Wat zijn Nanobots? Nanobotstructuur, werking en toepassingen begrijpen

Naarmate de technologie vordert, worden dingen niet altijd groter en beter, voorwerpen worden ook kleiner. In feite is nanotechnologie een van de snelst groeiende technologische gebieden, met een waarde van meer dan 1 biljoen USD, en het wordt verwacht dat het de komende vijf jaar met ongeveer 17% zal groeien. Nanobots zijn een belangrijk onderdeel van het nanotechnologiegebied, maar wat zijn ze precies en hoe werken ze? Laten we een nadere blik werpen op nanobots om te begrijpen hoe deze transformatieve technologie werkt en waarvoor het wordt gebruikt.

Wat zijn Nanobots?

Het gebied van nanotechnologie houdt zich bezig met het onderzoek en de ontwikkeling van technologie die ongeveer één tot 100 nanometer in omvang is. Daarom is nanorobotica gericht op de creatie van robots die ongeveer deze grootte hebben. In de praktijk is het moeilijk om iets te ontwerpen dat zo klein is als één nanometer, en de term “nanorobotica” en “nanobot” wordt vaak toegepast op apparaten die ongeveer 0,1-10 micrometer in omvang zijn, wat nog steeds vrij klein is.

Het is belangrijk op te merken dat de term “nanorobot” soms wordt toegepast op apparaten die interactie hebben met objecten op nanoschaal, waarbij nanoschaalobjecten worden gemanipuleerd. Daarom kan een apparaat dat zelf veel groter is, worden beschouwd als een nanorobotisch instrument. Dit artikel zal zich richten op nanoschaalrobots zelf.

Veel van het gebied van nanorobotica en nanobots is nog steeds in de theoretische fase, met onderzoek dat zich richt op het oplossen van problemen bij de constructie op zo’n kleine schaal. Er zijn echter al enkele prototype-nanomachines en nanomotoren ontworpen en getest.

De meeste bestaande nanorobotische apparaten vallen in één van vier categorieën: schakelaars, motoren, shuttles en auto’s.

Nanorobotische schakelaars werken door van een “uit”-toestand naar een “aan”-toestand te schakelen. Omgevingsfactoren worden gebruikt om de machine te laten veranderen van vorm, een proces dat conformatieverandering wordt genoemd. De omgeving wordt gewijzigd met behulp van processen zoals chemische reacties, UV-licht en temperatuur, en de nanorobotische schakelaars veranderen in verschillende vormen als gevolg, waardoor ze specifieke taken kunnen uitvoeren.

Nanomotoren zijn complexer dan eenvoudige schakelaars en maken gebruik van de energie die wordt gegenereerd door de effecten van de conformatieverandering om te bewegen en de moleculen in de omgevingsomgeving te beïnvloeden.

Shuttles zijn nanorobots die in staat zijn om chemicaliën zoals medicijnen naar specifieke, gerichte gebieden te transporteren. Het doel is om shuttles te combineren met nanorobotmotoren, zodat de shuttles een grotere mate van beweging door een omgeving kunnen hebben.

Nanorobotische “auto’s” zijn de meest geavanceerde nan apparaten op dit moment, in staat om onafhankelijk te bewegen met prompts van chemische of elektromagnetische katalysatoren. De nanomotoren die nanorobotische auto’s aandrijven, moeten worden gecontroleerd om de richting van het voertuig te sturen, en onderzoekers experimenteren met verschillende methoden voor nanorobotische controle.

Onderzoekers naar nanorobotica streven ernaar om deze verschillende componenten en technologieën te synthetiseren tot nanomachines die complexe taken kunnen uitvoeren, bereikt door zwermen van nanobots die samenwerken.

Foto: “Vergelijking van de grootte van nanomaterialen met die van andere materialen.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hoe worden Nanobots gemaakt?

Het gebied van nanorobotica ligt op het snijvlak van veel disciplines en de creatie van nanobots omvat de creatie van sensoren, actuatoren en motoren. Fysieke modellering moet worden gedaan en al dit moet worden gedaan op nanoschaal. Zoals eerder vermeld, worden nanomanipulatie-apparaten gebruikt om deze nano-schaalonderdelen te assembleren en kunstmatige of biologische componenten te manipuleren, waaronder de manipulatie van cellen en moleculen.

