ナノボットとは何ですか? ナノボットの構造、動作、用途を理解する

テクノロジーが進歩するにつれて、物事は必ずしも大きく、より良くなるとは限りません。物体も小さくなります。 実際、ナノテクノロジーは最も急速に成長している技術分野の 1 つであり、その価値は 17 兆ドルを超え、今後 XNUMX 年間で約 XNUMX% 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主要な部分を占めていますが、それらは正確には何で、どのように機能するのでしょうか? この革新的なテクノロジーがどのように機能し、何に使用されるかを理解するために、ナノボットを詳しく見てみましょう。

ナノボットとは何ですか?

ナノテクノロジーの分野は、約 100 ～ XNUMX ナノメートルの規模の技術の研究開発に関係します。 したがって、ナノロボティクスは、この程度のサイズのロボットの作成に焦点を当てています。 実際には、XNUMX ナノメートルほどの小さなものを設計するのは難しく、「ナノロボティクス」や「ナノボット」という用語は頻繁に使用されます。 適用された デバイスのサイズは約 0.1 ～ 10 マイクロメートルですが、それでも非常に小さいです。

「ナノロボット」という用語は、ナノスケールでオブジェクトと対話し、ナノスケールのアイテムを操作するデバイスに適用される場合があることに注意することが重要です。 したがって、デバイス自体がはるかに大きい場合でも、ナノロボット機器とみ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そのものに焦点を当てます。

ナノロボティクスとナノボットの分野の多くはまだ理論段階にあり、研究はこのような小規模での建設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ットデバイスのほとんどは以下に分類されます。 XNUMXつのカテゴリのうちのXNUMXつ: スイッチ、モーター、シャトル、自動車。

ナノロボティック スイッチは、「オフ」状態から「オン」状態に切り替えるように促されて動作します。 環境要因は、機械の形状を変化させるために使用されます。これは構造変化と呼ばれるプロセスです。 化学反応、紫外線、温度などのプロセスを使用して環境が変化し、その結果、ナノロボットスイッチがさまざまな形に変化し、特定のタスクを実行できるようになります。

ナノモーターは単純なスイッチよりも複雑で、構造変化の影響によって生成されるエネルギーを利用して動き回り、周囲の環境の分子に影響を与えます。

シャトルは、薬物などの化学物質を特定の標的領域に輸送できるナノロボットです。 目標は、シャトルとナノロボット モーターを組み合わせて、シャトルが環境内でより高度に移動できるようにすることです。

ナノロボティック「自動車」は現時点で最も先進的なナノデバイスであり、化学触媒または電磁触媒からの刺激を受けて独立して移動することができます。 ナノロボットカーを操縦するにはナノモーターを制御する必要があり、研究者らはナノロボット制御のさまざまな方法を実験している。

ナノロボティクスの研究者は、これらのさまざまなコンポーネントとテクノロジーを合成して、複雑なタスクを完了できるナノマシンを作成し、ナノボットの群れが連携することで達成することを目指しています。

写真: 写真: 「ナノマテリアルのサイズと他の一般的なマテリアルのサイズの比較」 確かにウィキメディア コモンズ、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作られるのでしょうか?

ナノロボティクスの分野は多くの分野の交差点にあり、ナノボットの作成にはセンサー、アクチュエーター、モーターの作成が含まれます。 物理モデリングも同様に行う必要があり、これらすべてをナノスケールで行う必要があります。 前述したように、ナノ操作デバイスは、これらのナノスケール部品を組み立て、細胞や分子の操作を含む人工または生物学的コンポーネント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、多くの問題を解決できなければなりません。 彼らは、感覚、制御力、コミュニケーション、無機材料と有機材料の両方の間の相互作用に関する問題に対処する必要があります。

ナノボットのサイズは生体細胞とほぼ同等であり、この事実により、将来のナノボットは医学や環境保全/修復などの分野で使用される可能性があります。 現在存在するほとんどの「ナノボット」は、特定のタスクを達成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、本質的には単純な分子が結合され、化学プロセスで操作されるものです。 たとえば、いくつかのナノボットは DNAで構成されている、 そして彼らが 分子貨物を輸送します。

ナノボットはどのように動作するのでしょうか?

ナノボットはまだ理論的な性質が強いため、ナノボットがどのように動作するかについての質問には、事実を述べるのではなく予測で答えられます。 おそらくナノボットの最初の主な用途は医療分野であり、人体の中を移動して病気の診断、バイタルの監視、治療の調剤などのタスクを実行することになるだろう。 これらのナノボットは、人体の周りを移動し、血管などの組織を通って移動できる必要があります。

ナビゲーション

ナノボットのナビゲーションに関しては、ナノボットの研究者やエンジニアが研究しているさまざまな技術があります。 ナビゲーションの XNUMX つの方法は、検出と展開に超音波信号を利用することです。 ナノボットは超音波信号を発し、それを追跡してナノボットの位置を特定することができ、ロボットの動きを指示する特別なツールを使用してロボットを特定の領域に誘導することができる。 磁気共鳴画像法 (MRI) 装置もナノボットの位置を追跡するために使用される可能性があります。 MRIを使った初期の実験 彼らは、この技術を使用してナノボットを検出し、さらには操縦できることを実証しました。 ナノボットを検出して操作する他の方法には、X 線、マイクロ波、電波の使用などがあります。 現時点では、これらの波をナノスケールで制御することはかなり制限されているため、これらの波を利用する新しい方法を発明する必要があります。

