Ce sunt Nanobots? Înțelegerea structurii, funcționării și utilizării Nanobotilor

Pe măsură ce tehnologia avansează, lucrurile nu devin întotdeauna mai mari și mai bune, obiectele pot deveni și mai mici. De fapt, nanotehnologia este unul dintre cele mai rapide domenii tehnologice în creștere, cu o valoare de peste 1 trilion de dolari și se estimează că va crește cu aproximativ 17% în următorii cinci ani. Nanobots sunt o parte importantă a domeniului nanotehnologiei, dar ce sunt exact și cum funcționează? Să aruncăm o privire mai atentă asupra nanobotilor pentru a înțelege cum funcționează această tehnologie transformativă și la ce este utilizată.

Ce sunt Nanobots?

Domeniul nanotehnologiei se ocupă de cercetarea și dezvoltarea tehnologiei aproximativ de la unu la 100 de nanometri în scară. Prin urmare, nanorobotica se concentrează pe crearea de roboți care au aproximativ această dimensiune. În practică, este dificil să se proiecteze ceva atât de mic ca un nanometru și termenul de “nanorobot” și “nanobot” este adesea aplicat dispozitivelor care sunt aproximativ 0,1 – 10 micrometri în scară, ceea ce este încă foarte mic.

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

Partea cea mai mare a domeniului nanoroboticii și a nanobotilor este încă în faza teoretică, cu cercetarea axată pe rezolvarea problemelor de construcție la o scară atât de mică. Cu toate acestea, au fost proiectate și testate câteva prototipuri de nanomașini și nanomotoare.

Majoritatea dispozitivelor nanorobotice existente în prezent se încadrează în una dintre patru categorii: comutatoare, motoare, navete și mașini.

Comutatoarele nanorobotice funcționează prin comutarea de la o stare “oprit” la o stare “pornit”. Factorii de mediu sunt utilizați pentru a face mașina să-și schimbe forma, un proces numit schimbare conformațională. Mediul este modificat prin procese precum reacții chimice, lumină UV și temperatură, iar comutatoarele nanorobotice se schimbă în forme diferite ca urmare, putând să îndeplinească sarcini specifice.

Nanomotoarele sunt mai complexe decât simplele comutatoare și utilizează 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, cum ar fi medicamente, în regiuni țintite. Scopul este de a combina navetele cu motoare nanorobotice, astfel încât navetele să poată avea un grad mai mare de mișcare prin mediu.

Mașinile nanorobotice sunt dispozitivele nanometrice cele mai avansate în prezent, capabile să se deplaseze independent cu ajutorul unor catalizatori chimici sau electromagnetici. Motoarele nanorobotice care acționează mașinile nanorobotice trebuie să fie controlate pentru a putea direcționa vehiculul, iar cercetătorii experimentează cu diverse metode de control nanorobotic.

Cercetătorii în domeniul nanoroboticii își propun să sintetizeze aceste componente și tehnologii diferite în nanomașini care pot îndeplini sarcini complexe, realizate de roiuri de nanoroboți care lucrează împreună.

Fotografie: “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 Nanobots?

Domeniul nanoroboticii se află la intersecția mai multor discipline și crearea nanobotilor implică proiectarea de senzori, actuatoare și motoare. Modelarea fizică trebuie să fie efectuată, iar toate acestea trebuie să fie realizate la scară nanometrică. Așa cum s-a menționat mai sus, dispozitivele de nanomanipulare sunt utilizate pentru a asambla aceste părți nanometrice și pentru a manipula componente artificiale sau biologice, inclusiv manipularea celulelor și moleculelor.

Inginerii nanorobotici trebuie să poată rezolva o multitudine de probleme. Ei trebuie să abordeze probleme legate de senzație, control, putere, comunicare și interacțiune între materiale inorganice și organice.

Dimensiunea unui nanobot este aproximativ comparabilă cu cea a celulelor biologice, iar din cauza acestui fapt, nanobots viitoare ar putea fi utilizate în domenii precum medicina și conservarea mediului. Majoritatea “nanobotilor” care există astăzi sunt doar molecule specifice care au fost manipulate pentru a îndeplini anumite sarcini. 

Nanobots complexi sunt, în esență, simple molecule legate împreună și manipulate prin procese chimice. De exemplu, unele nanobots sunt constituiți din ADN și transportă încărcături moleculare.

Cum funcționează Nanobots?

Având în vedere natura încă foarte teoretică a nanobotilor, întrebările despre cum funcționează nanobots sunt răspunsate cu predicții, mai degrabă decât cu afirmații de fapt. Este probabil ca primele utilizări majore ale nanobotilor să fie în domeniul medical, deplasându-se prin corpul uman și îndeplinind sarcini precum diagnosticarea bolilor, monitorizarea parametrilor vitali și administrarea tratamentelor. Acești nanobots trebuie să poată naviga prin corpul uman și să se deplaseze prin țesuturi precum vasele de sânge.

Navigare

În ceea ce privește navigarea nanobotilor, există o varietate de tehnici pe care cercetătorii și inginerii nanorobotici le investighează. O metodă de navigare este utilizarea semnalelor ultrasonice pentru detectare și implementare. Un nanobot poate emite semnale ultrasonice care pot fi urmărite pentru a localiza poziția nanobotilor, iar roboții pot fi ghidați către zone specifice cu ajutorul unui instrument special care direcționează mișcarea lor. Aparatele de imagistică prin rezonanță magnetică (MRI) pot fi, de asemenea, utilizate pentru a urmări poziția nanobotilor, iar experimentele timpurii cu MRI au demonstrat că tehnologia poate fi utilizată pentru a detecta și chiar a manevra nanobots. Alte metode de detectare și manevrare a nanobotilor includ utilizarea razelor X, microundelor și undelor radio. În acest moment, controlul nostru asupra acestor valuri la scară nanometrică este destul de limitat, astfel încât ar trebui să fie inventate metode noi de utilizare a acestor valuri.

