O que são Nanobots? Compreendendo a estrutura, a operação e os usos do Nanobot

Conforme a tecnologia avança, as coisas nem sempre ficam maiores e melhores, os objetos também ficam menores. Na verdade, a nanotecnologia é um dos campos tecnológicos de crescimento mais rápido, valendo mais de 1 trilhão de dólares, e prevê-se que cresça aproximadamente 17% na próxima meia década. Nanobots são uma parte importante do campo da nanotecnologia, mas o que são exatamente e como operam? Vamos dar uma olhada nos nanobots para entender como essa tecnologia transformadora funciona e para que ela é usada.

O que são Nanobots?

O campo da nanotecnologia está preocupado com a pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de aproximadamente um a 100 nanômetros em escala. Portanto, a nanorobótica está focada na criação de robôs que tenham esse tamanho. Na prática, é difícil projetar algo tão pequeno quanto um nanômetro em escala e o termo “nanorobótica” e “nanobot” é frequentemente aplicado a dispositivos com aproximadamente 0.1 a 10 micrômetros de tamanho, o que ainda é bastante pequeno.

É importante notar que o termo “nanorobô” às vezes é aplicado a dispositivos que interagem com objetos em nanoescala, manipulando itens em nanoescala. Portanto, mesmo que o próprio dispositivo seja muito maior, ele pode ser considerado um instrumento nanorobótico. Este artigo se concentrará nos próprios robôs em nanoescala.

Grande parte do campo da nanorrobótica e nanobots ainda está na fase teórica, com pesquisas voltadas para resolver os problemas de construção em tão pequena escala. No entanto, alguns protótipos de nanomáquinas e nanomotores foram projetados e testados.

A maioria dos dispositivos nanorobóticos atualmente existentes se enquadra uma das quatro categorias: interruptores, motores, lançadeiras e carros.

Os interruptores nanorobóticos operam sendo solicitados a mudar de um estado “desligado” para um estado “ligado”. Fatores ambientais são usados ​​para fazer a máquina mudar de forma, um processo chamado mudança conformacional. O ambiente é alterado usando processos como reações químicas, luz ultravioleta e temperatura, e os interruptores nanorobóticos mudam para diferentes formas como resultado, capazes de realizar tarefas específicas.

Nanomotores são mais complexos do que interruptores simples e utilizam a energia criada pelos efeitos da mudança conformacional para se movimentar e afetar as moléculas no ambiente circundante.

Os ônibus espaciais são nanorobôs capazes de transportar produtos químicos, como drogas, para regiões específicas e específicas. O objetivo é combinar ônibus com motores de nanorobôs para que os ônibus sejam capazes de um maior grau de movimento através de um ambiente.

Os “carros” nanorobóticos são os nanodispositivos mais avançados no momento, capazes de se mover independentemente com comandos de catalisadores químicos ou eletromagnéticos. Os nanomotores que conduzem os carros nanorrobóticos precisam ser controlados para que o veículo seja dirigido, e os pesquisadores estão experimentando vários métodos de controle nanorrobótico.

Os pesquisadores da nanorrobótica visam sintetizar esses diferentes componentes e tecnologias em nanomáquinas que podem concluir tarefas complexas, realizadas por enxames de nanobots trabalhando juntos.

Foto: Foto: ” Comparação dos tamanhos dos nanomateriais com os de outros materiais comuns.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Como os Nanobots são criados?

O campo da nanorrobótica está na encruzilhada de muitas disciplinas e a criação de nanobots envolve a criação de sensores, atuadores e motores. A modelagem física também deve ser feita, e tudo isso deve ser feito em nanoescala. Como mencionado acima, os dispositivos de nanomanipulação são usados ​​para montar essas peças em nanoescala e manipular componentes artificiais ou biológicos, o que inclui a manipulação de células e moléculas.

Os engenheiros de nanorrobótica devem ser capazes de resolver uma infinidade de problemas. Eles têm que abordar questões relacionadas à sensação, poder de controle, comunicações e interações entre materiais inorgânicos e orgânicos.

O tamanho de um nanobot é aproximadamente comparável ao de células biológicas e, devido a esse fato, futuros nanobots poderão ser empregados em disciplinas como medicina e preservação/remediação ambiental. A maioria dos “nanobots” que existem hoje são apenas moléculas específicas que foram manipuladas para realizar certas tarefas. 

Os nanorrobôs complexos são essencialmente apenas moléculas simples unidas e manipuladas com processos químicos. Por exemplo, alguns nanobots são composto de DNA, E eles transportar cargas moleculares.

Como os Nanobots Operam?

Dada a natureza ainda fortemente teórica dos nanobots, as perguntas sobre como os nanobots operam são respondidas com previsões em vez de declarações de fato. É provável que os primeiros usos importantes para os nanobots sejam no campo médico, movendo-se pelo corpo humano e realizando tarefas como diagnosticar doenças, monitorar sinais vitais e administrar tratamentos. Esses nanorrobôs precisarão ser capazes de navegar pelo corpo humano e se mover através de tecidos como vasos sanguíneos.

Navegação

Em termos de navegação de nanobots, há uma variedade de técnicas que pesquisadores e engenheiros de nanobots estão investigando. Um método de navegação é a utilização de sinais ultrassônicos para detecção e implantação. Um nanobot pode emitir sinais ultrassônicos que podem ser rastreados para localizar a posição dos nanobots, e os robôs podem ser guiados para áreas específicas com o uso de uma ferramenta especial que direciona seu movimento. Dispositivos de ressonância magnética (MRI) também podem ser empregados para rastrear a posição de nanobots e primeiras experiências com ressonâncias magnéticas demonstraram que a tecnologia pode ser usada para detectar e até mesmo manobrar nanobots. Outros métodos de detecção e manobra de nanorrobôs incluem o uso de raios X, microondas e ondas de rádio. No momento, nosso controle dessas ondas em nanoescala é bastante limitado, então novos métodos de utilização dessas ondas teriam que ser inventados.

