Hva er Nanoboter? Forståelse av Nanobot-Struktur, Drift og Bruk

Ettersom 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 omtrent 17% over 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 omtrent en til 100 nanometer i skala. Derfor er nanorobotikk fokusert på skapelsen av roboter som er omtrent denne størrelsen. I praksis er det vanskelig å konstruere noe så lite som en nanometer i skala, og begrepet “nanorobotikk” og “nanobot” brukes ofte til enheter som er omtrent 0,1 – 10 mikrometer i størrelse, som fortsatt er ganske liten.

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

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

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

Nanorobotiske brytere fungerer ved å bli promptet til å skifte fra en “av” tilstand til en “på” tilstand. Miljøfaktorer brukes til å gjøre maskinen endre form, en prosess kalt 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 bruker energien skapt av effekten av konformasjonendringen for å bevege seg og påvirke molekylene i den omgivende miljøet.

Skytter er nanoroboter som er i stand til å transportere kjemikalier som legemidler til bestemte, målrettede regioner. Målet er å kombinere skytter med nanorobotmotorer så at skytter er i stand til en større grad av bevegelse gjennom en miljø.

Nanorobotiske “biler” er de mest avanserte nanoenhetene for øyeblikket, i stand til å bevege seg uavhengig med promter 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 nanorobotisk kontroll.

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

Foto: 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 skapes Nanoboter?

Feltet nanorobotikk er på kryssningen av mange disipliner og skapelsen av nanoboter innebærer skapelsen av sensorer, aktuatorer og motorer. Fysisk modellering må gjøres også, 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 samhandling mellom både uorganiske og organiske materialer.

Størrelsen på en nanobot er omtrent sammenlignbar med biologiske celler, og på grunn av denne faktum kan fremtidige nanoboter bli brukt i disipliner 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 virkeligheten bare enkle molekyler 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 av nanoboter, spørsmål om hvordan nanoboter fungerer besvares med prediksjoner fremfor faktiske utsagn. Det er sannsynlig at de første store bruksområdene for nanoboter vil være i medisinske feltet, beveger seg gjennom det menneskelige kroppen og utfører oppgaver som å diagnostisere sykdommer, overvåke vitalfunksjoner og forsyne behandlinger. Disse nanobotene må være i stand til å navigere seg gjennom det menneskelige kroppen og bevege seg gjennom vev som blodårer.

Navigasjon

I forhold til nanobot-navigasjon, er det en rekke tekniker som nanobot-forskere og ingeniører undersøker. En metode for navigasjon er å bruke ultralydssignaler for å detektere og deployere. En nanobot kunne sende ultralydssignaler som kunne spores for å lokalisere posisjonen til nanobotene, og robotene kunne deretter bli ledet til bestemte områder med hjelp av et spesialverktøy som dirigerer deres bevegelse. Magnetresonansavbildning (MRI)-enheter kunne også bli brukt til å spore posisjonen til nanoboter, og tidlige eksperimenter med MRI har demonstrert at teknologien kan bli brukt til å detektere og sogar manøvrere nanoboter. Andre metoder for å detektere 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.

Navigasjons- og detekteringssystemene beskrevet ovenfor er eksterne metoder, som avhenger av bruk av verktøy for å flytte nanobotene. Med tilføyelse av onboard-sensorer, kunne nanobotene være mer autonome. For eksempel kunne kjemiske sensorer på nanobotene tillate roboten å skanne den omgivende miljøet og følge bestemte kjemiske markører til et målområde.

Kraft

Når det gjelder å strømforsyne nanobotene, er det også en rekke kraftløsninger som blir undersøkt av forskere. Løsninger for å strømforsyne nanoboter inkluderer eksterne kraftkilder og onboard/intern kraftkilder.

Interne kraftløsninger inkluderer generatore og kondensatorer. Generatore på nanoboten kunne bruke elektrolyttene funnet i blodet til å produsere energi, eller nanoboter kunne sogar bli drevet ved hjelp av det omgivende blodet 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 kunne bli brukt til å drive nanoboten. Andre alternativer som små kjernekraftkilder har sogar blitt vurdert.

Eksterne kraftløsninger inkluderer magnetfelt eller ultralydssignaler. Nanoboter kunne bruke noe som kalles en piezoelektrisk membran, som er i stand til å samle inn ultralydssignaler og omgjøre dem til elektrisk kraft. Magnetfelt kunne bli brukt til å katalysere elektriske strømmer innenfor en lukket ledende løkke på nanoboten. Som en bonus kunne magnetfeltet også bli brukt til å kontrollere retningen til nanoboten.

Bevegelse

Å håndtere problemet med nanobot-bevegelse krever noen oppfinnsomme løsninger. Nanoboter som ikke er koblet til eller ikke bare flyter fritt i deres miljø, må ha en metode for å bevege seg til deres målområder. Driftssystemet må være kraftig og stabilt, i stand til å drive nanoboten mot strømmer i deres omgivende miljø, som blodstrømmen. Driftsløsninger under undersøkelse er ofte inspirert av den naturlige verden, med forskere som ser på hvordan mikroskope organismer beveger seg gjennom deres miljø. 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 roboter små arm-lignende utvekster som kunne tillate roboten å svømme, gripe og krype. For øyeblikket er disse utvekslene kontrollert via magnetfelt utenfor kroppen, da magnetkraften får 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 gjort anvendelig for ekte nanoboter.

Det er andre, mer oppfinnsomme, driftstrategier som også blir undersøkt. For eksempel har noen forskere foreslått å bruke kondensatorer til å konstruere en elektromagnetisk pumpe som kunne trekke inn og skyte ut som en jet, drivende nanoboten fremover.

Uansett den endelige anvendelsen av nanoboter, må de løse problemene beskrevet ovenfor, håndtere navigasjon, bevegelse og kraft.

Hva brukes Nanoboter til?

Som nevnt, vil de første bruksområdene for nanoboter sannsynligvis være i medisinske feltet. Nanoboter kunne bli brukt til å overvåke for skader på kroppen, og potensielt sogar fasilitere reparasjonen av denne skaden. Fremtidige nanoboter kunne levere medisin direkte til cellene som trenger dem. For øyeblikket blir medisiner levert muntlig eller intravenøst og de sprer seg gjennom hele kroppen i stedet for å treffe bare målområdene, forårsaker bivirkninger. Nanoboter utstyrt med sensorer kunne lett bli brukt til å overvåke for endringer i regioner av celler, rapportere endringer ved første tegn på skade eller feilfunksjon.

Vi er fortsatt langt ifra disse hypotetiske anvendelsene, men fremgang blir gjort hele tiden. Som et eksempel, i 2017 skapte forskere nanoboter som målrettede kreftceller og angrep dem med en miniaturisert bore, 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 er sammensatt av tre forskjellige DNA-seksjoner, 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 for formål som miljørensing og -gjenvinning. Nanoboter kunne potensielt bli brukt til å fjerne giftige tungmetaller og plast fra vannmasser. Nanobotene kunne bære forbindelser som gjør giftige stoffer inerte når de kombineres, eller de kunne bli brukt til å nedbryte plastavfall gjennom lignende prosesser. Det blir også gjort forskning på bruken av nanoboter til å fasilitere produksjonen av ekstremt små datachip og prosessorer, i virkeligheten å bruke nanoboter til å produsere mikroskala datavirksomhet.