Cosa sono i Nanobot? Comprensione della struttura, del funzionamento e degli usi dei nanobot

Con l'avanzare della tecnologia, le cose non sempre diventano più grandi e migliori, ma anche gli oggetti diventano più piccoli. In effetti, la nanotecnologia è uno dei settori tecnologici in più rapida crescita, con un valore di oltre 1 trilione di dollari, e si prevede che crescerà di circa il 17% nel prossimo mezzo decennio. nanobot sono una parte importante del campo delle nanotecnologie, ma cosa sono esattamente e come funzionano? Diamo un'occhiata più da vicino ai nanobot per capire come funziona questa tecnologia trasformativa e per cosa viene utilizzata.

Cosa sono i nanobot?

Il campo della nanotecnologia riguarda la ricerca e lo sviluppo della tecnologia di circa uno a 100 nanometri in scala. Pertanto, la nanorobotica si concentra sulla creazione di robot di queste dimensioni. In pratica, è difficile progettare qualcosa di piccolo come un nanometro in scala e il termine "nanorobotica" e "nanobot" è spesso applicato a dispositivi che hanno una dimensione di circa 0.1 – 10 micrometri, che è ancora piuttosto piccola.

È importante notare che il termine "nanorobot" viene talvolta applicato a dispositivi che interagiscono con oggetti su scala nanometrica, manipolando oggetti su scala nanometrica. Pertanto, anche se il dispositivo stesso è molto più grande, può essere considerato uno strumento nanorobotico. Questo articolo si concentrerà sugli stessi robot su scala nanometrica.

Gran parte del campo della nanorobotica e dei nanobot è ancora nella fase teorica, con la ricerca focalizzata sulla risoluzione dei problemi di costruzione su scala così ridotta. Tuttavia, alcuni prototipi di nanomacchine e nanomotori sono stati progettati e testati.

La maggior parte dei dispositivi nanorobotici attualmente esistenti rientra in una delle quattro categorie: interruttori, motori, navette e automobili.

Gli interruttori nanorobotici funzionano ricevendo la richiesta di passare da uno stato "off" a uno stato "on". I fattori ambientali vengono utilizzati per far cambiare forma alla macchina, un processo chiamato cambiamento conformazionale. L'ambiente viene alterato utilizzando processi come reazioni chimiche, luce UV e temperatura, e di conseguenza gli interruttori nanorobotici si trasformano in forme diverse, in grado di svolgere compiti specifici.

I nanomotori sono più complessi dei semplici interruttori e utilizzano l'energia creata dagli effetti del cambiamento conformazionale per muoversi e influenzare le molecole nell'ambiente circostante.

Le navette sono nanorobot in grado di trasportare sostanze chimiche come i farmaci in regioni specifiche e mirate. L'obiettivo è combinare le navette con i motori dei nanorobot in modo che le navette siano in grado di compiere un maggior grado di movimento attraverso un ambiente.

Le "macchine" nanorobotiche sono i nanodispositivi più avanzati al momento, in grado di muoversi indipendentemente con gli stimoli di catalizzatori chimici o elettromagnetici. I nanomotori che guidano le auto nanorobotiche devono essere controllati affinché il veicolo possa essere sterzato e i ricercatori stanno sperimentando vari metodi di controllo nanorobotico.

I ricercatori di nanorobotica mirano a sintetizzare questi diversi componenti e tecnologie in nanomacchine in grado di completare compiti complessi, realizzati da sciami di nanobot che lavorano insieme.

Foto: Foto: "Confronto delle dimensioni dei nanomateriali con quelle di altri materiali comuni." Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Come vengono creati i nanobot?

Il campo della nanorobotica è al crocevia di molte discipline e la creazione di nanobot comporta la creazione di sensori, attuatori e motori. Anche la modellazione fisica deve essere eseguita e tutto ciò deve essere fatto su scala nanometrica. Come accennato in precedenza, i dispositivi di nanomanipolazione vengono utilizzati per assemblare queste parti su scala nanometrica e manipolare componenti artificiali o biologici, che include la manipolazione di cellule e molecole.

