Co to są nanoroboty? Zrozumienie struktury, działania i zastosowań nanorobotów

Wraz z postępem technologii, rzeczy nie zawsze stają się większe i lepsze, ale także mniejsze. W rzeczywistości, nanotechnologia jest jednym z najszybciej rozwijających się obszarów technologicznych, wartym ponad 1 bilion dolarów, i przewiduje się, że będzie rosła o około 17% w ciągu następnych pięciu lat. Nanoroboty są ważną częścią pola nanotechnologii, ale co one są dokładnie i jak działają? Zajrzyjmy bliżej na nanoroboty, aby zrozumieć, jak ta przełomowa technologia działa i do czego się używa.

Co to są nanoroboty?

Dziedzina nanotechnologii zajmuje się badaniami i rozwojem technologii o wymiarach od jednego do 100 nanometrów. Zatem, nanorobotyka koncentruje się na tworzeniu robotów o tym samym rozmiarze. W praktyce jest trudno zaprojektować coś tak małego, jak jeden nanometr, i termin “nanorobotyka” i “nanorobot” często stosowany jest do urządzeń o wymiarach od 0,1 do 10 mikrometrów, co wciąż jest bardzo małe.

Ważne jest, aby zauważyć, że termin “nanorobot” czasem stosowany jest do urządzeń, które oddziałują z obiektami na poziomie nanoskali, manipulując nanoskalowymi przedmiotami. Zatem, nawet jeśli urządzenie samo w sobie jest znacznie większe, może być uważane za instrument nanorobotyczny. Artykuł ten będzie koncentrował się na samych nanorobotach.

Większość dziedziny nanorobotyki i nanorobotów wciąż jest w fazie teoretycznej, z badaniami koncentrującymi się na rozwiązywaniu problemów związanych z budową na tak małą skalę. Jednakże, niektóre prototypowe nanomaszyny i nanosilniki zostały zaprojektowane i przetestowane.

Większość istniejących urządzeń nanorobotycznych można podzielić na jedną z czterech kategorii: przełączniki, silniki, wahadła i samochody.

Nanorobotyczne przełączniki działają, przechodząc z stanu “wyłączonego” do stanu “włączonego”. Czynniki środowiskowe są używane do zmiany kształtu maszyny, co nazywa się zmianą konformacyjną. Środowisko jest modyfikowane za pomocą procesów, takich jak reakcje chemiczne, światło UV i temperatura, a nanorobotyczne przełączniki przechodzą w różne formy, co pozwala im wykonywać określone zadania.

Nanosilniki są bardziej złożone niż proste przełączniki i wykorzystują energię wytworzoną przez efekt zmiany konformacyjnej, aby poruszać się i wpływać na molekuły w otoczeniu.

Wahadła to nanoroboty, które mogą transportować substancje chemiczne, takie jak leki, do określonych obszarów. Celem jest połączenie wahadeł z nanorobotycznymi silnikami, aby wahadła mogły poruszać się swobodnie w swoim otoczeniu.

Nanorobotyczne “samochody” są najbardziej zaawansowanymi nanourządzeniami, które mogą poruszać się niezależnie za pomocą bodźców chemicznych lub elektromagnetycznych. Nanosilniki, które napędzają nanorobotyczne samochody, muszą być kontrolowane, aby pojazd mógł być kierowany, a naukowcy eksperymentują z różnymi metodami kontroli nanorobotycznej.

Naukowcy zajmujący się nanorobotyką starają się połączyć te różne komponenty i technologie w nanomaszyny, które mogą wykonywać złożone zadania, wykonywane przez roje nanorobotów pracujących razem.

Zdjęcie: “Porównanie rozmiarów nanomateriałów z innymi materiałami.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Jak są tworzone nanoroboty?

Dziedzina nanorobotyki jest na skrzyżowaniu wielu dyscyplin i tworzenie nanorobotów wymaga tworzenia czujników, wykonawców i silników. Konieczne jest również wykonanie modelowania fizycznego, a wszystko to musi być zrobione na poziomie nanoskali. Jak wspomniano wcześniej, urządzenia nanomanipulacji są używane do montażu tych nano-skali części i manipulowania sztucznymi lub biologicznymi składnikami, w tym manipulowania komórkami i molekułami.

