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技術が進歩すると、物事は常に大きくなるわけではなく、小さくなることもあります。実際、ナノテクノロジーは最も急成長している技術分野の一つで、約1兆USDの価値があり、次の5年間で約17%成長すると予測されています。ナノボットはナノテクノロジー分野の重要な部分ですが、ナノボットとは何であり、どのように動作するのでしょうか？ナノボットをより深く理解するために、ナノボットの構造、動作、用途について詳しく見ていきましょう。
ナノボットとは何か？
ナノテクノロジー分野は、約1〜100ナノメートル規模の技術の研究と開発に焦点を当てています。したがって、ナノロボティクスは、約このサイズのロボットの創造に焦点を当てています。実践では、1ナノメートル規模のものを設計することは難しいことであり、ナノロボティクスとナノボットという用語は、約0.1〜10マイクロメートル規模のデバイスに頻繁に適用されます。これはまだかなり小さなサイズです。
重要なことは、ナノロボットという用語は、ナノスケールのオブジェクトと相互作用するデバイスに適用されることがあるということです。したがって、デバイス自体がかなり大きい場合でも、ナノロボティックなインストルメントと見なされる可能性があります。この記事では、ナノスケールのロボット自体に焦点を当てます。
ナノロボティクスとナノボットの分野はまだ理論的な段階にあり、研究はこのような小さなスケールでの構築の問題を解決することに焦点を当てています。ただし、いくつかのプロトタイプのナノマシンとナノモーターが設計され、テストされています。
現在存在するナノロボティックなデバイスのほとんどは、スイッチ、モーター、シャトル、車の4つのカテゴリの1つに分類されます。
ナノロボティックなスイッチは、環境要因を使用して形状を変更することで動作します。これは、化学反応、UV光、温度などのプロセスを使用して環境を変更することで行われ、ナノロボティックなスイッチは異なる形状に変化し、特定のタスクを実行することができます。
ナノモーターは単純なスイッチよりも複雑で、環境の変化によるエネルギーを利用して周囲の分子に影響を与えることで動作します。
シャトルは、化学物質や薬物を特定の地域に輸送することができるナノボットです。目標は、シャトルをナノロボティックなモーターと組み合わせて、シャトルが環境の中をより自由に移動できるようにすることです。
ナノロボティックな「車」は、現在最も高度なナノデバイスで、化学または電磁気的な触媒からのプロンプトで独立して移動することができます。ナノモーターが車を駆動する必要があり、研究者はナノロボティックな制御のさまざまな方法を実験しています。
ナノロボティクス研究者は、これらのさまざまなコンポーネントと技術を複雑なタスクを実行できるナノマシンに統合することを目指しています。
写真：ナノ材料のサイズの比較。Sureshup vai Wikimedia Commons、CC BY 3.0（https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg）
ナノボットはどのように創造されるか？
ナノロボティクス分野は多くの学問の交差点にあり、ナノボットの創造にはセンサー、アクチュエーター、モーターの創造が必要です。物理モデリングも必要であり、すべてがナノスケールで行われる必要があります。上で述べたように、ナノマニピュレーションデバイスはこれらのナノスケールのパーツを組み立てるために使用され、人工的または生物学的なコンポーネント、細胞や分子を操作するために使用されます。
ナノロボティクスエンジニアは、多くの問題を解決する必要があります。彼らは感覚、制御力、通信、無機的および有機的材料の間の相互作用に関する問題に取り組む必要があります。
ナノボットのサイズは生物細胞とほぼ同じです。したがって、将来的にはナノボットは医学や環境保護・修復などの分野で使用される可能性があります。現在存在する「ナノボット」のほとんどは、特定のタスクを実行するために操作された特定の分子にすぎません。
複雑なナノボットは、基本的に化学プロセスで操作された単純な分子を組み合わせたものです。例えば、ナノボットはDNAで構成されており、分子貨物を輸送することができます。
ナノボットはどのように動作するか？
ナノボットはまだ理論的な段階にあるため、ナノボットの動作に関する質問は、事実の記述ではなく予測で答えられます。ナノボットの最初の主要な用途は、医療分野で、人体内を移動し、疾患の診断、バイタルサインの監視、治療の投与などのタスクを実行することです。これらのナノボットは、人体内を移動し、組織や血管を通過する必要があります。
ナビゲーション
