Ce sunt nanoboții? Înțelegerea structurii, funcționării și utilizărilor Nanobot

Pe măsură ce tehnologia avansează, lucrurile nu devin întotdeauna mai mari și mai bune, obiectele devin și mai mici. De fapt, nanotehnologia este unul dintre domeniile tehnologice cu cea mai rapidă creștere, în valoare de peste 1 trilion USD și se estimează că va crește cu aproximativ 17% în următoarea jumătate de deceniu. Nanoboți reprezintă o parte majoră a domeniului nanotehnologiei, dar ce sunt ele exact și cum funcționează? Să aruncăm o privire mai atentă asupra nanoboților pentru a înțelege cum funcționează această tehnologie transformatoare și pentru ce este folosită.

Ce sunt nanoboții?

Domeniul nanotehnologiei se referă la cercetarea și dezvoltarea tehnologiei cu o scară de aproximativ 100 până la XNUMX nanometri. Prin urmare, nanorobotica se concentrează pe crearea de roboți care sunt în jurul acestei dimensiuni. În practică, este dificil să proiectezi ceva la scară de un nanometru, iar termenul „nanorobotică” și „nanobot” este frecvent aplicat la dispozitive care au o dimensiune de aproximativ 0.1 – 10 micrometri, ceea ce este încă destul de mic.

Este important de reținut că termenul „nanorobot” este uneori aplicat dispozitivelor care interacționează cu obiecte la scară nanometrică, manipulând elemente la scară nanometrică. Prin urmare, chiar dacă dispozitivul în sine este mult mai mare, acesta poate fi considerat un instrument nanorobotic. Acest articol se va concentra pe roboții la scară nanometrică înșiși.

O mare parte din domeniul nanoroboticii și nanoboților se află încă în faza teoretică, cercetările concentrate pe rezolvarea problemelor construcțiilor la o scară atât de mică. Cu toate acestea, unele prototipuri de nanomașini și nanomotoare au fost proiectate și testate.

Cele mai multe dispozitive nanorobotice existente în prezent se încadrează în una din cele patru categorii: întrerupătoare, motoare, navete și mașini.

Comutatoarele nanorobotice funcționează prin solicitarea de a trece de la starea „oprit” la starea „pornită”. Factorii de mediu sunt utilizați pentru a face ca mașina să își schimbe forma, un proces numit schimbare conformațională. Mediul este modificat folosind procese precum reacțiile chimice, lumina UV și temperatura, iar comutatoarele nanorobotice se schimbă în diferite forme ca urmare, capabile să îndeplinească sarcini specifice.

Nanomotoarele sunt mai complexe decât simplele comutatoare și folosesc energia creată de efectele schimbării conformaționale pentru a se deplasa și a afecta moleculele din mediul înconjurător.

Navetele sunt nanoroboți capabili să transporte substanțe chimice precum medicamentele în regiuni specifice, vizate. Scopul este de a combina navetele cu motoare nanoroboți, astfel încât navetele să fie capabile să se miște printr-un mediu mai mare.

„Mașinile” nanorobotice sunt cele mai avansate nanodispozitive în acest moment, capabile să se miște independent cu solicitări de la catalizatori chimici sau electromagnetici. Nanomotoarele care conduc mașinile nanorobotice trebuie controlate pentru ca vehiculul să fie condus, iar cercetătorii experimentează diferite metode de control nanorobotic.

Cercetătorii în nanorobotică urmăresc să sintetizeze aceste componente și tehnologii diferite în nanomașini care pot îndeplini sarcini complexe, realizate de roiuri de nanoboți care lucrează împreună.

Foto: Foto: „Compararea dimensiunilor nanomaterialelor cu cele ale altor materiale comune.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Cum sunt creați nanoboții?

Domeniul nanoroboticii se află la răscrucea multor discipline, iar crearea nanoboților presupune crearea de senzori, actuatoare și motoare. Modelarea fizică trebuie făcută, de asemenea, și toate acestea trebuie făcute la scară nanometrică. După cum sa menționat mai sus, dispozitivele de nanomanipulare sunt folosite pentru a asambla aceste părți la scară nanometrică și pentru a manipula componente artificiale sau biologice, ceea ce include manipularea celulelor și moleculelor.