Inżynierowie nanorobotyki muszą rozwiązać wiele problemów. Muszą rozwiązać problemy związane z odbiorem, kontrolą, zasilaniem, komunikacją i interakcją między materiałami nieorganicznymi i organicznymi.

Rozmiar nanorobota jest porównywalny z rozmiarem komórek biologicznych, a z tego powodu przyszłe nanoroboty mogą być zastosowane w dziedzinach takich jak medycyna i ochrona środowiska. Większość “nanorobotów”, które istnieją dzisiaj, to po prostu cząsteczki, które zostały zmodyfikowane, aby wykonywać określone zadania.

Złożone nanoroboty są po prostu prostymi molekułami połączonymi i modyfikowanymi za pomocą procesów chemicznych. Na przykład, niektóre nanoroboty składają się z DNA, i mogą transportować ładunek molekularny.

Jak działają nanoroboty?

Biorąc pod uwagę nadal teoretyczny charakter nanorobotów, pytania o to, jak one działają, są odpowiedzią na przewidywania, a nie stwierdzenia faktów. Prawdopodobnie pierwsze główne zastosowania nanorobotów będą w dziedzinie medycyny, poruszając się przez ludzkie ciało i wykonując zadania, takie jak diagnozowanie chorób, monitorowanie stanu zdrowia i podawanie leków. Nanoroboty te będą musiały być w stanie nawigować przez ludzkie ciało i poruszać się przez tkanki, takie jak naczynia krwionośne.

Nawigacja

Jeśli chodzi o nawigację nanorobotów, istnieje wiele technik, które są badane przez naukowców i inżynierów. Jedną z metod nawigacji jest wykorzystanie sygnałów ultradźwiękowych do wykrywania i wdrożenia. Nanorobot mógłby emitować sygnały ultradźwiękowe, które mogłyby być śledzone, aby określić pozycję nanorobota, a następnie nanorobot mógłby być skierowany do określonych obszarów za pomocą specjalnego narzędzia, które kieruje jego ruchem. Urządzenia MRI mogą być również używane do śledzenia pozycji nanorobota, a wczesne eksperymenty z MRI wykazały, że technologia ta może być używana do wykrywania i nawet manewrowania nanorobotami. Inne metody wykrywania i manewrowania nanorobotami obejmują użycie promieni X, mikrofal i fal radiowych. Na razie, nasza kontrola tych fal na poziomie nanoskali jest dość ograniczona, więc nowe metody wykorzystania tych fal musiałyby być wynalezione.

Systemy nawigacji i wykrywania opisane powyżej są metodami zewnętrznymi, polegającymi na użyciu narzędzi do poruszania nanorobotów. Z dodaniem czujników na pokładzie, nanoroboty mogłyby być bardziej autonomiczne. Na przykład, czujniki chemiczne na pokładzie nanorobota mogłyby pozwolić robotowi skanować otoczenie i śledzić określone markery chemiczne do celu.

Zasilanie

Gdy chodzi o zasilanie nanorobotów, istnieje wiele rozwiązań zasilania, które są badane przez naukowców. Rozwiązania zasilania nanorobotów obejmują zewnętrzne źródła zasilania i wewnętrzne/na pokładzie źródła zasilania.

Wewnętrzne rozwiązania zasilania obejmują generatory i kondensatory. Generatory na pokładzie nanorobota mogą wykorzystywać elektrolity znajdujące się we krwi do wytwarzania energii, lub nanoroboty mogą być zasilane za pomocą otaczającej krwi jako katalizatora chemicznego, który wytwarza energię, gdy łączy się z chemicznym katalizatorem, który nanorobot niesie ze sobą. Kondensatory działają podobnie do baterii, przechowując energię elektryczną, która mogłaby być używana do napędzania nanorobota. Inne opcje, takie jak miniaturowe źródła jądrowe, również zostały rozważone.

Jeśli chodzi o zewnętrzne źródła zasilania, niezwykle cienkie, cienkie przewody mogą łączyć nanoroboty z zewnętrznym źródłem zasilania. Takie przewody mogą być wykonane z miniaturowych kabli światłowodowych, wysyłających impulsy światła w dół przewodów i generujących rzeczywistą energię elektryczną wewnątrz nanorobota.

