Cosa sono i Nanobots? Comprensione della struttura, del funzionamento e dell’uso dei Nanobot

Man mano che la tecnologia avanza, le cose non diventano sempre più grandi e migliori, gli oggetti possono anche diventare più piccoli. In realtà, la nanotecnologia è uno dei campi tecnologici in più rapida crescita, con un valore di oltre 1 trilione di dollari, e si prevede che crescerà del 17% nei prossimi cinque anni. I nanobots sono una parte importante del campo della nanotecnologia, ma cosa sono esattamente e come funzionano? Analizziamo più da vicino i nanobots per capire come funziona questa tecnologia trasformativa e a cosa serve.

Cosa sono i Nanobots?

Il campo della nanotecnologia si occupa della ricerca e dello sviluppo di tecnologie di dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri. Pertanto, la nanorobotica si concentra sulla creazione di robot di dimensioni simili. Nella pratica, è difficile progettare qualcosa di così piccolo come un nanometro e il termine “nanorobotica” e “nanobot” viene spesso applicato a dispositivi che hanno dimensioni comprese tra 0,1 e 10 micrometri, che è comunque molto piccolo.

È importante notare che il termine “nanorobot” a volte viene applicato a dispositivi che interagiscono con oggetti a scala nanometrica, manipolando oggetti a scala nanometrica. Pertanto, anche se il dispositivo stesso è molto più grande, potrebbe essere considerato uno strumento nanorobotico. Questo articolo si concentrerà sui robot a scala nanometrica in sé.

Molta parte del campo della nanorobotica e dei nanobots è ancora in fase teorica, con la ricerca focalizzata sulla risoluzione dei problemi di costruzione a scala così piccola. Tuttavia, sono stati progettati e testati alcuni prototipi di nanomacchine e nanomotori.

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

Gli interruttori nanorobotici funzionano venendo attivati per 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 gli interruttori nanorobotici si spostano in forme diverse come risultato, in grado di eseguire compiti specifici.

I nanomotori sono più complessi degli interruttori semplici 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 farmaci in regioni specifiche e mirate. L’obiettivo è combinare le navette con i nanomotori in modo che le navette siano in grado di una maggiore libertà di movimento nell’ambiente.

Le “auto” nanorobotiche sono i dispositivi nanometrici più avanzati al momento, in grado di muoversi in modo indipendente con prompt da catalizzatori chimici o elettromagnetici. I nanomotori che guidano le auto nanorobotiche devono essere controllati in modo che il veicolo possa essere diretto, e i ricercatori stanno sperimentando vari metodi di controllo nanorobotico.

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

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 Nanobots?

Il campo della nanorobotica si trova all’incrocio di molte discipline e la creazione di nanobots coinvolge la creazione di sensori, attuatori e motori. Deve essere eseguito il modeling fisico e tutto ciò deve essere fatto a scala nanometrica. Come menzionato sopra, i dispositivi di nanomanipolazione vengono utilizzati per assemblare queste parti a scala nanometrica e manipolare componenti artificiali o biologici, che include la manipolazione di cellule e molecole.

I tecnici di nanorobotica devono essere in grado di risolvere una moltitudine di problemi. Devono affrontare questioni relative alla sensazione, al controllo, alla potenza, alle comunicazioni e alle interazioni tra materiali inorganici e organici.

Le dimensioni di un nanobot sono approssimativamente paragonabili a quelle delle cellule biologiche e, a causa di questo fatto, i nanobots futuri potrebbero essere impiegati in discipline come la medicina e la conservazione ambientale/rimedio. La maggior parte dei “nanobots” che esistono oggi sono solo molecole specifiche che sono state manipulate per eseguire compiti specifici.

I nanobots complessi sono essenzialmente solo molecole semplici unite e manipulate con processi chimici. Ad esempio, alcuni nanobots sono composti di DNA e trasportano carichi molecolari.

Come funzionano i Nanobots?

Data la natura ancora fortemente teorica dei nanobots, le domande su come funzionano i nanobots vengono risposte con previsioni piuttosto che affermazioni di fatto. È probabile che i primi usi importanti per i nanobots saranno nel campo medico, muovendosi all’interno del corpo umano ed eseguendo compiti come la diagnosi di malattie, il monitoraggio delle funzioni vitali e la somministrazione di trattamenti. Questi nanobots dovranno essere in grado di navigare all’interno del corpo umano e muoversi attraverso i tessuti come i vasi sanguigni.

Navigazione

In termini di navigazione nanobot, ci sono vari metodi che i ricercatori e gli ingegneri di nanorobotica stanno indagando. Un metodo di navigazione è l’utilizzo di segnali ultrasonici per la rilevazione e il dispiegamento. Un nanobot potrebbe emettere segnali ultrasonici che potrebbero essere tracciati per localizzare la posizione dei nanobots e i robot potrebbero quindi essere guidati in aree specifiche con l’uso di uno strumento speciale che dirige il loro movimento. I dispositivi di risonanza magnetica (MRI) potrebbero anche essere utilizzati per tracciare la posizione dei nanobots e esperimenti precoci con MRI hanno dimostrato che la tecnologia può essere utilizzata per rilevare e anche manovrare i nanobots. Altri metodi di rilevamento e manovratura dei nanobots includono l’uso di raggi X, microonde e onde radio. Al momento, il nostro controllo di queste onde a scala nanometrica è abbastanza limitato, quindi nuovi metodi per l’utilizzo di queste onde dovrebbero essere inventati.