ナノボットのナビゲーションについては、研究者やエンジニアがさまざまな技術を調査しています。ナノボットの位置を検出して展開するために、超音波信号を使用する方法があります。ナノボットは超音波信号を発信し、位置を追跡することができます。さらに、MRI（磁気共鳴画像法）デバイスを使用してナノボットの位置を追跡することもできます。MRIを使用してナノボットを検出して操作することができることが実証されています。他のナノボットの検出と操作方法としては、X線、微波、ラジオ波を使用する方法があります。ただし、これらの波をナノスケールで制御する技術はまだ限られています。
上記のナビゲーションと検出システムは、外部ツールを使用する方法です。ナノボットにオンボードセンサーを追加することで、ナノボットをより自律的にすることができます。例えば、ナノボットに化学センサーを搭載することで、ナノボットが周囲の環境をスキャンし、特定の化学マーカーを追跡してターゲット地域に到達することができます。
パワー
ナノボットの動力源については、研究者がさまざまな解決策を探しています。ナノボットの動力源には、外部動力源とオンボード/内部動力源があります。
内部動力源には、発電機とコンデンサがあります。ナノボットに搭載された発電機は、血液中の電解質を使用してエネルギーを生成することができます。ナノボットは、血液を化学触媒として使用してエネルギーを生成することもできます。コンデンサは、電気エネルギーを貯蔵してナノボットを推進するために使用できます。他の選択肢としては、極小の核動力源が提案されています。
外部動力源としては、非常に薄いワイヤーを使用してナノボットを外部動力源に接続することができます。ワイヤーは、光ファイバーケーブルを使用してナノボットにパルスを送信し、ナノボット内で電気を生成することができます。
他の外部動力源としては、磁場や超音波信号を使用する方法があります。ナノボットは、超音波信号を集めて電気エネルギーに変換することができるピエゾ電気メンブレンを使用することができます。磁場を使用してナノボット内の閉じた導電ループに電流を誘導することができます。さらに、磁場を使用してナノボットの方向を制御することもできます。
推進
ナノボットの推進については、創造的な解決策が必要です。ナノボットが外部に接続されていない場合、または環境の中を自由に浮遊していない場合、ナノボットはターゲット地域に到達するために推進システムを必要とします。推進システムは、周囲の環境の中を移動するために強力で安定したものでなければなりません。ナノボットの推進については、自然界からインスピレーションを得ています。研究者は、微生物が環境の中を移動する方法を調査しています。例えば、微生物は鞭のような尾（フラジェラ）を使用して移動することができます。また、微生物は多数の小さな毛のような肢（シリア）を使用して移動することもできます。
研究者は、ナノボットに小さな腕のような付属物を付けることで、ナノボットが泳ぐ、握る、這うことができるようにすることを試みています。現在、これらの付属物は外部の磁場によって制御されています。磁場によってナノボットの腕が振動し、ナノボットが移動することができます。この方法の利点は、エネルギーが外部から供給されることです。この技術を真正なナノボットに適応させるには、さらに小型化する必要があります。
他の、より創造的な推進戦略も調査されています。例えば、研究者は、電磁ポンプを使用して導電性の流体を押し出すことでナノボットを推進する方法を提案しています。
ナノボットの用途に関係なく、ナノボットは上記の問題を解決する必要があります。ナビゲーション、推進、パワーを扱う必要があります。
ナノボットは何に使用されるか？
上で述べたように、ナノボットの最初の用途は医療分野で、人体内を移動し、疾患の診断、バイタルサインの監視、治療の投与などのタスクを実行することです。ナノボットは、体内の損傷を監視し、損傷の修復を促進することができます。将来的には、ナノボットは直接細胞に薬物を投与することができます。現在、薬物は口からまたは静脈から投与され、体内に広がり、副作用を引き起こします。ナノボットは、センサーを備えており、細胞の変化を監視し、損傷や異常の初期兆候で報告することができます。
まだこれらの仮説的な用途から遠いですが、進歩は常に続いています。例えば、2017年、科学者はがん細胞を攻撃して殺すことができるナノボットを創造しました。この年、ITMO大学の研究者は、病原性RNA鎖を破壊することができるDNAフラグメントで構成されるナノボットを設計しました。DNAベースのナノボットは、分子貨物を輸送することができます。ナノボットは、DNAの「足」と「腕」を使用して移動し、特定の分子を輸送することができます。
医療用途以外に、ナノボットは環境の浄化と修復に使用することができます。ナノボットは、水から有毒な重金属やプラスチックを除去することができます。ナノボットは、有毒物質を無毒化する化合物を運搬することができます。研究者は、ナノボットを使用してプラスチック廃棄物を分解することも調査しています。さらに、ナノボットは、非常に小さなコンピュータチップとプロセッサの生産を促進するために使用することができます。ナノボットは、微小なコンピュータ回路を生産するために使用することができます。