Nanorobotica-ingenieurs moeten in staat zijn om een groot aantal problemen op te lossen. Ze moeten problemen aanpakken met betrekking tot sensatie, controle, vermogen, communicatie en interactie tussen zowel anorganische als organische materialen.

De grootte van een nanobot is ongeveer vergelijkbaar met biologische cellen, en vanwege dit feit kunnen toekomstige nanobots worden ingezet in disciplines zoals geneeskunde en milieubescherming/herstel. De meeste “nanobots” die vandaag bestaan, zijn gewoon specifieke moleculen die zijn gemanipuleerd om bepaalde taken uit te voeren.

Complexere nanobots zijn in wezen gewoon eenvoudige moleculen die zijn samengevoegd en gemanipuleerd met chemische processen. Zo bestaan sommige nanobots uit DNA en kunnen ze moleculaire lading vervoeren.

Hoe werken Nanobots?

Gezien de nog steeds sterk theoretische aard van nanobots, worden vragen over hoe nanobots werken beantwoord met voorspellingen in plaats van feiten. Het is waarschijnlijk dat de eerste belangrijke toepassingen voor nanobots in de medische sector zullen liggen, waarbij ze door het menselijk lichaam bewegen en taken uitvoeren zoals het diagnosticeren van ziekten, het controleren van vitale functies en het toedienen van behandelingen. Deze nanobots moeten in staat zijn om hun weg te vinden door het menselijk lichaam en door weefsels zoals bloedvaten te bewegen.

Navigatie

Wat betreft de navigatie van nanobots, zijn er verschillende technieken die nanorobotonderzoekers en -ingenieurs onderzoeken. Een methode voor navigatie is het gebruik van ultrasonische signalen voor detectie en inzet. Een nanobot kan ultrasonische signalen uitzenden die kunnen worden gevolgd om de positie van de nanobots te bepalen, en de robots kunnen vervolgens worden gestuurd naar specifieke gebieden met behulp van een speciaal instrument dat hun beweging bestuurt. Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)-apparaten kunnen ook worden gebruikt om de positie van nanobots te volgen, en vroege experimenten met MRI’s hebben aangetoond dat de technologie kan worden gebruikt om nanobots te detecteren en zelfs te manipuleren. Andere methoden voor het detecteren en manipuleren van nanobots omvatten het gebruik van röntgenstralen, microgolven en radiogolven. Op dit moment is onze controle over deze golven op nanoschaal nog vrij beperkt, dus nieuwe methoden voor het gebruik van deze golven moeten worden uitgevonden.

De navigatie- en detectiesystemen die hierboven zijn beschreven, zijn externe methoden die afhankelijk zijn van het gebruik van instrumenten om de nanobots te bewegen. Met de toevoeging van onboard-sensoren kunnen de nanobots meer autonoom zijn. Zo kunnen chemische sensoren die zijn geïntegreerd in nanobots, de robot in staat stellen de omgevingsomgeving te scannen en bepaalde chemische markers te volgen naar een doelgebied.

Verandering

Wat betreft de verandering van nanobots, worden er verschillende oplossingen voor de verandering onderzocht door onderzoekers. Oplossingen voor de verandering van nanobots omvatten externe energiebronnen en onboard-/interne energiebronnen.

Interne energielevering omvat generatoren en condensatoren. Generatoren aan boord van de nanobot kunnen de elektrolyten in het bloed gebruiken om energie te produceren, of nanobots kunnen zelfs worden aangedreven met behulp van het omliggende bloed als chemische katalysator die energie produceert wanneer het wordt gecombineerd met een chemisch middel dat de nanobot bij zich draagt. Condensatoren werken op een manier die vergelijkbaar is met batterijen, waarbij elektrische energie wordt opgeslagen die kan worden gebruikt om de nanobot te bewegen. Andere opties, zoals kleine kernenergiebronnen, zijn zelfs overwogen.

Wat betreft externe energielevering, kunnen extreem dunne, kleine draden de nanobots verbinden met een externe energielevering. Dergelijke draden kunnen worden gemaakt van miniaturized fiber-optic kabels, waarbij pulsen van licht door de draden worden gestuurd en de daadwerkelijke elektriciteit binnen de nanobot wordt gegenereerd.