I sistemi di navigazione e rilevamento descritti sopra sono metodi esterni, che si basano sull’uso di strumenti per muovere i nanobots. Con l’aggiunta di sensori a bordo, i nanobots potrebbero essere più autonomi. Ad esempio, sensori chimici a bordo dei nanobots potrebbero permettere al robot di esaminare l’ambiente circostante e seguire determinati marcatori chimici per raggiungere una regione bersaglio.

Potenza

Quando si tratta di alimentare i nanobots, ci sono anche vari sistemi di alimentazione che i ricercatori stanno esplorando. Le soluzioni per alimentare i nanobots includono fonti di alimentazione esterne e fonti di alimentazione interne/a bordo.

Le soluzioni di alimentazione interne includono generatori e condensatori. I generatori a bordo del nanobot potrebbero utilizzare gli elettroliti presenti nel sangue per produrre energia o i nanobots potrebbero anche essere alimentati utilizzando il sangue circostante come catalizzatore chimico che produce energia quando combinato con un chimico che il nanobot trasporta con sé. I condensatori funzionano in modo simile alle batterie, immagazzinando energia elettrica che potrebbe essere utilizzata per propellere il nanobot. Altre opzioni come piccole fonti di potenza nucleare sono state considerate.

Per quanto riguarda le fonti di alimentazione esterne, fili incredibilmente sottili potrebbero collegare i nanobots a una fonte di alimentazione esterna. Tali fili potrebbero essere realizzati con cavi in fibra ottica miniaturizzati, inviando impulsi di luce lungo i fili e generando elettricità all’interno del nanobot.

Altre soluzioni di alimentazione esterne includono campi magnetici o segnali ultrasonici. I nanobots potrebbero utilizzare una membrana piezoelettrica, in grado di raccogliere onde ultrasoniche e trasformarle in energia elettrica. I campi magnetici potrebbero essere utilizzati per catalizzare correnti elettriche all’interno di un circuito conduttore chiuso contenuto a bordo del nanobot. Come bonus, il campo magnetico potrebbe anche essere utilizzato per controllare la direzione del nanobot.

Locomozione

Affrontare il problema della locomozione dei nanobots richiede alcune soluzioni inventive. I nanobots che non sono collegati o non sono semplicemente in sospensione nel loro ambiente devono avere un metodo per muoversi verso le loro posizioni bersaglio. Il sistema di propulsione dovrà essere potente e stabile, in grado di propellere il nanobot contro le correnti nell’ambiente circostante, come il flusso del sangue. Le soluzioni di propulsione in fase di studio sono spesso ispirate al mondo naturale, con i ricercatori che esaminano come gli organismi microscopici si muovono nel loro ambiente. Ad esempio, gli organismi microscopici spesso utilizzano code lunghe e simili a fruste chiamate flagelli per propellere se stessi o utilizzano una serie di piccole estremità simili a capelli chiamate ciglia.

I ricercatori stanno anche sperimentando il conferimento ai robot di piccole estremità simili a braccia che potrebbero permettere al robot di nuotare, afferrare e strisciare. Al momento, queste estremità sono controllate tramite campi magnetici esterni al corpo, poiché la forza magnetica induce le braccia del robot a vibrare. Un vantaggio aggiunto di questo metodo di locomozione è che l’energia necessaria proviene da una fonte esterna. Questa tecnologia dovrebbe essere resa ancora più piccola per renderla idonea per i veri nanobots.

Esistono anche altre strategie di propulsione più inventive in fase di studio. Ad esempio, alcuni ricercatori hanno proposto l’uso di condensatori per progettare una pompa elettromagnetica che potrebbe tirare fluidi conduttivi e spararli come un getto, propellendo il nanobot in avanti.

Indipendentemente dall’applicazione finale dei nanobots, devono risolvere i problemi descritti sopra, gestendo la navigazione, la locomozione e la potenza.

Cosa vengono utilizzati i Nanobots?

Come menzionato, i primi utilizzi dei nanobots saranno probabilmente nel campo medico. I nanobots potrebbero essere utilizzati per monitorare i danni al corpo e potenzialmente anche facilitare la riparazione di questi danni. I nanobots futuri potrebbero somministrare farmaci direttamente alle cellule che ne hanno bisogno. Al momento, i farmaci vengono somministrati per via orale o endovenosa e si diffondono in tutto il corpo invece di colpire solo le aree bersaglio, causando effetti collaterali. I nanobots 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 lontani da queste applicazioni ipotetiche, ma si sta facendo costantemente progresso. Ad esempio, nel 2017 gli scienziati hanno creato nanobots che hanno attaccato le cellule del cancro e le hanno uccise con un trapano miniaturizzato. Quest’anno, un gruppo di ricercatori dell’Università ITMO ha progettato un nanobot composto da frammenti di DNA, in grado di distruggere stringhe di RNA patogeni. I nanobots a base di DNA sono attualmente in grado di trasportare carichi molecolari, il nanobot è composto da tre diverse sezioni di DNA, manovrando con una “gamba” di DNA e trasportando molecole specifiche con l’uso di un “braccio”.

Oltre alle applicazioni mediche, si sta conducendo ricerca sull’uso dei nanobots per la pulizia ambientale e il ripristino. I nanobots potrebbero potenzialmente essere utilizzati per rimuovere metalli pesanti tossici e plastica dai corpi idrici. I nanobots potrebbero trasportare composti che rendono sostanze tossiche inerti quando combinati insieme o potrebbero essere utilizzati per degradare i rifiuti di plastica attraverso processi simili. Si sta anche conducendo ricerca sull’uso dei nanobots per facilitare la produzione di chip e processori di computer estremamente piccoli, utilizzando essenzialmente i nanobots per produrre circuiti di computer a scala microscopica.