ナノボットとは何か？ナノボットの構造、動作、用途を理解する

技術が進歩するにつれて、物事は常に大きくなるわけではなく、物事は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を遂げている技術分野の1つであり、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？ナノボットを詳しく見てみましょう。この変革的な技術がどのように動作し、どのような用途があるのかを理解するために。

ナノボットとは何か？

ナノテクノロジーの分野は、約1〜100ナノメートルのスケールでの技術の研究と開発に関係しています。したがって、ナノロボティクスは、こ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、1ナノメートルのスケールで何かを設計することは難しいです。したがって、「ナノロボティクス」と「ナノボット」という用語は、約0.1〜10マイクロメートルのサイズ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。

重要な点は、「ナノロボット」という用語が、ナノスケールの物体とやり取りするデバイスに適用されることがあるということです。つまり、デバイス自体がかなり大きくても、ナノスケールのアイテムを操作するデバイスは、ナノロボティック・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ています。

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。

現在存在する大多数のナノロボティック・デバイスは、4つのカテゴリの1つに分類されます。スイッチ、モーター、シャトル、カーです。

ナノロボティック・スイッチは、「オフ」状態から「オン」状態に切り替わるよう促されることで動作します。環境要因を使用して、機械の形状を変更するプロセス、つまり構造変化が行われます。環境は、化学反応、UV光、温度などのプロセスを使用して変更され、ナノロボティック・スイッチは結果として異なる形状に変化し、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使用して周囲の環境の中を移動し、分子に影響を与えるために使用されます。

シャトルは、薬物などの化学物質を特定のターゲット領域に輸送できるナノボットです。シャトルをナノロボット・モーターと組み合わせることで、シャトルが環境の中をより大きな動きを実現できるようにすることが目標です。

ナノロボティック「カー」は、現在最も高度なナノデバイスで、化学または電磁気触媒からのプロンプトで独立して移動できます。ナノロボティック・カーを駆動するナノモーターを制御する必要があり、研究者はナノロボットの制御方法をさまざまな方法で実験しています。

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合成することを目指しています。これらのタスクは、協力して作業するナノボットのスウォームによって達成されます。

写真: 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作成されるのですか？

ナノロボティクスの分野は、多くの学際的な分野の交差点にあり、ナノボットの作成にはセンサー、駆動装置、モーターを作成することが含まれます。物理モデリングも必要であり、すべてこれらはナノスケールで実行する必要があります。上記のように、ナノ操作デバイスは、これらのナノスケールの部品を組み立て、人工的または生物学的なコンポーネントを操作するために使用されます。これには、細胞や分子の操作が含まれます。

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、無機材料と有機材料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、生物学的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「ナノボット」のほとんどは、特定のタスクを実行するように操作された単なる分子です。

複雑なナノボットは、基本的に単純な分子が結合して化学プロセスで操作されたものです。たとえば、ナノボットの一部はDNAで構成されており、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すか？

ナノボットはまだかなり理論的な性質を持っているため、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な用途は、医療分野で、人体の中を移動し、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になるでしょう。これらのナノボットは、人体の中を移動し、血管などの組織の中を移動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調査しているさまざまな技術があります。ナノボットのナビゲーションの1つの方法は、検出と展開のために超音波信号を使用することです。ナノボットは超音波信号を発生させ、ナノボットの位置を追跡することができます。ナノボットは、特定のツールを使用して特定の領域に誘導できます。磁気共鳴イメージング（MRI）デバイスも、ナノボットの位置を追跡するために使用できます。MRIを使用した初期の実験は、技術がナノボットを検出して操作するために使用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、微波、ラジオ波の使用が含まれます。現在、ナノスケールでのこれらの波の制御はかなり限られています。したがって、これらの波を使用する新しい方法が発明される必要があります。

上記で説明したナビゲーションおよび検出システムは、ツールを使用してナノボットを移動させる外部方法に依存しています。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。たとえば、ナノボットに搭載された化学センサーを使用して、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ターゲット領域に追跡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、研究者が調査しているさまざまな解決策があります。ナノボットの動力源の解決策には、外部動力源とオンボード/内部動力源が含まれます。