Inginerii nanorobotici trebuie să fie capabili să rezolve o multitudine de probleme. Ei trebuie să abordeze probleme legate de senzație, putere de control, comunicații și interacțiuni între atât materialele anorganice, cât și cele organice.

Dimensiunea unui nanobot este aproximativ comparabilă cu celulele biologice și, din cauza acestui fapt, viitorii nanoboți ar putea fi folosiți în discipline precum medicina și conservarea/remedierea mediului. Majoritatea „nanoboților” care există astăzi sunt doar molecule specifice care au fost manipulate pentru a îndeplini anumite sarcini. 

Nanoboții complecși sunt în esență doar molecule simple unite și manipulate prin procese chimice. De exemplu, unii nanoboți sunt format din ADN, si ei transport de marfă moleculară.

Cum funcționează nanoboții?

Având în vedere natura încă puternic teoretică a nanoboților, întrebările despre modul în care funcționează nanoboții primesc răspunsuri mai degrabă cu predicții decât cu declarații de fapt. Este probabil ca primele utilizări majore ale nanoboților să fie în domeniul medical, deplasându-se prin corpul uman și îndeplinind sarcini precum diagnosticarea bolilor, monitorizarea elementelor vitale și administrarea de tratamente. Acești nanoboți vor trebui să poată naviga în jurul corpului uman și să se deplaseze prin țesuturi precum vasele de sânge.

Navigare

În ceea ce privește navigarea nanobot, există o varietate de tehnici pe care cercetătorii și inginerii nanobot le investighează. O metodă de navigare este utilizarea semnalelor ultrasonice pentru detectare și desfășurare. Un nanobot ar putea emite semnale ultrasonice care ar putea fi urmărite pentru a localiza poziția nanoboților, iar roboții ar putea fi apoi ghidați către anumite zone cu ajutorul unui instrument special care le dirijează mișcarea. Dispozitivele de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN) ar putea fi, de asemenea, utilizate pentru a urmări poziția nanoboților și experimente timpurii cu RMN au demonstrat că tehnologia poate fi utilizată pentru a detecta și chiar manevra nanoboții. Alte metode de detectare și manevrare a nanoboților includ utilizarea razelor X, a microundelor și a undelor radio. În prezent, controlul nostru asupra acestor unde la scară nanometrică este destul de limitat, așa că ar trebui inventate noi metode de utilizare a acestor unde.

Sistemele de navigare și detecție descrise mai sus sunt metode externe, bazându-se pe utilizarea unor instrumente pentru a muta nanoboții. Odată cu adăugarea de senzori la bord, nanoboții ar putea fi mai autonomi. De exemplu, senzorii chimici incluși la bordul nanoboților ar putea permite robotului să scaneze mediul înconjurător și să urmărească anumiți markeri chimici până la o regiune țintă.

Alimentare

Când vine vorba de alimentarea nanoboților, există și o varietate de soluții energetice explorate de cercetători. Soluțiile pentru alimentarea nanoboților includ surse de alimentare externe și surse de alimentare interne/interne.

Soluțiile interne de alimentare includ generatoare și condensatoare. Generatorii de la bordul nanobotului ar putea folosi electroliții găsiți în sânge pentru a produce energie, sau nanoboții ar putea chiar să fie alimentați folosind sângele din jur ca catalizator chimic care produce energie atunci când este combinat cu o substanță chimică pe care nanobotul îl poartă cu el. Condensatorii funcționează în mod similar cu bateriile, stocând energia electrică care ar putea fi folosită pentru a propulsa nanobotul. Au fost luate în considerare chiar și alte opțiuni, cum ar fi sursele minuscule de energie nucleară.

În ceea ce privește sursele de alimentare externe, firele incredibil de mici și subțiri ar putea lega nanoboții la o sursă de alimentare exterioară. Astfel de fire ar putea fi făcute din cabluri de fibră optică în miniatură, trimițând impulsuri de lumină în jos pe fire și producând electricitatea reală în nanobot.