上で説明したナビゲーションおよび検出システムは外部方式であり、ナノボットを移動させるためのツールの使用に依存しています。 オンボードセンサーを追加すると、ナノボットはより自律的になる可能性があります。 たとえば、ナノボットに搭載された化学センサーを使用すると、ロ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領域に到達できるようになります。

出力

ナノボットに電力を供給するには、さまざまな方法があります。 研究者によって検討されている電力ソリューション。 ナノボットに電力を供給するためのソリューションには、外部電源とオンボード/内部電源が含まれます。

内部電源ソリューションには、発電機とコンデンサが含まれます。 ナノボットに搭載された発電機は、血液内の電解質を利用してエネルギーを生成することもできるし、周囲の血液を化学触媒として使用してナノボットに電力を供給し、ナノボットが運ぶ化学物質と結合するとエネルギーを生成することもできる。 コンデンサーはバッテリーと同様に動作し、ナノボットの推進に使用できる電気エネルギーを蓄えます。 小型原子力発電のような他の選択肢も検討されています。

外部電源に関しては、信じられないほど小さく細いワイヤーでナノボットを外部電源に繋ぐことができます。 このようなワイヤーは小型の光ファイバーケーブルで作られ、ワイヤーに光のパルスを送り、ナノボット内で実際の電気を発生させることができる。

他の外部電源ソリューションには、磁場または超音波信号が含まれます。 ナノボットは、超音波を収集して電力に変換できる圧電膜と呼ばれるものを使用する可能性があります。 磁場を使用して、ナノボットに搭載された閉ループ内の電流を触媒することができます。 さらに、磁場はナノボットの方向を制御するために使用することもできます。

移動

の問題に対処する ナノボットの移動 いくつかの独創的な解決策が必要です。 つながれていないナノボット、または環境内でただ浮遊しているだけではないナノボットは、目標の場所に移動する何らかの方法が必要です。 推進システムは強力かつ安定しており、血液の流れのような周囲環境の流れに逆らってナノボットを推進できる必要があります。 研究中の推進ソリューションは自然界からインスピレーションを得ていることが多く、研究者は顕微鏡で生物が環境内をどのように移動するかを観察しています。 たとえば、微生物はしばしば鞭毛と呼ばれる長い鞭のような尾を使って自らを推進したり、繊毛と呼ばれる小さな髪の毛のような手足を多数使用したりします。

研究者たちはロボットに小さなものを与える実験も行っている 腕のような付属物 そうすれば、ロボットは泳いだり、掴んだり、這ったりできるようになるかもしれない。 現在、これらの付属肢は体外の磁場を介して制御されており、磁力によってロボットのアームが振動するようになっています。 この移動方法のさらなる利点は、そのエネルギーが外部源から得られることです。 このテクノロジーを真のナノボットとして実現するには、さらに小型化する必要があります。

他にも、より独創的な推進戦略が研究中です。 たとえば、一部の研究者は、コンデンサを使用して、導電性流体を引き込み、放出する電磁ポンプを設計することを提案しています。 ジェット機のように、ナノボットを前進させます。

ナノボットの最終的な応用に関係なく、ナノボットは、ナビゲーション、移動、動力の処理など、上記の問題を解決する必要があります。

ナノボットは何に使われますか?

前述したように、ナノボットの最初の用途は おそらく入っているでしょう 医療分野。 ナノボットは身体への損傷を監視するために使用でき、潜在的にはこの損傷の修復を促進することさえ可能です。 将来のナノボットは、薬を必要とする細胞に直接薬を届けることができるでしょう。 現在、薬は経口または静脈内に送達されますが、薬は標的部位にだけ到達するのではなく全身に広がり、副作用を引き起こします。 センサーを備えたナノボットは、細胞領域の変化を監視するために簡単に使用でき、損傷や誤動作の最初の兆候があったときに変化を報告することができます。

これらの仮説の応用にはまだ程遠いですが、常に進歩しています。 一例として、2017 年に科学者たちは がん細胞を標的としたナノボットを開発 そして小型化されたドリルで彼らを攻撃し、殺害した。 今年、ITMO大学の研究者グループは、DNA断片で構成されるナノボットを設計した。 病原性RNA鎖を破壊することができます。 DNA ベースのナノボットは現在、分子貨物を輸送することもできます。ナノボットは XNUMX つの異なる DNA セクションで構成されており、DNA の「脚」で操縦し、「腕」を使用して特定の分子を運びます。

医療用途を超えて、環境の浄化と修復を目的としたナノボットの使用に関する研究が行われています。 ナノボットは潜在的に除去に使用される可能性がある 有毒な重金属 & プラスチック 水域から。 ナノボットは、一緒に組み合わせると有毒物質を不活性にする化合物を運ぶことができ、あるいは同様のプロセスを通じてプラスチック廃棄物を分解するために使用できる可能性がある。 極小のコンピュータチップやプロセッサの製造を容易にするためのナノボットの使用に関する研究も行われており、基本的にはナノボットを使用してマイクロスケールのコンピュータ回路を製造する。