Hva er nanoboter? Forstå Nanobot-struktur, operasjon og bruk

Ettersom teknologien skrider frem, blir ikke ting alltid større og bedre, objekter blir også mindre. Faktisk er nanoteknologi et av de raskest voksende teknologiske feltene, verdt over 1 billion USD, og ​​det er spådd å vokse med omtrent 17 % i løpet av det neste halve tiåret. Nanoboter er en stor del av nanoteknologifeltet, men hva er de egentlig og hvordan fungerer de? La oss se nærmere på nanoboter for å forstå hvordan denne transformative teknologien fungerer og hva den brukes til.

Hva er nanoboter?

Feltet nanoteknologi er opptatt av forskning og utvikling av teknologi på omtrent én til 100 nanometer i skala. Derfor er nanorobotikk fokusert på å lage roboter som er rundt denne størrelsen. I praksis er det vanskelig å konstruere noe så lite som en nanometer i skala, og begrepet "nanorobotics" og "nanobot" er ofte anvendt til enheter som er omtrent 0.1 – 10 mikrometer store, som fortsatt er ganske små.

Det er viktig å merke seg at begrepet "nanorobot" noen ganger brukes på enheter som samhandler med objekter på nanoskala, og manipulerer gjenstander i nanoskala. Derfor, selv om selve enheten er mye større, kan den betraktes som et nanorobotinstrument. Denne artikkelen vil fokusere på roboter i nanoskala.

Mye av feltet nanorobotikk og nanoboter er fortsatt i den teoretiske fasen, med forskning fokusert på å løse problemene med konstruksjon i så liten skala. Noen prototyper av nanomaskiner og nanomotorer er imidlertid designet og testet.

De fleste eksisterende nanorobotenheter faller inn i en av fire kategorier: brytere, motorer, skyttelbusser og biler.

Nanorobotiske brytere fungerer ved å bli bedt om å bytte fra en "av"-tilstand til en "på"-tilstand. Miljøfaktorer brukes for å få maskinen til å endre form, en prosess som kalles konformasjonsendring. Miljøet endres ved hjelp av prosesser som kjemiske reaksjoner, UV-lys og temperatur, og nanorobotbryterne skifter til forskjellige former som et resultat, i stand til å utføre spesifikke oppgaver.

Nanomotorer er mer komplekse enn enkle brytere, og de utnytter energien som skapes av effektene av konformasjonsendringen for å bevege seg rundt og påvirke molekylene i det omkringliggende miljøet.

Skytler er nanoroboter som er i stand til å transportere kjemikalier som medisiner til spesifikke, målrettede regioner. Målet er å kombinere skyttel med nanorobotmotorer slik at skyttelene er i stand til en større grad av bevegelse gjennom et miljø.

Nanorobotiske "biler" er de mest avanserte nanoenhetene for øyeblikket, i stand til å bevege seg uavhengig med meldinger fra kjemiske eller elektromagnetiske katalysatorer. Nanomotorene som driver nanorobotiske biler må kontrolleres for at kjøretøyet skal kunne styres, og forskere eksperimenterer med ulike metoder for nanorobotstyring.

Nanorobotikk-forskere har som mål å syntetisere disse forskjellige komponentene og teknologiene til nanomaskiner som kan fullføre komplekse oppgaver, utført av svermer av nanoboter som jobber sammen.

Foto: Foto: "Sammenligning av størrelsen på nanomaterialer med størrelsen på andre vanlige materialer." Sureshup fra Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hvordan lages nanoboter?

Feltet nanorobotikk er ved veikrysset mellom mange disipliner, og opprettelsen av nanoboter innebærer å lage sensorer, aktuatorer og motorer. Fysisk modellering må også gjøres, og alt dette må gjøres på nanoskala. Som nevnt ovenfor, brukes nanomanipulasjonsenheter til å sette sammen disse delene i nanoskala og manipulere kunstige eller biologiske komponenter, som inkluderer manipulering av celler og molekyler.

