Hva er nanoboter? Forståelse av nanobot-struktur, drift og bruk

Mens teknologien utvikler seg, blir ting ikke alltid større og bedre, objekter blir også mindre. I virkeligheten er nanoteknologi ett av de raskest voksende teknologifeltene, verdt over 1 billion USD, og det forventes å vokse med ca. 17% de neste fem årene. Nanoboter er en stor del av nanoteknologifeltet, men hva er de egentlig og hvordan fungerer de? La oss ta en nærmere titt 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 som er omtrent en til 100 nanometer i størrelse. Derfor er nanorobotikk fokusert på skaping av roboter som er omtrent denne størrelsen. I praksis er det vanskelig å konstruere noe så lite som en nanometer i størrelse, og begrepene “nanorobotikk” og “nanobot” brukes ofte til å beskrive enheter som er omtrent 0,1 – 10 mikrometer i størrelse, som fortsatt er ganske små.

Det er viktig å merke seg at begrepet “nanorobot” noen ganger brukes til å beskrive enheter som samhandler med objekter på nanoskala, manipulerer nanoskalaobjekter. Derfor kan en enhet som er mye større enn selv være betraktet som en nanorobotisk instrument. Denne artikkelen vil fokusere på nanoskala roboter selv.

Mye av feltet nanorobotikk og nanoboter er fortsatt i den teoretiske fasen, med forskning som fokuserer på å løse problemene med konstruksjon på så liten skala. Likevel har noen prototype nanomaskiner og nanomotorer blitt designet og testet.

De fleste eksisterende nanorobotiske enheter faller i en av fire kategorier: brytere, motorer, shuttle og biler.

Nanorobotiske brytere opererer ved å bli promptet til å skifte fra en “av” tilstand til en “på” tilstand. Miljøfaktorer brukes til å endre maskinens form, en prosess som kalles konformasjonendring. Miljøet endres ved hjelp av prosesser som kjemiske reaksjoner, UV-lys og temperatur, og nanorobotiske brytere skifter til forskjellige former som resultat, i stand til å utføre bestemte oppgaver.

Nanomotorer er mer komplekse enn enkle brytere, og de utnytter energien som skapes av effekten av konformasjonendringen for å bevege seg og påvirke molekylene i omgivelsene.

Shuttle er nanoboter som er i stand til å transportere kjemikalier som legemidler til bestemte, målrettede regioner. Målet er å kombinere shuttle med nanorobotmotorer så at shuttle kan bevege seg mer i omgivelsene.

Nanorobotiske “biler” er de mest avanserte nanoenhetene for øyeblikket, i stand til å bevege seg uavhengig med prompter fra kjemiske eller elektromagnetiske katalysatorer. Nanomotorer som driver nanorobotiske biler må kontrolleres for at kjøretøyet skal kunne styres, og forskere eksperimenterer med ulike metoder for nanorobotisk kontroll.

Nanorobotikkforskere har som mål å syntetisere disse ulike komponentene og teknologiene til nanomaskiner som kan utføre komplekse oppgaver, utført av sværmer av nanoboter som samarbeider.

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

Hvordan lages nanoboter?

Feltet nanorobotikk er på kryssingspunktet av mange disipliner, og skapingen av nanoboter innebærer skaping av sensorer, aktuatorer og motorer. Fysisk modellering må gjøres, og all dette må gjøres på nanoskala. Som nevnt ovenfor, brukes nanomanipulasjonsenheter til å montere disse nano-skala delene og manipulere kunstige eller biologiske komponenter, som inkluderer manipulering av celler og molekyler.

Nanorobotikk ingeniører må kunne løse en mengde problemer. De må håndtere spørsmål om sansning, 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 bli anvendt i fag som medisin og miljøvern/bevaring. De fleste “nanoboter” som eksisterer i dag er bare bestemte molekyler som er manipulert til å utføre bestemte oppgaver. 

Komplekse nanoboter er i realiteten bare enkle molekyler som er koblet sammen og manipulert med kjemiske prosesser. For eksempel er noen nanoboter sammensatt av DNA, og de transporterer molekylært last.

Hvordan fungerer nanoboter?

Gitt den fortsatt sterkt teoretiske naturen til nanoboter, blir spørsmål om hvordan nanoboter fungerer besvart med forutsigelser fremfor faktiske utsagn. Det er sannsynlig at de første store bruksområdene for nanoboter vil være i medisinfeltet, beveger seg gjennom menneskekroppen og utfører oppgaver som å diagnostisere sykdommer, overvåke vitalfunksjoner og forsyne behandlinger. Disse nanobotene må kunne navigere seg rundt i menneskekroppen og bevege seg gjennom vev som blodårer.

Navigasjon

I forhold til nanobotnavigasjon, er det en rekke tekniker som nanobotforskere og ingeniører undersøker. En metode for navigasjon er å bruke ultralydssignaler for å oppdage og deployere. En nanobot kan sende ut ultralydssignaler som kan spores for å lokalisere posisjonen til nanobotene, og robotene kan deretter bli styrt til bestemte områder med hjelp av et spesialverktøy som dirigerer deres bevegelse. Magnetresonanstomografi (MRI)-enheter kan også bli brukt til å spore posisjonen til nanoboter, og tidlige eksperimenter med MRIs har demonstrert at teknologien kan bli brukt til å oppdage og sogar 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 bruke disse bølgene må bli funnet.