Sistemele de navigare și detectare descrise mai sus sunt metode externe, care se bazează pe utilizarea unor instrumente pentru a deplasa nanobots. Cu adăugarea de senzori de bord, nanobots pot fi mai autonomi. De exemplu, senzorii chimici incluși pe nanobots pot permite robotului să scaneeze mediul înconjurător și să urmeze anumite markeri chimici către o regiune țintită.

Putere

Când vine vorba de alimentarea nanobotilor, există, de asemenea, o varietate de soluții de putere care sunt investigate de cercetători. Soluțiile pentru alimentarea nanobotilor includ surse de putere externe și surse de putere interne.

Sursele de putere interne includ generatoare și condensatoare. Generatoarele de pe nanobot pot utiliza electroliții găsiți în sânge pentru a produce energie, sau nanobots pot fi alimentați utilizând sângele înconjurător ca un catalizator chimic care produce energie atunci când este combinat cu un chimic pe care nanobotul îl poartă cu el. Condensatoarele funcționează similar cu bateriile, stocând energie electrică care poate fi utilizată pentru a propulsa nanobotul. Alte opțiuni, precum surse de putere nucleară, au fost, de asemenea, luate în considerare.

În ceea ce privește sursele de putere externe, fire foarte subțiri și foarte mici pot conecta nanobots la o sursă de putere externă. Astfel de fire pot fi realizate din cabluri de fibră optică miniatură, trimițând pulsuri de lumină prin fire și având electricitatea generată în interiorul nanobotului.

Alte soluții de putere externe includ câmpuri magnetice sau semnale ultrasonice. Nanobots pot utiliza o membrană piezoelectrică, care poate colecta valuri ultrasonice și le poate transforma în putere electrică. Câmpurile magnetice pot fi utilizate pentru a cataliza curenți electrici într-o buclă conductoare închisă conținută pe nanobot. Ca bonus, câmpul magnetic poate fi, de asemenea, utilizat pentru a controla direcția nanobotului.

Locomotivă

Abordarea problemei locomotivă a nanobotilor necesită soluții inventive. Nanobots care nu sunt conectați sau care nu plutesc liber în mediul lor necesită o metodă de deplasare către locațiile țintite. Sistemul de propulsie trebuie să fie puternic și stabil, capabil să propulseze nanobotul împotriva curenților din mediul înconjurător, cum ar fi fluxul sanguin. Soluțiile de propulsie investigate sunt adesea inspirate de lumea naturală, cercetătorii examinând modul în care organismele microscopice se deplasează prin mediul lor.

Cercetătorii experimentează, de asemenea, cu acordarea de brațe mici roboților care pot permite robotului să înoate, să apuce și să se târască. În prezent, aceste brațe sunt controlate prin câmpuri magnetice din afara corpului, deoarece forța magnetică determină brațele robotului să vibreze. Un beneficiu suplimentar al acestei metode de locomotivă este că energia pentru aceasta provine de la o sursă externă. Această tehnologie ar trebui să fie miniaturizată și mai mult pentru a fi viabilă pentru nanobots adevărați.

Există și alte strategii de propulsie mai inventive, investigate. De exemplu, unii cercetători au propus utilizarea condensatoarelor pentru a proiecta o pompă electromagnetică care ar putea trage lichide conductive și le-ar arunca ca un jet, propulsând nanobotul înainte.

Indiferent de aplicația finală a nanobotilor, aceștia trebuie să rezolve problemele descrise mai sus, gestionând navigarea, locomotiva și puterea.

Ce sunt Nanobots utilizați pentru?

Așa cum s-a menționat, primele utilizări ale nanobotilor vor fi probabil în domeniul medical. Nanobots ar putea fi utilizați pentru a monitoriza daunele aduse corpului și, posibil, chiar pentru a facilita repararea acestor daune. Nanobots viitoare 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 întreg corpul, în loc să lovească doar regiunile țintite, provocând efecte secundare. Nanobots echipați cu senzori ar putea fi ușor utilizați pentru a monitoriza schimbările în regiunile celulare, raportând schimbările la primul semn de deteriorare sau disfuncție.

Încă suntem departe de aceste aplicații ipotetice, dar progresele sunt făcute în permanență. De exemplu, în 2017, oamenii de știință au creat nanobots care vizau celulele canceroase și le-au atacat cu o miniatură de burghiu, ucigându-le. În acest an, un grup de cercetători de la Universitatea ITMO a proiectat un nanobot compus din fragmente de ADN, capabil să distrugă lanțuri de ARN patogene. Nanobots bazate pe ADN sunt, de asemenea, capabili să transporte încărcături moleculare, nanobotul fiind alcătuit din trei secțiuni de ADN diferite, manevrând cu o “picior” de ADN și transportând molecule specifice cu ajutorul unui “braț”.

Dincolo de aplicațiile medicale, se efectuează cercetări cu privire la utilizarea nanobotilor pentru curățarea și remedierea mediului. Nanobots ar putea fi utilizați pentru a îndepărta metale grele toxice și plastice din corpuri de apă. Nanobots ar putea transporta compuși care pot face substanțe toxice inerte atunci când sunt combinate, sau ar putea fi utilizați pentru a degrada deșeurile de plastic prin procese similare. Se efectuează, de asemenea, cercetări cu privire la utilizarea nanobotilor pentru a facilita producția de cipuri și procesoare foarte mici, utilizând, în esență, nanobots pentru a produce circuite computerizate la scară mică.