Nanorobotikkingeniører må kunne løse en rekke problemer. De må ta opp spørsmål angående sensasjon, kontrollkraft, kommunikasjon og interaksjoner mellom både uorganiske og organiske materialer.

Størrelsen på en nanobot er omtrent sammenlignbar med biologiske celler, og på grunn av dette faktum kan fremtidige nanoboter brukes i disipliner som medisin og miljøvern/sanering. De fleste "nanoboter" som eksisterer i dag er bare spesifikke molekyler som har blitt manipulert for å utføre visse oppgaver. 

Komplekse nanoboter er egentlig bare enkle molekyler koblet sammen og manipulert med kjemiske prosesser. For eksempel er noen nanoboter det består av DNA, Og de transportere molekylær last.

Hvordan fungerer nanoboter?

Gitt den fortsatt sterkt teoretiske naturen til nanoboter, blir spørsmål om hvordan nanoboter fungerer besvart med spådommer i stedet for faktautsagn. Det er sannsynlig at de første store bruksområdene for nanoboter vil være i det medisinske feltet, bevege seg gjennom menneskekroppen og utføre oppgaver som å diagnostisere sykdommer, overvåke vitale egenskaper og utdele behandlinger. Disse nanobotene må være i stand til å navigere seg rundt i menneskekroppen og bevege seg gjennom vev som blodårer.

Navigasjon

Når det gjelder nanobotnavigasjon, er det en rekke teknikker som nanobotforskere og ingeniører undersøker. En metode for navigering er bruken av ultralydsignaler for deteksjon og distribusjon. En nanobot kunne sende ut ultralydsignaler som kunne spores for å lokalisere posisjonen til nanobotene, og robotene kunne deretter ledes til bestemte områder ved hjelp av et spesialverktøy som styrer bevegelsen deres. Magnetic Resonance Imaging (MRI) enheter kan også brukes til å spore posisjonen til nanoboter, og tidlige eksperimenter med MR har vist at teknologien kan brukes til å oppdage og til og med manøvrere nanoboter. Andre metoder for å oppdage og manøvrere nanoboter inkluderer bruk av røntgenstråler, mikrobølger og radiobølger. For øyeblikket er vår kontroll over disse bølgene på nanoskala ganske begrenset, så nye metoder for å utnytte disse bølgene må oppfinnes.

Navigasjons- og deteksjonssystemene beskrevet ovenfor er eksterne metoder, avhengig av bruk av verktøy for å flytte nanobotene. Med tillegg av sensorer ombord kan nanobotene være mer autonome. For eksempel kan kjemiske sensorer inkludert ombord på nanoboter tillate roboten å skanne det omkringliggende miljøet og følge visse kjemiske markører til et målområde.

Power

Når det gjelder å drive nanobotene, finnes det også en rekke kraftløsninger som utforskes av forskere. Løsninger for å drive nanoboter inkluderer eksterne strømkilder og innebygde/interne strømkilder.

Interne strømløsninger inkluderer generatorer og kondensatorer. Generatorer ombord på nanoboten kan bruke elektrolyttene som finnes i blodet for å produsere energi, eller nanoboter kan til og med drives ved å bruke det omkringliggende blodet som en kjemisk katalysator som produserer energi når de kombineres med et kjemikalie som nanoboten bærer med seg. Kondensatorer fungerer på samme måte som batterier, og lagrer elektrisk energi som kan brukes til å drive nanoboten. Andre alternativer som bittesmå kjernekraftkilder har til og med blitt vurdert.

Når det gjelder eksterne strømkilder, kan utrolig små, tynne ledninger binde nanobotene til en ekstern strømkilde. Slike ledninger kan være laget av fiberoptiske miniatyrkabler, sende lyspulser nedover ledningene og få den faktiske elektrisiteten til å genereres i nanoboten.