内部動力源には、発電機とキャパシターが含まれます。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。キャパシターは、バッテリーと同様に電気エネルギーを蓄えることができます。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、非常に小さな核動力源が検討されています。

外部動力源については、非常に小さな薄いワイヤーがナノボットを外部動力源に接続できます。ワイヤーは、光のパルスを送信するための小さなファイバーオプティック・ケーブルで構成できます。実際の電気は、ナノボット内で生成されます。

他の外部動力源には、磁気フィールドまたは超音波信号が含まれます。ナノボットは、超音波を電気エネルギーに変換することができる圧電膜を使用できます。磁気フィールドは、ナノボットに搭載された閉じた導電ループ内で電流を誘発するために使用できます。ボーナスとして、磁気フィールド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。

推進

ナノボットの推進の問題に対処するには、発明的な解決策が必要です。テザーに接続されていないナノボットまたは環境の中を浮遊していないナノボットは、ターゲット領域に到達するために移動する方法が必要です。推進システムは、血流などの周囲の環境の流れに反対することができるほど強力で安定している必要があります。調査中の推進解決策は、多くの場合、顕微鏡下の生物が環境の中を移動する方法から着想を得ています。たとえば、微生物は、鞭のような長い尾、鞭毛を使用して自己を推進します。あるいは、微生物は、多数の小さな毛のような肢、繊毛を使用して自己を推進します。

研究者は、ロボットに小さなアームのような付属物を付けることも実験しています。これにより、ロボットは泳ぎ、握り、這うことができます。現在、これらの付属物は、ナノボットの体外からの磁気フィールドによって制御されています。磁気力により、ロボットのアームが振動します。付属物を使用したこの推進方法の利点は、エネルギーが外部源から供給されることです。この技術は、真正なナノボットに適合するためにさらに小さくする必要があります。

他の、より発明的な、推進戦略も調査されています。たとえば、研究者は、導電性流体を吸い込み、ジェットのように押し出す電磁ポンプを設計するために、キャパシターを使用することを提案しました。これにより、ナノボットが前進します。

ナノボットの最終的な用途に関係なく、ナボットは上記で説明した問題を解決する必要があります。ナビゲーション、推進、パワーを処理する必要があります。

ナノボットは何に使用されますか？

上記で述べたように、ナノボットの最初の用途は、医療分野で、人体内でで使用されることになるでしょう。ナノボットは、体への損傷を監視し、潜在的に損傷の修復を促進するために使用できます。将来的には、ナノボットは、必要とする細胞に直接薬剤を投与できます。現在、薬剤は口からまたは静脈注射で投与され、体全体に広がり、ターゲット領域のみに到達するのではなく、副作用を引き起こします。センサーを搭載したナノボットは、細胞の領域の変化を監視するために簡単に使用できます。損傷または異常の最初の兆候で変化を報告します。

これらの仮説的な用途からまだ遠いですが、常に進歩しています。例えば、2017年、科学者は、がん細胞を標的とし、ミニチュア・ドリルで攻撃して殺すナノボットを作成しました。この年、ITMO大学の研究者グループは、病原性RNA鎖を破壊できるDNA断片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現在、分子貨物を輸送することもできます。ナノボットは3つの異なるDNAセクションで構成されており、DNA「足」で動作し、DNA「腕」で特定の分子を運んでいます。

医療用途を超えて、ナノボットを使用した環境のクリーンアップと修復に関する研究が行われています。ナノボットは、水体から有毒な重金属やプラスチックを除去するために使用できます。ナノボットは、有毒物質と結合してそれらを無害化する化合物を運ぶことができます。あるいは、ナノボットは、プラスチックの廃棄物を分解するための類似のプロセスを使用して、プラスチックの廃棄物を分解するために使用できます。さらに、ナノボットを使用して非常に小さなコンピュータ・チップとプロセッサを生産するための研究が行われています。基本的に、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・サーキットを生産することです。