Os sistemas de navegação e detecção descritos acima são métodos externos, contando com o uso de ferramentas para mover os nanobots. Com a adição de sensores a bordo, os nanobots podem ser mais autônomos. Por exemplo, sensores químicos incluídos a bordo de nanorrobôs podem permitir que o robô escaneie o ambiente circundante e siga certos marcadores químicos até uma região-alvo.

Potência

Quando se trata de alimentar os nanobots, também há uma variedade de soluções de energia sendo exploradas por pesquisadores. As soluções para alimentar nanobots incluem fontes de energia externas e fontes de energia interna/onboard.

As soluções de energia interna incluem geradores e capacitores. Os geradores a bordo do nanobot podem usar os eletrólitos encontrados no sangue para produzir energia, ou os nanobots podem até ser alimentados usando o sangue circundante como um catalisador químico que produz energia quando combinado com um produto químico que o nanobot carrega consigo. Os capacitores operam de forma semelhante às baterias, armazenando energia elétrica que pode ser usada para impulsionar o nanobot. Outras opções, como pequenas fontes de energia nuclear, foram consideradas.

No que diz respeito às fontes de energia externas, fios incrivelmente pequenos e finos podem conectar os nanobots a uma fonte de energia externa. Esses fios podem ser feitos de cabos de fibra óptica em miniatura, enviando pulsos de luz pelos fios e fazendo com que a eletricidade real seja gerada dentro do nanobot.

Outras soluções de energia externa incluem campos magnéticos ou sinais ultrassônicos. Os nanobots poderiam empregar algo chamado membrana piezoelétrica, capaz de coletar ondas ultrassônicas e transformá-las em energia elétrica. Campos magnéticos podem ser usados ​​para catalisar correntes elétricas dentro de um circuito condutor fechado contido a bordo do nanobot. Como bônus, o campo magnético também pode ser usado para controlar a direção do nanobot.

Locomoção

Abordando o problema de locomoção nanobot requer algumas soluções inventivas. Nanobots que não estão amarrados, ou não estão apenas flutuando livremente em seu ambiente, precisam ter algum método de se mover para seus locais de destino. O sistema de propulsão precisará ser poderoso e estável, capaz de impulsionar o nanorrobô contra correntes em seu ambiente, como o fluxo de sangue. As soluções de propulsão sob investigação são muitas vezes inspiradas no mundo natural, com os pesquisadores observando como os organismos microscópicos se movem em seu ambiente. Por exemplo, os microorganismos costumam usar longas caudas semelhantes a chicotes, chamadas flagelos, para se impulsionarem, ou usam vários membros minúsculos semelhantes a pelos, chamados de cílios.

Os pesquisadores também estão experimentando dar aos robôs pequenos apêndices semelhantes a braços que poderia permitir que o robô nadasse, agarrasse e rastejasse. Atualmente, esses apêndices são controlados por meio de campos magnéticos fora do corpo, pois a força magnética faz com que os braços do robô vibrem. Um benefício adicional a esse método de locomoção é que a energia para isso vem de uma fonte externa. Essa tecnologia precisaria ser ainda menor para torná-la viável para verdadeiros nanobots.

Existem outras estratégias de propulsão, mais inventivas, também sob investigação. Por exemplo, alguns pesquisadores propuseram o uso de capacitores para projetar uma bomba eletromagnética que puxaria fluidos condutores e os lançaria para fora. como um jato, impulsionando o nanobot para a frente.

Independentemente da eventual aplicação de nanobots, eles devem resolver os problemas descritos acima, lidando com navegação, locomoção e energia.

Para que servem os Nanobots?

Como mencionado, os primeiros usos para nanobots provavelmente estará em a área médica. Nanobots podem ser usados ​​para monitorar danos ao corpo e, potencialmente, até mesmo facilitar o reparo desses danos. Os nanorrobôs do futuro poderão fornecer medicamentos diretamente às células que precisam deles. Atualmente, os medicamentos são administrados por via oral ou intravenosa e se espalham por todo o corpo, em vez de atingir apenas as regiões-alvo, causando efeitos colaterais. Nanobots equipados com sensores podem ser facilmente usados ​​para monitorar mudanças em regiões de células, relatando mudanças ao primeiro sinal de dano ou mau funcionamento.

Ainda estamos muito longe dessas aplicações hipotéticas, mas o progresso está sendo feito o tempo todo. Por exemplo, em 2017, cientistas criaram nanorrobôs que visavam células cancerígenas e os atacou com uma broca miniaturizada, matando-os. Este ano, um grupo de pesquisadores da Universidade ITMO projetou um nanobot composto de fragmentos de DNA, capaz de destruir filamentos de RNA patogênicos. Atualmente, nanobots baseados em DNA também são capazes de transportar carga molecular. O nanobot é feito de três seções de DNA diferentes, manobrando com uma “perna” de DNA e carregando moléculas específicas com o uso de um “braço”.

Além das aplicações médicas, pesquisas estão sendo feitas sobre o uso de nanobots para fins de limpeza e remediação ambiental. Nanobots podem potencialmente ser usados ​​para remover metais pesados ​​tóxicos e plásticos de corpos de água. Os nanobots podem carregar compostos que tornam substâncias tóxicas inertes quando combinados, ou podem ser usados ​​para degradar resíduos de plástico por meio de processos semelhantes. Pesquisas também estão sendo feitas sobre o uso de nanobots para facilitar a produção de processadores e chips de computador extremamente pequenos, usando essencialmente nanobots para produzir circuitos de computador em microescala.