilia.

Vísindamenn eru einnig að gera tilraunir með að gefa vélmenni smá handleggslík viðhengi sem gæti gert vélmenninu kleift að synda, grípa og skríða. Eins og er, er þessum viðaukum stjórnað með segulsviðum utan líkamans, þar sem segulkrafturinn hvetur handleggi vélmennisins til að titra. Aukinn ávinningur við þessa hreyfingaraðferð er að orkan fyrir hana kemur frá utanaðkomandi uppsprettu. Það þyrfti að gera þessa tækni enn minni til að gera hana raunhæfa fyrir sanna nanóbotna.

Það eru aðrar, frumlegri, knýjandi aðferðir einnig til rannsóknar. Til dæmis hafa sumir vísindamenn lagt til að nota þétta til að búa til rafseguldælu sem myndi draga leiðandi vökva inn og skjóta honum út eins og þota, knýr nanóbotninn áfram.

Burtséð frá því hvaða notkun nanóbotna verður að lokum, verða þeir að leysa vandamálin sem lýst er hér að ofan, meðhöndla siglingar, hreyfingar og afl.

Til hvers eru nanóbottar notaðir?

Eins og getið er, fyrstu notkunin fyrir nanóbotna verður líklega inni læknasviðinu. Nanobots gætu verið notaðir til að fylgjast með skemmdum á líkamanum og hugsanlega jafnvel auðvelda viðgerð á þessum skemmdum. Nanóbotar framtíðarinnar gætu afhent lyf beint til frumanna sem þurfa á þeim að halda. Eins og er, eru lyf gefin til inntöku eða í bláæð og þau dreifast um líkamann í stað þess að slá aðeins á marksvæðin og valda aukaverkunum. Auðvelt væri að nota nanobota sem eru búnir skynjurum til að fylgjast með breytingum á svæðum frumna og tilkynna breytingar við fyrstu merki um skemmdir eða bilun.

Við erum enn langt í burtu frá þessum tilgátu umsóknum, en framfarir eru alltaf að verða. Sem dæmi, árið 2017 vísindamenn búið til nanóbotna sem beittu krabbameinsfrumum og réðst á þá með litlum borvél og drap þá. Á þessu ári hannaði hópur vísindamanna frá ITMO háskólanum nanóbot sem samanstendur af DNA brotum, geta eyðilagt sjúkdómsvaldandi RNA þræði. DNA-undirstaða nanóbottar eru einnig færir um að flytja sameindafarm.

Fyrir utan læknisfræðilegar umsóknir eru rannsóknir gerðar varðandi notkun nanóbotna í þeim tilgangi að hreinsa og bæta umhverfið. Nanobots gætu hugsanlega verið notaðir til að fjarlægja eitraða þungmálma og plasti úr vatnshlotum. Nanóbotnarnir gætu borið efnasambönd sem gera eitruð efni óvirk þegar þau eru sameinuð saman, eða þeir gætu verið notaðir til að brjóta niður plastúrgang með svipuðum ferlum. Einnig er unnið að rannsóknum á notkun nanóbotna til að auðvelda framleiðslu á mjög litlum tölvuflögum og örgjörvum, aðallega með því að nota nanóbotna til að framleiða smátölvurásir.