Что такое наноботы? Понимание структуры, работы и использования наноботов

По мере развития технологий вещи не всегда становятся больше и лучше, объекты также становятся меньше. На самом деле, нанотехнология является одной из самых быстрорастущих технологических областей, стоимость которой превышает 1 триллион долларов США, и, по прогнозам, она вырастет примерно на 17% в течение следующих пяти лет. Nanobots являются важной частью области нанотехнологий, но что они собой представляют и как они работают? Давайте подробнее рассмотрим наноботов, чтобы понять, как работает эта преобразующая технология и для чего она используется.

Что такое наноботы?

Область нанотехнологий связана с исследованиями и разработками технологий в масштабе примерно от одного до 100 нанометров. Поэтому наноробототехника ориентирована на создание роботов примерно такого размера. На практике трудно спроектировать что-либо размером всего в один нанометр, и термины «наноробототехника» и «наноробот» часто используются прикладной устройствам размером примерно 0.1–10 микрометров, что все еще довольно мало.

Важно отметить, что термин «нанороботы» иногда применяется к устройствам, которые взаимодействуют с объектами на наноуровне, манипулируя нанообъектами. Следовательно, даже если само устройство намного больше, его можно считать нанороботическим инструментом. Эта статья будет посвящена самим нанороботам.

Большая часть области наноробототехники и нанороботов все еще находится в теоретической фазе, и исследования сосредоточены на решении проблем строительства в таком небольшом масштабе. Однако были разработаны и испытаны некоторые прототипы наномашин и наномоторов.

Большинство существующих в настоящее время нанороботов относятся к одна из четырех категорий: переключатели, двигатели, челноки и автомобили.

Нанороботизированные переключатели работают, когда им предлагается переключиться из состояния «выключено» в состояние «включено». Факторы окружающей среды используются, чтобы заставить машину изменить форму, процесс, называемый конформационным изменением. Окружающая среда изменяется с помощью таких процессов, как химические реакции, ультрафиолетовое излучение и температура, и в результате нанороботы-переключатели принимают различные формы, способные выполнять определенные задачи.

Наномоторы более сложны, чем простые переключатели, и они используют энергию, создаваемую эффектами конформационных изменений, чтобы перемещаться и воздействовать на молекулы в окружающей среде.

Шаттлы — это нанороботы, способные доставлять химические вещества, такие как лекарства, в определенные целевые области. Цель состоит в том, чтобы объединить шаттлы с двигателями нанороботов, чтобы шаттлы могли в большей степени перемещаться в окружающей среде.

Нанороботизированные «автомобили» — самые совершенные на данный момент наноустройства, способные самостоятельно передвигаться с подсказками от химических или электромагнитных катализаторов. Наномоторы, приводящие в движение автомобили с нанороботами, необходимо контролировать, чтобы транспортное средство могло управляться, и исследователи экспериментируют с различными методами управления нанороботами.

Исследователи наноробототехники стремятся синтезировать эти различные компоненты и технологии в наномашины, которые могут выполнять сложные задачи, выполняемые роями нанороботов, работающих вместе.

Фото: Фото: «Сравнение размеров наноматериалов с размерами других распространенных материалов». Сурешуп в Викискладе, 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 нанороботов включает в себя создание датчиков, исполнительных механизмов и двигателей. Физическое моделирование также должно быть выполнено, и все это должно быть сделано в наномасштабе. Как упоминалось выше, устройства для наноманипуляций используются для сборки этих наночастиц и манипулирования искусственными или биологическими компонентами, включая манипулирование клетками и молекулами.

Инженеры-нанороботы должны уметь решать множество проблем. Им приходится решать проблемы, связанные с ощущением, силой контроля, коммуникациями и взаимодействием как между неорганическими, так и органическими материалами.

Размер нанобота примерно сравним с биологическими клетками, и поэтому будущие нанороботы могут использоваться в таких дисциплинах, как медицина и охрана/восстановление окружающей среды. Большинство «нанороботов», существующих сегодня, представляют собой просто определенные молекулы, которыми манипулируют для выполнения определенных задач. 

Сложные наноботы — это, по сути, простые молекулы, соединенные вместе и управляемые химическими процессами. Например, некоторые наноботы состоит из ДНК, И они транспортировать молекулярный груз.

Как работают наноботы?

Учитывая все еще в значительной степени теоретический характер нанороботов, на вопросы о том, как они работают, отвечают предсказаниями, а не констатацией фактов. Вполне вероятно, что первые основные применения нанороботов будут в области медицины, они будут перемещаться по человеческому телу и выполнять такие задачи, как диагностика заболеваний, мониторинг жизненно важных функций и назначение лечения. Эти нанороботы должны будут иметь возможность перемещаться по человеческому телу и перемещаться по тканям, таким как кровеносные сосуды.

Навигация

Что касается навигации нанороботов, существует множество методов, которые изучают исследователи и инженеры нанороботов. Одним из методов навигации является использование ультразвуковых сигналов для обнаружения и развертывания. Нанобот может излучать ультразвуковые сигналы, по которым можно отслеживать положение нанороботов, а затем роботов можно направлять в определенные области с помощью специального инструмента, который направляет их движение. Устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ) также могут использоваться для отслеживания положения нанороботов. первые эксперименты с МРТ продемонстрировали, что эту технологию можно использовать для обнаружения и даже управления наноботами. Другие методы обнаружения и управления наноботами включают использование рентгеновских лучей, микроволн и радиоволн. В настоящее время наш контроль над этими волнами в наномасштабе довольно ограничен, поэтому необходимо изобрести новые методы использования этих волн.