Andere externe energieleveringsoplossingen omvatten magnetische velden of ultrasonische signalen. Nanobots kunnen een zogenaamde piezoelektrische membraan gebruiken, die in staat is om ultrasonische golven op te vangen en om te zetten in elektrische energie. Magnetische velden kunnen worden gebruikt om elektrische stromen te catalyseren binnen een gesloten geleidende lus die zich aan boord van de nanobot bevindt. Als bonus kan het magnetische veld ook worden gebruikt om de richting van de nanobot te controleren.

Locomotie

Om het probleem van nanobot-locomotie aan te pakken, zijn enkele inventieve oplossingen nodig. Nanobots die niet zijn verbonden of niet gewoon in hun omgeving zweven, moeten een methode hebben om zich te verplaatsen naar hun doellocaties. Het aandrijvingsysteem moet krachtig en stabiel zijn en in staat zijn om de nanobot tegen de stromen in de omgevingsomgeving te bewegen, zoals de bloedstroom. Aandrijfoplossingen die worden onderzocht, zijn vaak geïnspireerd op de natuurlijke wereld, waarbij onderzoekers kijken naar hoe microscopische organismen door hun omgeving bewegen. Zo gebruiken micro-organismen vaak lange, zweepachtige staarten genaamd flagellen om zich voort te bewegen, of ze gebruiken een aantal kleine, haarachtige ledematen genaamd cilia.

Onderzoekers experimenteren ook met het geven van robots kleine armachtige aanhangsels die de robot in staat zouden stellen om te zwemmen, te grijpen en te kruipen. Op dit moment worden deze aanhangsels via magnetische velden buiten het lichaam gecontroleerd, waarbij de magnetische kracht de armen van de robot doet trillen. Een extra voordeel van deze methode van locomotie is dat de energie ervoor van buitenaf komt. Deze technologie zou nog kleiner moeten worden gemaakt om het voor echte nanobots haalbaar te maken.

Er zijn andere, meer inventieve, aandrijfstrategieën die ook worden onderzocht. Zo hebben sommige onderzoekers voorgesteld om condensatoren te gebruiken om een elektromagnetische pomp te maken die conductieve vloeistoffen naar binnen zou zuigen en eruit zou spuiten als een jet, waardoor de nanobot naar voren zou worden gestuwd.

Ongeacht de uiteindelijke toepassing van nanobots, moeten ze de bovengenoemde problemen oplossen, waaronder navigatie, locomotie en verandering.

Waar worden Nanobots voor gebruikt?

Zoals eerder vermeld, zullen de eerste toepassingen voor nanobots waarschijnlijk in de medische sector liggen. Nanobots kunnen worden gebruikt om schade aan het lichaam te controleren en mogelijk zelfs de reparatie van deze schade te faciliteren. Toekomstige nanobots kunnen medicijnen rechtstreeks naar de cellen die ze nodig hebben, afleveren. Op dit moment worden medicijnen oraal of intraveneus toegediend en verspreiden ze zich door het hele lichaam in plaats van alleen naar de doelgebieden, waardoor bijwerkingen ontstaan. Nanobots met sensoren kunnen gemakkelijk worden gebruikt om veranderingen in cellen te controleren, waarbij veranderingen worden gemeld bij het eerste teken van schade of storing.

We zijn nog ver weg van deze hypothetische toepassingen, maar er wordt voortdurend vooruitgang geboekt. Als voorbeeld creëerden wetenschappers in 2017 nanobots die kankercellen aanvielen en doodden met een geïntegreerde mini-boor. Dit jaar ontwierp een groep onderzoekers van de ITMO University een nanobot samengesteld uit DNA-fragmenten, in staat om pathogene RNA-strengen te vernietigen. DNA-gebaseerde nanobots zijn ook in staat om moleculaire lading te vervoeren, De nanobot bestaat uit drie verschillende DNA-secties, manoeuvrerend met een DNA-“been” en specifieke moleculen vervoerend met behulp van een “arm”.

Naast medische toepassingen wordt onderzoek gedaan naar het gebruik van nanobots voor milieuschoonmaak en -herstel. Nanobots kunnen mogelijk worden gebruikt om giftige zware metalen en plastics uit water te verwijderen. De nanobots kunnen stoffen dragen die giftige stoffen onschadelijk maken wanneer ze worden gecombineerd, of ze kunnen worden gebruikt om plastic afval af te breken door soortgelijke processen. Onderzoek wordt ook gedaan naar het gebruik van nanobots om de productie van extreem kleine computerchips en -processors te faciliteren, waarbij nanobots worden gebruikt om microschaalcomputer circuits te produceren.