Что такое наноботы? Понимание структуры, работы и применения наноботов

По мере развития технологий, вещи не всегда становятся больше и лучше, объекты также могут стать меньше. Фактически, нанотехнология является одной из самых быстрорастущих технологических областей, стоимостью более 1 триллиона долларов США, и, как ожидается, она будет расти примерно на 17% в течение следующих пяти лет. Наноботы являются важной частью области нанотехнологий, но что они такое и как они работают? Давайте рассмотрим наноботы, чтобы понять, как эта трансформационная технология работает и для чего она используется.

Что такое наноботы?

Область нанотехнологий занимается исследованием и разработкой технологий, примерно от одного до 100 нанометров в масштабе. Следовательно, наноробототехника фокусируется на создании роботов, которые примерно такого же размера. На практике трудно сконструировать что-либо такое маленькое, как один нанометр в масштабе, и термины “наноробототехника” и “нанобот” часто применяются к устройствам, которые примерно 0,1-10 микрометров в размере, что все еще довольно маленький.

Важно отметить, что термин “наноробот” иногда применяется к устройствам, которые взаимодействуют с объектами на наноразмерном уровне, манипулируя наноразмерными объектами. Следовательно, даже если само устройство намного больше, оно может быть рассмотрено как нанороботическое устройство. Эта статья будет фокусироваться на самих наноразмерных роботах.

Большая часть области наноробототехники и наноботов все еще находится на теоретической стадии, с исследованием, направленным на решение проблем конструирования на таком маленьком масштабе. Однако некоторые прототипы наномашин и наномоторов были разработаны и протестированы.

Большинство существующих нанороботических устройств можно разделить на одну из четырех категорий: переключатели, моторы, шаттлы и машины.

Нанороботические переключатели работают, переключаясь из “выключенного” состояния в “включенное” состояние. Внешние факторы используются для изменения формы машины, процесс, называемый конформационным изменением. Окружающая среда изменяется с помощью процессов, таких как химические реакции, ультрафиолетовое излучение и температура, и нанороботические переключатели меняют свою форму в результате, способные выполнять определенные задачи.

Наномоторы более сложны, чем простые переключатели, и они используют энергию, созданную эффектом конформационного изменения, для движения и воздействия на молекулы в окружающей среде.

Шаттлы являются наноботами, способными транспортировать химические вещества, такие как лекарства, в конкретные, целевые области. Цель состоит в том, чтобы объединить шаттлы с нанороботическими моторами, чтобы шаттлы могли двигаться с большей степенью свободы в окружающей среде.

Нанороботические “машины” являются наиболееadvanced наноустройствами на данный момент, способными двигаться самостоятельно с помощью химических или электромагнитных катализаторов. Наномоторы, которые приводят в движение нанороботические машины, необходимо контролировать, чтобы направлять транспортное средство, и исследователи экспериментируют с различными методами нанороботического контроля.

Исследователи в области наноробототехники стремятся синтезировать эти различные компоненты и технологии в наномашин, которые могут выполнять сложные задачи, достигаемые с помощью роев наноботов, работающих вместе.

Фотография: “Сравнение размеров наноматериалов с размерами других обычных материалов.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Как создаются наноботы?

Область наноробототехники находится на пересечении многих дисциплин, и создание наноботов включает в себя создание датчиков, исполнительных механизмов и моторов. Необходимо выполнить физическое моделирование, и все это должно быть сделано на наноразмерном уровне. Как упоминалось выше, наноманипуляционные устройства используются для сборки этих наноразмерных частей и манипулирования искусственными или биологическими компонентами, включая манипулирование клетками и молекулами.

Инженеры-наноробототехники должны быть способны решить множество проблем. Им необходимо решить вопросы, связанные с чувствительностью, контролем, питанием, связью и взаимодействием между неорганическими и органическими материалами.

Размер нанобота примерно сопоставим с биологическими клетками, и из-за этого факта будущие наноботы могут быть использованы в областях, таких как медицина и охрана окружающей среды. Большинство “наноботов”, существующих сегодня, являются просто специфическими молекулами, которые были манипулированы для выполнения определенных задач. 

Сложные наноботы по сути являются просто простыми молекулами, соединенными вместе и манипулированными с помощью химических процессов. Например, некоторые наноботы состоят из ДНК, и они транспортируют молекулярный груз.

Как работают наноботы?

Учитывая еще очень теоретический характер наноботов, вопросы о том, как они работают, отвечаются прогнозами, а не фактами. Вероятно, что первые основные применения наноботов будут в медицинской области, двигаясь через человеческое тело и выполняя задачи, такие как диагностика заболеваний, мониторинг жизненно важных функций и доставка лечения. Эти наноботы должны быть способны ориентироваться в теле и двигаться через ткани, такие как кровеносные сосуды.

Навигация

В плане навигации наноботов существует множество методов, которые исследуются учеными и инженерами. Один из методов навигации заключается в использовании ультразвуковых сигналов для обнаружения и развертывания. Нанобот может излучать ультразвуковые сигналы, которые могут быть отслежены для определения положения нанобота, и затем нанобот может быть направлен в конкретные области с помощью специального инструмента, который направляет его движение. Устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ) также могут быть использованы для отслеживания положения наноботов, и ранние эксперименты с МРТ продемонстрировали, что эта технология может быть использована для обнаружения и даже маневрирования наноботами. Другие методы обнаружения и маневрирования наноботов включают использование рентгеновских лучей, микроволн и радиоволн. На данный момент наш контроль над этими волнами на наноразмерном уровне довольно ограничен, поэтому новые методы использования этих волн должны быть изобретены.