Navigasjonssystemene beskrevet ovenfor er eksterne metoder, som avhenger av bruk av verktøy for å flytte nanobotene. Med tillegg av onboard-sensorer, kan nanobotene bli mer autonome. For eksempel kan kjemiske sensorer som er inkludert i nanobotene tillate roboten å skanne omgivelsene og følge bestemte kjemiske markører til et målområde.

Kraft

Når det gjelder å strømforsyne nanobotene, er det en rekke løsninger som forskere undersøker. Løsninger for å strømforsyne nanoboter inkluderer eksterne strømkilder og onboard/interne strømkilder.

Interne strømløsninger inkluderer generatore og kondensatorer. Generatorene på nanoboten kan bruke elektrolyttene funnet i blodet til å produsere energi, eller nanobotene kan bli strømforsynt ved hjelp av omgivelsene som en kjemisk katalysator som produserer energi når den kombineres med en kjemisk substans som nanoboten bærer med seg. Kondensatorer fungerer på samme måte som batterier, lagrer elektrisk energi som kan bli brukt til å drive nanoboten. Andre alternativer som små kjernekraftkilder har også blitt vurdert.

Så langt som eksterne strømkilder går, kan usedvanlig små, tynne ledninger bli brukt til å koble nanobotene til en ekstern strømkilde. Slike ledninger kan bli laget av miniature fiberkabler, som sender pulser av lys ned ledningene og har den faktiske elektrisiteten bli generert innenfor nanoboten.

Andre eksterne strømløsninger inkluderer magnetfelt eller ultralydssignaler. Nanoboter kan bruke noe som kalles en piezoelektrisk membran, som er i stand til å samle inn ultralydssignaler og omgjøre dem til elektrisk kraft. Magnetfelt kan bli brukt til å katalysere elektriske strømmer innenfor en lukket ledning som er inkludert i nanoboten. Som en bonus kan magnetfeltet også bli brukt til å kontrollere retningen til nanoboten.

Bevegelse

Å løse problemet med nanobotbevegelse krever noen oppfinnsomme løsninger. Nanoboter som ikke er koblet til eller ikke bare flyter fritt i omgivelsene, må ha en metode for å bevege seg til målområdene. Drivsystemet må være kraftig og stabilt, i stand til å drive nanoboten mot strømmer i omgivelsene, som blodstrømmen. Drivløsninger som undersøkes er ofte inspirert av den naturlige verden, hvor forskere ser på hvordan mikroskopiske organismer beveger seg i omgivelsene. For eksempel bruker mikroorganismer ofte lange, piskelignende haler kalt flageller til å drive seg frem, eller de bruker en rekke små, hårliknende lemmer kalt cilia.

Forskere eksperimenterer også med å gi robotene små arm-lignende utvekster som kan tillate roboten å svømme, gripe og krype. For øyeblikket er disse utvekslene kontrollert via magnetfelt utenfor kroppen, da magnetkraften prompter robotens armer til å vibrere. En ekstra fordel med denne metoden for bevegelse er at energien for det kommer fra en ekstern kilde. Denne teknologien må bli gjort enda mindre for å bli anvendt på ekte nanoboter.

Det finnes andre, mer oppfinnsomme, drivstrategier som også blir undersøkt. For eksempel har noen forskere foreslått å bruke kondensatorer til å konstruere en elektromagnetisk pumpe som ville trekke inn ledende væsker og skyte dem ut som en jet, og drive nanoboten fremover.

Uansett hvilken fremtidig anvendelse nanoboter får, må de løse problemene beskrevet ovenfor, håndtere navigasjon, bevegelse og kraft.

Hva brukes nanoboter til?

Som nevnt ovenfor, vil de første bruksområdene for nanoboter sannsynligvis være i medisinfeltet. Nanoboter kan bli brukt til å overvåke for skader på kroppen, og potensielt sogar å reparere skadene. Fremtidige nanoboter kan levere medisiner direkte til cellene som trenger dem. For øyeblikket blir medisiner levert muntlig eller intravenøst og de sprer seg over hele kroppen i stedet for å treffe bare målområdene, og forårsaker bivirkninger. Nanoboter utstyrt med sensorer kan lett bli brukt til å overvåke for endringer i celler, og rapportere endringer ved første tegn på skade eller feilfunksjon.

Vi er fortsatt langt ifra disse hypotetiske anvendelsene, men fremgang blir gjort hele tiden. For eksempel skapte forskere i 2017 nanoboter som målrettede kreftceller og angrep dem med en miniaturisert bor, 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-strenger. DNA-baserte nanoboter er også i stand til å transportere molekylært last, Nanoboten består av tre forskjellige DNA-seksjoner, og manøvrerer med en DNA-“bein” og bærer bestemte molekyler med hjelp av en “arm”.

Forbi medisinske anvendelser, blir det gjort forskning på bruken av nanoboter til formålet med miljørensning og -gjenvinning. Nanoboter kan potensielt bli brukt til å fjerne giftige tungmetaller og plast fra vannmasser. Nanobotene kan bære sammenstøt som gjør giftige stoffer inerte når de kombineres, eller de kan bli brukt til å bryte ned plastavfall gjennom lignende prosesser. Det blir også gjort forskning på bruken av nanoboter til å fasilitere produksjonen av ekstremt små datamaskin-chip og prosessorer, essensielt ved å bruke nanoboter til å produsere mikroskala datamaskin-kretser.