Gli ingegneri nanorobotici devono essere in grado di risolvere una moltitudine di problemi. Devono affrontare questioni riguardanti la sensazione, il potere di controllo, le comunicazioni e le interazioni tra materiali sia inorganici che organici.

La dimensione di un nanobot è approssimativamente paragonabile alle cellule biologiche, e per questo motivo i futuri nanobot potrebbero essere impiegati in discipline come la medicina e la conservazione/risanamento ambientale. La maggior parte dei "nanobot" che esistono oggi sono solo molecole specifiche che sono state manipolate per svolgere determinati compiti. 

I nanobot complessi sono essenzialmente semplici molecole unite insieme e manipolate con processi chimici. Ad esempio, alcuni nanobot lo sono costituito da DNA, e loro trasporto di carichi molecolari.

Come funzionano i nanobot?

Data la natura ancora fortemente teorica dei nanobot, alle domande su come funzionano i nanobot si risponde con previsioni piuttosto che affermazioni di fatto. È probabile che i primi usi principali dei nanobot saranno in campo medico, muovendosi attraverso il corpo umano e svolgendo compiti come diagnosticare malattie, monitorare parametri vitali ed erogare trattamenti. Questi nanobot dovranno essere in grado di orientarsi nel corpo umano e muoversi attraverso i tessuti come i vasi sanguigni.

Navigazione

In termini di navigazione dei nanobot, ci sono una varietà di tecniche che i ricercatori e gli ingegneri dei nanobot stanno studiando. Un metodo di navigazione è l'utilizzo di segnali ultrasonici per il rilevamento e la distribuzione. Un nanobot potrebbe emettere segnali ultrasonici che potrebbero essere tracciati per localizzare la posizione dei nanobot, e i robot potrebbero quindi essere guidati verso aree specifiche con l'uso di uno strumento speciale che ne dirige il movimento. I dispositivi di risonanza magnetica (MRI) potrebbero anche essere impiegati per tracciare la posizione dei nanobot e primi esperimenti con la risonanza magnetica hanno dimostrato che la tecnologia può essere utilizzata per rilevare e persino manovrare i nanobot. Altri metodi per rilevare e manovrare i nanobot includono l'uso di raggi X, microonde e onde radio. Al momento, il nostro controllo di queste onde su scala nanometrica è abbastanza limitato, quindi dovrebbero essere inventati nuovi metodi per utilizzare queste onde.

I sistemi di navigazione e rilevamento sopra descritti sono metodi esterni, basati sull'uso di strumenti per spostare i nanobot. Con l'aggiunta di sensori a bordo, i nanobot potrebbero essere più autonomi. Ad esempio, i sensori chimici inclusi nei nanobot a bordo potrebbero consentire al robot di scansionare l'ambiente circostante e seguire determinati marcatori chimici in una regione target.

Potenza

Quando si tratta di alimentare i nanobot, ce ne sono anche una varietà soluzioni energetiche esplorate dai ricercatori. Le soluzioni per l'alimentazione dei nanobot includono fonti di alimentazione esterne e fonti di alimentazione integrate/interne.

Le soluzioni di alimentazione interna includono generatori e condensatori. I generatori a bordo del nanobot potrebbero utilizzare gli elettroliti presenti nel sangue per produrre energia, oppure i nanobot potrebbero persino essere alimentati utilizzando il sangue circostante come catalizzatore chimico che produce energia quando combinato con una sostanza chimica che il nanobot porta con sé. I condensatori funzionano in modo simile alle batterie, immagazzinando energia elettrica che potrebbe essere utilizzata per azionare il nanobot. Sono state prese in considerazione anche altre opzioni come minuscole fonti di energia nucleare.

Per quanto riguarda le fonti di alimentazione esterne, fili incredibilmente piccoli e sottili potrebbero legare i nanobot a una fonte di alimentazione esterna. Tali fili potrebbero essere realizzati con cavi in ​​fibra ottica in miniatura, inviando impulsi di luce lungo i fili e generando l'elettricità effettiva all'interno del nanobot.