Alte soluții de alimentare externă includ câmpuri magnetice sau semnale ultrasonice. Nanoboții ar putea folosi ceva numit membrană piezoelectrică, care este capabilă să colecteze unde ultrasonice și să le transforme în energie electrică. Câmpurile magnetice pot fi folosite pentru a cataliza curenții electrici într-o buclă conducătoare închisă conținută la bordul nanobotului. Ca bonus, câmpul magnetic ar putea fi folosit și pentru a controla direcția nanobotului.

locomoție

Abordarea problemei de locomoție nanobot necesită niște soluții inventive. Nanoboții care nu sunt legați sau nu doar plutesc liber în mediul lor, trebuie să aibă o metodă de deplasare în locațiile țintă. Sistemul de propulsie va trebui să fie puternic și stabil, capabil să propulseze nanobotul împotriva curenților din mediul înconjurător, cum ar fi fluxul de sânge. Soluțiile de propulsie investigate sunt adesea inspirate de lumea naturală, cercetătorii analizând modul în care organismele microscopice se mișcă prin mediul lor. De exemplu, microorganismele folosesc adesea cozi lungi, asemănătoare unui bici, numite flageli, pentru a se propulsa sau folosesc un număr de membre minuscule, asemănătoare părului, numite cili.

Cercetătorii experimentează, de asemenea, să ofere roboților mici apendice asemănătoare brațelor care ar putea permite robotului să înoate, să se prindă și să se târască. În prezent, aceste anexe sunt controlate prin câmpuri magnetice din afara corpului, deoarece forța magnetică face ca brațele robotului să vibreze. Un avantaj suplimentar al acestei metode de locomoție este că energia pentru aceasta provine dintr-o sursă exterioară. Această tehnologie ar trebui să fie și mai mică pentru a o face viabilă pentru nanoboții adevărați.

Există și alte strategii de propulsie, mai inventive, aflate în cercetare. De exemplu, unii cercetători au propus folosirea condensatoarelor pentru a proiecta o pompă electromagnetică care să tragă fluide conductoare și să le elimine. ca un jet, propulsând nanobotul înainte.

Indiferent de eventuala aplicare a nanoboților, aceștia trebuie să rezolve problemele descrise mai sus, gestionarea navigației, locomoției și puterii.

La ce sunt folosiți nanoboții?

După cum am menționat, primele utilizări pentru nanoboți va fi probabil în domeniul medical. Nanoboții ar putea fi folosiți pentru a monitoriza deteriorarea corpului și, potențial, chiar pentru a facilita repararea acestor daune. Viitorii nanoboți ar putea livra medicamente direct celulelor care au nevoie de ele. În prezent, medicamentele sunt administrate pe cale orală sau intravenoasă și se răspândesc în întregul corp în loc să lovească doar regiunile țintă, provocând efecte secundare. Nanoboții echipați cu senzori ar putea fi utilizați cu ușurință pentru a monitoriza modificările în regiunile celulelor, raportând modificări la primul semn de deteriorare sau defecțiune.

Suntem încă departe de aceste aplicații ipotetice, dar progrese se fac tot timpul. De exemplu, în 2017 oamenii de știință au creat nanoboți care au vizat celulele canceroase și i-a atacat cu un burghiu miniaturizat, ucigându-i. Anul acesta, un grup de cercetători de la Universitatea ITMO a proiectat un nanobot compus din fragmente de ADN, capabile să distrugă catenele de ARN patogen. Nanoboții bazați pe ADN sunt, de asemenea, capabili să transporte încărcătură moleculară. Nanobotul este format din trei secțiuni diferite de ADN, manevrând cu un „picior” ADN și transportând molecule specifice cu ajutorul unui „braț”.

Dincolo de aplicațiile medicale, se fac cercetări cu privire la utilizarea nanoboților în scopuri de curățare și remediere a mediului. Nanoboții ar putea fi folosiți pentru a elimina metale grele toxice și materiale plastice din corpurile de apă. Nanoboții ar putea transporta compuși care fac substanțele toxice inerte atunci când sunt combinați împreună sau ar putea fi utilizați pentru a degrada deșeurile de plastic prin procese similare. De asemenea, se fac cercetări cu privire la utilizarea nanoboților pentru a facilita producția de cipuri și procesoare de computer extrem de mici, folosind în esență nanoboți pentru a produce circuite computerizate la scară mică.