Системы навигации и обнаружения, описанные выше, являются внешними методами, полагающимися на использование инструментов для движения наноботов. С добавлением бортовых датчиков наноботы могут быть более автономными. Например, химические датчики, включенные в наноботы, могут позволить роботу сканировать окружающую среду и следовать определенным химическим маркерам до целевой области.

Питание

Когда речь идет о питании наноботов, существует множество решений, исследуемых учеными. Решения для питания наноботов включают внешние источники питания и внутренние/бортовые источники питания.

Внутренние источники питания включают генераторы и конденсаторы. Генераторы на борту нанобота могут использовать электролиты, найденные в крови, для производства энергии, или наноботы могут даже быть запитаны от окружающей крови как химического катализатора, который производит энергию при комбинации с химическим веществом, которое нанобот несет с собой. Конденсаторы работают подобно батареям, храня электрическую энергию, которая может быть использована для движения нанобота. Другие варианты, такие как крошечные ядерные источники питания, даже были рассмотрены.

Что касается внешних источников питания, невероятно маленькие, тонкие провода могут соединять наноботы с внешним источником питания. Такие провода могут быть сделаны из миниатюрных волоконно-оптических кабелей, отправляющих импульсы света по проводам и генерирующих фактический электрический ток внутри нанобота.

Другие внешние источники питания включают магнитные поля или ультразвуковые сигналы. Наноботы могут использовать так называемую пьезоэлектрическую мембрану, которая способна собирать ультразвуковые волны и преобразовывать их в электрическую энергию. Магнитные поля могут быть использованы для катализа электрических токов внутри замкнутой проводящей петли, содержащейся на борту нанобота. Как бонус, магнитное поле также может быть использовано для контроля направления нанобота.

Движение

Решение проблемы движения наноботов требует некоторых изобретательных решений. Наноботы, которые не прикреплены или не просто свободно плавают в окружающей среде, нуждаются в методе движения к целевым местам. Система движения должна быть мощной и стабильной, способной двигать нанобот против потоков в окружающей среде, таких как поток крови. Решения для движения, исследуемые в настоящее время, часто вдохновлены природным миром, и исследователи изучают, как микроскопические организмы двигаются в своей среде. Например, микроорганизмы часто используют длинные, похожие на кнут хвостики, называемые жгутиками, для движения, или они используют множество крошечных, волосоподобных конечностей, называемых ресничками.

Исследователи также экспериментируют с приданием роботам небольших рукоподобных придатков, которые позволили бы роботу плавать, хватать и ползать. В настоящее время эти придатки контролируются с помощью магнитных полей вне тела, и магнитная сила заставляет руки робота вибрировать. Дополнительное преимущество этого метода движения заключается в том, что энергия для него поступает из внешнего источника. Эта технология должна быть уменьшена в размере, чтобы сделать ее жизнеспособной для настоящих наноботов.

Существуют и другие, более изобретательные, стратегии движения, также находящиеся под исследованием. Например, некоторые исследователи предложили использовать конденсаторы для создания электромагнитного насоса, который бы тянул проводящие жидкости и выталкивал их как струю, двигая нанобот вперед.

Независимо от окончательного применения наноботов, они должны решить проблемы, описанные выше, связанные с навигацией, движением и питанием.

Для чего используются наноботы?

Как упоминалось, первые применения наноботов вероятно будут в медицинской области. Наноботы могут быть использованы для мониторинга повреждений тела и потенциально даже для ремонта этого повреждения. Будущие наноботы могут доставлять лекарства непосредственно в клетки, которые в них нуждаются. В настоящее время лекарства доставляются перорально или внутривенно и распространяются по всему телу вместо того, чтобы попасть именно в целевые области, вызывая побочные эффекты. Наноботы, оснащенные датчиками, легко могут быть использованы для мониторинга изменений в областях клеток, сообщая об изменениях при первых признаках повреждения или неисправности.

Мы все еще далеки от этих гипотетических применений, но прогресс делается все время. Например, в 2017 году ученые создали наноботы, нацеленные на раковые клетки и атакующие их с помощью миниатюрного бура, убивая их. В этом году группа исследователей из Университета ИТМО разработала нанобот, состоящий из фрагментов ДНК, способный уничтожать патогенные РНК-строки. Наноботы на основе ДНК также в настоящее время способны транспортировать молекулярный груз, Нанобот состоит из трех разных секций ДНК, маневрируя с помощью “ноги” ДНК и несущий определенные молекулы с помощью “руки”.

За пределами медицинских применений исследование проводится в отношении использования наноботов для целей очистки окружающей среды и восстановления. Наноботы потенциально могут быть использованы для удаления токсичных тяжелых металлов и пластиковых отходов из водоемов. Наноботы могут нести соединения, которые делают токсичные вещества неактивными при комбинации, или они могут быть использованы для разложения пластиковых отходов с помощью аналогичных процессов. Исследование также проводится на использование наноботов для облегчения производства чрезвычайно маленьких компьютерных чипов и процессоров, по сути, используя наноботы для производства микромасштабных компьютерных схем.