Altre soluzioni di alimentazione esterna includono campi magnetici o segnali ultrasonici. I nanobot potrebbero impiegare qualcosa chiamato membrana piezoelettrica, che è in grado di raccogliere onde ultrasoniche e trasformarle in energia elettrica. I campi magnetici possono essere utilizzati per catalizzare le correnti elettriche all'interno di un circuito conduttore chiuso contenuto a bordo del nanobot. Come bonus, il campo magnetico potrebbe essere utilizzato anche per controllare la direzione del nanobot.

Locomozione

Affrontare il problema di locomozione dei nanobot richiede alcune soluzioni creative. I nanobot che non sono vincolati, o che non fluttuano liberamente nel loro ambiente, devono disporre di un metodo per spostarsi nelle posizioni di destinazione. Il sistema di propulsione dovrà essere potente e stabile, in grado di spingere il nanobot contro le correnti dell'ambiente circostante, come il flusso del sangue. Le soluzioni di propulsione in esame sono spesso ispirate al mondo naturale, con i ricercatori che osservano come gli organismi al microscopio si muovono nel loro ambiente. Ad esempio, i microrganismi usano spesso lunghe code simili a fruste chiamate flagelli per spingersi, oppure usano un numero di minuscoli arti simili a peli chiamati ciglia.

I ricercatori stanno anche sperimentando di dare piccoli robot appendici simili a braccia che potrebbe consentire al robot di nuotare, afferrare e strisciare. Attualmente, queste appendici sono controllate tramite campi magnetici esterni al corpo, poiché la forza magnetica fa vibrare le braccia del robot. Un ulteriore vantaggio di questo metodo di locomozione è che l'energia per esso proviene da una fonte esterna. Questa tecnologia dovrebbe essere resa ancora più piccola per renderla praticabile per i veri nanobot.

Ci sono anche altre strategie di propulsione più fantasiose allo studio. Ad esempio, alcuni ricercatori hanno proposto di utilizzare condensatori per progettare una pompa elettromagnetica che attirerebbe fluidi conduttivi e li espellerebbe come un jet, spingendo in avanti il ​​nanobot.

Indipendentemente dall'eventuale applicazione dei nanobot, devono risolvere i problemi sopra descritti, gestendo la navigazione, la locomozione e la potenza.

A cosa servono i nanobot?

Come accennato, i primi usi per i nanobot sarà probabilmente in il campo medico. I nanobot potrebbero essere utilizzati per monitorare i danni al corpo e potenzialmente anche per facilitare la riparazione di questi danni. I futuri nanobot potrebbero fornire medicine direttamente alle cellule che ne hanno bisogno. Attualmente, i farmaci vengono somministrati per via orale o endovenosa e si diffondono in tutto il corpo invece di colpire solo le regioni bersaglio, causando effetti collaterali. I nanobot dotati di sensori potrebbero essere facilmente utilizzati per monitorare i cambiamenti nelle regioni delle cellule, segnalando i cambiamenti al primo segno di danno o malfunzionamento.

Siamo ancora molto lontani da queste ipotetiche applicazioni, ma i progressi si fanno in continuazione. Ad esempio, nel 2017 scienziati ha creato nanobot che hanno preso di mira le cellule tumorali e li ha attaccati con un trapano miniaturizzato, uccidendoli. Quest'anno, un gruppo di ricercatori dell'Università ITMO ha progettato un nanobot composto da frammenti di DNA, in grado di distruggere filamenti di RNA patogeni. I nanobot basati sul DNA sono anche attualmente in grado di trasportare carichi molecolari, il nanobot è composto da tre diverse sezioni di DNA, manovra con una "gamba" di DNA e trasporta molecole specifiche con l'uso di un "braccio".

Oltre alle applicazioni mediche, sono in corso ricerche sull'uso di nanobot ai fini della pulizia e del risanamento ambientale. I nanobot potrebbero potenzialmente essere utilizzati per rimuovere metalli pesanti tossici ed plastica dai corpi idrici. I nanobot potrebbero trasportare composti che rendono inerti le sostanze tossiche se combinati insieme, oppure potrebbero essere usati per degradare i rifiuti di plastica attraverso processi simili. Sono in corso anche ricerche sull'uso di nanobot per facilitare la produzione di chip e processori per computer estremamente piccoli, utilizzando essenzialmente nanobot per produrre circuiti di computer su microscala.