Inne zewnętrzne rozwiązania zasilania obejmują pola magnetyczne lub sygnały ultradźwiękowe. Nanoroboty mogą wykorzystywać tzw. półprzewodnikową membranę, która jest w stanie zbierać fale ultradźwiękowe i przekształcać je w energię elektryczną. Pola magnetyczne mogą być używane do wywoływania prądów elektrycznych wewnątrz zamkniętej pętli przewodzącej na pokładzie nanorobota. Jako bonus, pole magnetyczne mogłoby również być używane do kontrolowania kierunku nanorobota.

Ruch

Rozwiązanie problemu ruchu nanorobota wymaga niektórych wynalazków. Nanoroboty, które nie są połączone z zewnętrznym źródłem zasilania, muszą mieć jakiś sposób poruszania się do swoich celów. System napędowy musi być silny i stabilny, aby nanorobot mógł poruszać się przeciwko prądom w swoim otoczeniu, takim jak przepływ krwi. Rozwiązania napędowe są często inspirowane naturą, a naukowcy badają, jak mikroskopijne organizmy poruszają się w swoim otoczeniu. Na przykład, mikroorganizmy często używają długich, biczowatych ogonów zwanych flagellami, aby poruszać się, lub używają wielu małych, włosopodobnych kończyn zwanych cilium.

Naukowcy również eksperymentują z nadawaniem robotom małych ramion, które mogą pozwolić robotowi pływać, chwytać i pełzać. Na razie, te ramiona są kontrolowane za pomocą pól magnetycznych na zewnątrz ciała, a siła magnetyczna powoduje, że ramiona robota drgają. Dodatkową zaletą tej metody ruchu jest to, że energia do niego pochodzi z zewnętrznego źródła. Ta technologia musiałaby być jeszcze mniejsza, aby być przydatna dla prawdziwych nanorobotów.

Istnieją inne, bardziej wynalazcze, strategie napędowe, które są badane. Na przykład, niektórzy naukowcy zaproponowali użycie kondensatorów do zbudowania elektromagnetycznej pompy, która pociągałaby płyn przewodzący i wyrzuciłaby go jak strumień, napędzając nanorobota do przodu.

Niezależnie od ostatecznego zastosowania nanorobotów, muszą one rozwiązać problemy opisane powyżej, radząc sobie z nawigacją, ruchem i zasilaniem.

Czego używa się nanoroboty?

Jak już wspomniano, pierwsze zastosowania nanorobotów będą prawdopodobnie w dziedzinie medycyny. Nanoroboty mogą być używane do monitorowania uszkodzeń ciała i potencjalnie nawet do ułatwienia naprawy tych uszkodzeń. Przyszłe nanoroboty mogą dostarczać leki bezpośrednio do komórek, które ich potrzebują. Obecnie leki są podawane doustnie lub dożylnie i rozprzestrzeniają się po całym ciele, zamiast trafiać tylko w cel, powodując skutki uboczne. Nanoroboty wyposażone w czujniki mogą być łatwo używane do monitorowania zmian w obszarach komórek, zgłaszając zmiany przy pierwszym znaku uszkodzenia lub awarii.

Jeszcze nie jesteśmy blisko tych hipotetycznych zastosowań, ale postępy są czynione cały czas. Na przykład, w 2017 roku naukowcy stworzyli nanoroboty, które atakowały komórki nowotworowe i zabijały je za pomocą miniaturyzowanego wiertła. W tym roku grupa naukowców z Uniwersytetu ITMO zaprojektowała nanorobota zbudowanego z fragmentów DNA, który mógł niszczyć patogenne łańcuchy RNA. Nanoroboty oparte na DNA są również w stanie transportować ładunek molekularny, Nanorobot składa się z trzech różnych sekcji DNA, manewruje za pomocą “nogi” DNA i przenosi określone molekuły za pomocą “ramienia”.

Poza zastosowaniami medycznymi, prowadzone są badania nad użyciem nanorobotów do celów oczyszczania środowiska i rekultywacji. Nanoroboty mogą być używane do usuwania toksycznych metali ciężkich i plastików z ciał wodnych. Nanoroboty mogą przenosić związki, które renderują toksyczne substancje nieaktywne, gdy łączą się ze sobą, lub mogą być używane do degradacji odpadów plastikowych za pomocą podobnych procesów. Prowadzone są również badania nad użyciem nanorobotów do ułatwienia produkcji niezwykle małych układów komputerowych i procesorów, używając nanorobotów do wytwarzania mikroskalowych obwodów komputerowych.