Описанные выше системы навигации и обнаружения являются внешними методами, основанными на использовании инструментов для перемещения нанороботов. С добавлением бортовых датчиков наноботы могут стать более автономными. Например, химические датчики на борту нанороботов могут позволить роботу сканировать окружающую среду и следовать определенным химическим маркерам в целевой области.

Питания

Когда дело доходит до питания нанороботов, существует множество энергетические решения, изучаемые исследователями. Решения для питания нанороботов включают в себя внешние источники питания и бортовые/внутренние источники питания.

Внутренние силовые решения включают генераторы и конденсаторы. Генераторы на борту нанобота могут использовать электролиты, содержащиеся в крови, для производства энергии, или наноботы могут даже питаться, используя окружающую кровь в качестве химического катализатора, который производит энергию в сочетании с химическим веществом, которое нанобот несет с собой. Конденсаторы работают аналогично батареям, накапливая электрическую энергию, которую можно использовать для приведения в движение нанобота. Другие варианты, такие как крошечные ядерные источники энергии, даже рассматривались.

Что касается внешних источников питания, невероятно маленькие тонкие провода могут привязывать наноботов к внешнему источнику питания. Такие провода могут быть сделаны из миниатюрных волоконно-оптических кабелей, посылающих световые импульсы по проводам и обеспечивающих выработку фактического электричества внутри нанобота.

Другие решения для внешнего питания включают магнитные поля или ультразвуковые сигналы. Нанороботы могут использовать так называемую пьезоэлектрическую мембрану, которая способна улавливать ультразвуковые волны и преобразовывать их в электрическую энергию. Магнитные поля могут использоваться для катализа электрических токов внутри замкнутого проводящего контура на борту нанобота. В качестве бонуса магнитное поле также можно было использовать для управления направлением движения нанобота.

Передвижение

Решение проблемы передвижение наноботов требует некоторых изобретательских решений. Наноботы, которые не привязаны или не свободно плавают в своей среде, должны иметь какой-то метод перемещения к своим целевым местоположениям. Силовая установка должна быть мощной и стабильной, чтобы нанобот мог двигаться против течения в окружающей среде, например, против потока крови. Исследуемые двигательные решения часто вдохновлены миром природы, и исследователи смотрят, как микроскопические организмы перемещаются в окружающей среде. Например, микроорганизмы часто используют длинные, похожие на хлыст хвосты, называемые жгутиками, чтобы передвигаться, или они используют ряд крошечных волосовидных конечностей, называемых ресничками.

Исследователи также экспериментируют, давая роботам маленькие придатки, похожие на руки что могло бы позволить роботу плавать, хватать и ползать. В настоящее время эти придатки управляются с помощью магнитных полей вне тела, поскольку магнитная сила заставляет руки робота вибрировать. Дополнительным преимуществом этого метода передвижения является то, что энергия для него поступает из внешнего источника. Эта технология должна быть еще меньше, чтобы сделать ее пригодной для настоящих нанороботов.

Также исследуются и другие, более изобретательные стратегии движения. Например, некоторые исследователи предложили использовать конденсаторы для разработки электромагнитного насоса, который будет втягивать проводящие жидкости и выбрасывать их наружу. как реактивный самолет, толкая нанобота вперед.

Независимо от возможного применения наноботов, они должны решать описанные выше проблемы, связанные с навигацией, передвижением и питанием.

Для чего используются наноботы?

Как уже упоминалось, первое использование нанороботов скорее всего будет в медицинская сфера. Наноботов можно использовать для отслеживания повреждений тела и, возможно, даже для облегчения восстановления этих повреждений. Будущие нанороботы смогут доставлять лекарства непосредственно в клетки, которые в них нуждаются. В настоящее время лекарства доставляются перорально или внутривенно, и они распространяются по всему телу, а не поражают только целевые области, вызывая побочные эффекты. Нанороботы, оснащенные датчиками, можно легко использовать для отслеживания изменений в областях клеток, сообщая об изменениях при первых признаках повреждения или неисправности.

Мы все еще далеки от этих гипотетических приложений, но прогресс все время идет. Например, в 2017 году ученые создали наноботов, нацеленных на раковые клетки и атаковал их миниатюрной дрелью, убив их. В этом году группа исследователей из Университета ИТМО разработала нанобота, состоящего из фрагментов ДНК. способны разрушать патогенные нити РНК. Наноботы на основе ДНК в настоящее время также способны транспортировать молекулярный груз. Нанобот состоит из трех разных участков ДНК, маневрируя с помощью «ноги» ДНК и перенося определенные молекулы с помощью «руки».

Помимо медицинских применений, проводятся исследования по использованию наноботов для очистки и восстановления окружающей среды. Наноботы потенциально могут быть использованы для удаления токсичные тяжелые металлы и пластики из водоемов. Нанороботы могут нести соединения, которые при смешивании делают токсичные вещества инертными, или их можно использовать для разложения пластиковых отходов с помощью аналогичных процессов. Также проводятся исследования по использованию нанороботов для облегчения производства чрезвычайно маленьких компьютерных чипов и процессоров, в основном с использованием нанороботов для производства микрокомпьютерных схем.