Что такое наноботы? Понимание структуры, работы и использования наноботов

По мере развития технологий, вещи не всегда становятся больше и лучше, объекты также становятся 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 именно и как они работают? Давайте посмотрим ближе на 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 имеют примерно такой же размер. На практике трудно создать что-то такое маленькое, как один нанометр в масштабе, и термины “наноробототехника” и “нанобот” часто применяются к устройствам, которые имеют размер примерно 0,1-10 микрометров, что все равно довольно маленький размер.

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

Большая часть области наноробототехники и наноботов все еще находится в теоретической фазе, с исследованиями, направленными на решение проблем строительства 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, будучи запущенными для переключения 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 эффектами конформационного изменения, чтобы двигаться и влиять на молекулы в окружающей среде.

Шаттлы – это наноботы, которые способны транспортировать химические вещества, такие как лекарства, в конкретные, целевые регионы. Цель – объединить шаттлы с нанороботическими моторами, чтобы шаттлы могли двигаться с большей степенью свободы через окружающую среду.

Нанороботические “машины” являются самыми продвинутыми наномашинами на данный момент, способными двигаться самостоятельно с помощью химических или электромагнитных катализаторов. Наномоторы, которые управляют нанороботическими машинами, 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.

Фото: Фото: “Сравнение размеров наноматериалов с другими обычными материалами.” 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. Физическое моделирование также должно быть выполнено, и все это должно быть сделано на наномасштабе. Как упоминалось выше, наноманипуляционные устройства используются для сборки этих наномасштабных деталей и манипулирования искусственными или биологическими компонентами, включая манипулирование клетками и молекулами.

Инженерам-наноробототехникам необходимо решить множество проблем. Им необходимо решить проблемы, связанные с ощущением, контролем, питанием 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 таких областях, как медицина и охрана окружающей среды. Большинство “наноботов”, существующих сегодня, являются просто конкретными 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 сильно теоретический характер наноботов, вопросы о том, как наноботы 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 своем пути через человеческое тело и двигаться через ткани, такие как кровеносные сосуды.

Навигация

В отношении навигации наноботов существует несколько методов, которые исследуются наноробототехниками и инженерами. Одним из методов навигации является использование ультразвуковых сигналов для обнаружения и развертывания. Нанобот может излучать ультразвуковые сигналы, которые могут быть отслежены для определения положения наноботов, и роботы могут быть направлены в конкретные области с помощью специального инструмента, который направляет их движение. Устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ) также могут быть использованы для отслеживания положения наноботов, и ранние эксперименты с МРТ продемонстрировали, что технология может быть использована для обнаружения и даже маневрирования наноботами. Другие методы обнаружения и маневрирования наноботами включают использование рентгеновских лучей, микроволн и радиоволн. На данный момент наш контроль над этими волнами на наномасштабе 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 могли бы быть более автономными. Например, химические датчики, включенные в наноботы, могли бы позволить роботу сканировать окружающую среду и следовать определенным химическим маркерам до целевой области.

Питание

Когда речь идет о питании наноботов, существуют также различные решения для питания, которые исследуются исследователями. Решения для питания наноботов включают внешние источники питания и бортовые/внутренние источники питания.

Внутренние источники питания включают генераторы и конденсаторы. Генераторы на борту нанобота могли бы использовать электролиты, найденные в крови, для производства энергии, или наноботы даже могли бы быть питаемы с помощью окружающей крови в качестве химического катализатора, который производит энергию при сочетании с химическим веществом, которое несет нанобот. Конденсаторы работают аналогично батареям, храня электрическую энергию, которая могла бы 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 могли бы соединить наноботы с внешним источником питания. Такие провода могли бы быть сделаны из миниатюрных волоконно-оптических кабелей, отправляющих импульсы света по проводам и имеющих фактический электрический ток, генерируемый внутри нанобота.

Другие внешние источники питания включают магнитные поля или ультразвуковые сигналы. Наноботы могли бы 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 на борту нанобота. Как бонус, магнитное поле также могло бы быть использовано для управления направлением нанобота.

Движение

Решение проблемы движения нанобота требует некоторых изобретательных решений. Наноботы, которые не прикреплены или не просто свободно плавают в своей среде, нуждаются в некотором методе движения к своим целевым местам. Система движения должна быть мощной и стабильной, способной двигать нанобот против потоков в его окружающей среде, таких как поток крови. Решения для движения, находящиеся под рассмотрением, часто вдохновлены природным миром, и исследователи смотрят, как микроскопические организмы двигаются через свою среду. Например, микроорганизмы часто используют длинные, бичевидные хвосты, называемые жгутиками, чтобы двигаться, или они используют ряд крошечных, волосоподобных конечностей, называемых ресничками.

Исследователи также экспериментируют с тем, чтобы дать роботам маленькие рукоподобные придатки, которые могли бы позволить роботу плавать, хватать и ползать. На данный момент эти придатки контролируются с помощью магнитных полей вне тела, поскольку 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 сделана еще меньше, чтобы сделать ее жизнеспособной для настоящих наноботов.

Существуют и другие, более изобретательные, стратегии движения, также находящиеся под рассмотрением. Например, некоторые исследователи предложили использовать конденсаторы для разработки электромагнитного насоса, который бы засасывал проводящие жидкости и выстреливал их как струю, двигая нанобот вперед.

Независимо от окончательного применения наноботов, они должны решить проблемы, описанные выше, решая навигацию, движение и питание.

Для чего используются наноботы?

Как упоминалось, первые применения наноботов вероятно будут в медицинской области. Наноботы могли бы быть использованы для мониторинга повреждений тела и потенциально даже для облегчения ремонта этих повреждений. Будущие наноботы могли бы доставлять лекарства непосредственно в клетки, которые им нужны. На данный момент лекарства доставляются перорально или внутривенно и распространяются по всему телу вместо того, чтобы попасть именно в целевые области, вызывая побочные эффекты. Наноботы, оснащенные датчиками, могли бы легко 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, которые нацеливались на раковые клетки и атаковали 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. ДНК-основанные наноботы также в настоящее время способны транспортировать молекулярный груз, Нанобот состоит из трех разных участков ДНК, маневрируя с помощью ДНК-“ноги” и несущий конкретные молекулы с помощью “руки”.

За пределами медицинских применений исследуется использование наноботов для целей очистки и восстановления окружающей среды. Наноботы потенциально могли бы быть использованы для удаления токсичных тяжелых металлов и пластиков из водоемов. Наноботы могли бы нести соединения, которые делают токсичные вещества неактивными при сочетании, или они могли бы быть использованы для разложения пластиковых отходов через аналогичные процессы. Исследования также проводятся на использование наноботов для облегчения производства чрезвычайно маленьких компьютерных чипов и процессоров, по сути используя наноботы для производства микромасштабных компьютерных схем.