Andre eksterne strømløsninger inkluderer magnetiske felt eller ultralydsignaler. Nanoboter kan bruke noe som kalles en piezoelektrisk membran, som er i stand til å samle ultralydbølger og transformere dem til elektrisk kraft. Magnetiske felt kan brukes til å katalysere elektriske strømmer i en lukket ledende sløyfe ombord på nanoboten. Som en bonus kan magnetfeltet også brukes til å kontrollere retningen til nanoboten.

Locomotion

Ta tak i problemet med nanobot-bevegelse krever noen oppfinnsomme løsninger. Nanoboter som ikke er bundet sammen, eller som ikke bare flyter fritt i miljøet, må ha en metode for å flytte til målstedene sine. Fremdriftssystemet må være kraftig og stabilt, i stand til å drive nanoboten mot strømmer i omgivelsene, som blodstrømmen. Fremdriftsløsninger som undersøkes er ofte inspirert av den naturlige verden, med forskere som ser på hvordan mikroskoporganismer beveger seg gjennom miljøet. For eksempel bruker mikroorganismer ofte lange, pisklignende haler kalt flagella for å drive seg frem, eller de bruker en rekke små, hårlignende lemmer kalt flimmerhår.

Forskere eksperimenterer også med å gi roboter små armlignende vedheng som kan tillate roboten å svømme, gripe og krype. For tiden styres disse vedhengene via magnetiske felt utenfor kroppen, ettersom den magnetiske kraften får robotens armer til å vibrere. En ekstra fordel med denne fremgangsmåten er at energien for den kommer fra en ekstern kilde. Denne teknologien må gjøres enda mindre for å gjøre den levedyktig for ekte nanoboter.

Det er andre, mer oppfinnsomme fremdriftsstrategier som også er under utredning. For eksempel har noen forskere foreslått å bruke kondensatorer for å konstruere en elektromagnetisk pumpe som vil trekke ledende væsker inn og skyte den ut som et jetfly, som driver nanoboten fremover.

Uavhengig av eventuell bruk av nanoboter, må de løse problemene beskrevet ovenfor, håndtere navigasjon, bevegelse og kraft.

Hva brukes nanoboter til?

Som nevnt, de første bruksområdene for nanoboter vil sannsynligvis være med det medisinske feltet. Nanoboter kan brukes til å overvåke skader på kroppen, og potensielt til og med lette reparasjonen av denne skaden. Fremtidige nanoboter kan levere medisin direkte til cellene som trenger dem. For tiden leveres medisiner oralt eller intravenøst, og de sprer seg over hele kroppen i stedet for bare å treffe målregionene, noe som forårsaker bivirkninger. Nanoboter utstyrt med sensorer kan enkelt brukes til å overvåke endringer i celleregioner, og rapportere endringer ved første tegn på skade eller feil.

Vi er fortsatt et stykke unna disse hypotetiske applikasjonene, men det gjøres fremskritt hele tiden. Som et eksempel, i 2017 forskere skapte nanoboter som målrettet mot kreftceller og angrep dem med en miniatyrisert drill og drepte dem. I år designet en gruppe forskere fra ITMO University en nanobot sammensatt av DNA-fragmenter, i stand til å ødelegge patogene RNA-tråder. DNA-baserte nanoboter er for tiden også i stand til å transportere molekylær last. Nanoboten er laget av tre forskjellige DNA-seksjoner, manøvrerer med et DNA-"ben" og bærer spesifikke molekyler med bruk av en "arm".

Utover medisinske applikasjoner, forskes det på bruk av nanoboter for miljøopprydding og -sanering. Nanoboter kan potensielt brukes til å fjerne giftige tungmetaller og plast fra vannmasser. Nanobotene kan bære forbindelser som gjør giftige stoffer inerte når de kombineres, eller de kan brukes til å bryte ned plastavfall gjennom lignende prosesser. Det forskes også på bruk av nanoboter for å lette produksjonen av ekstremt små databrikker og prosessorer, i hovedsak ved å bruke nanoboter for å produsere datamaskinkretser i mikroskala.