Čo sú to nanoboti? Pochopenie štruktúry, prevádzky a použitia nanobotov

Ako technológia napreduje, veci sa nie vždy stávajú väčšími a lepšími, objekty sa tiež zmenšujú. Nanotechnológia je v skutočnosti jednou z najrýchlejšie rastúcich technologických oblastí s hodnotou viac ako 1 bilión USD a predpokladá sa, že v priebehu nasledujúceho pol desaťročia porastie približne o 17 %. Nanoboty sú hlavnou súčasťou oblasti nanotechnológií, ale čo presne sú a ako fungujú? Pozrime sa bližšie na nanoboty, aby sme pochopili, ako táto transformačná technológia funguje a na čo sa používa.

Čo sú nanoboti?

Oblasť nanotechnológie sa zaoberá výskumom a vývojom technológie v mierke približne jeden až 100 nanometrov. Preto sa nanorobotika zameriava na vytváranie robotov, ktoré majú približne túto veľkosť. V praxi je ťažké skonštruovať niečo také malé ako jeden nanometer a termíny „nanorobotika“ a „nanobot“ sa často používajú. aplikovaný na zariadenia s veľkosťou približne 0.1 – 10 mikrometrov, čo je stále dosť málo.

Je dôležité poznamenať, že termín „nanorobot“ sa niekedy používa na zariadenia, ktoré interagujú s objektmi v nanoúrovni a manipulujú s položkami v nanoúrovni. Preto, aj keď je samotné zariadenie oveľa väčšie, možno ho považovať za nanorobotický nástroj. Tento článok sa zameria na samotné nanoroboty.

Veľká časť oblasti nanorobotiky a nanobotov je stále v teoretickej fáze, pričom výskum sa zameriava na riešenie problémov výstavby v tak malom rozsahu. Niektoré prototypy nanostrojov a nanomotorov však boli navrhnuté a testované.

Väčšina v súčasnosti existujúcich nanorobotických zariadení spadá do jedna zo štyroch kategórií: spínače, motory, raketoplány a autá.

Nanorobotické spínače fungujú tak, že sú vyzvaní na prepnutie zo stavu „vypnuté“ do stavu „zapnuté“. Faktory prostredia sa používajú na zmenu tvaru stroja, čo je proces nazývaný konformačná zmena. Prostredie sa mení pomocou procesov, ako sú chemické reakcie, UV svetlo a teplota, a nanorobotické spínače sa v dôsledku toho menia do rôznych foriem, ktoré sú schopné plniť špecifické úlohy.

Nanomotory sú zložitejšie ako jednoduché spínače a využívajú energiu vytvorenú účinkami konformačnej zmeny, aby sa pohybovali a ovplyvňovali molekuly v okolitom prostredí.

Raketoplány sú nanoroboty, ktoré sú schopné prepravovať chemikálie, ako sú drogy, do špecifických, cielených oblastí. Cieľom je spojiť raketoplány s motormi nanorobotov tak, aby boli raketoplány schopné väčšieho stupňa pohybu v prostredí.

Nanorobotické „autá“ sú v súčasnosti najpokročilejšími nanozariadeniami, ktoré sa dokážu samostatne pohybovať na základe pokynov chemických alebo elektromagnetických katalyzátorov. Nanomotory, ktoré poháňajú nanorobotické autá, je potrebné ovládať, aby bolo možné vozidlo riadiť a výskumníci experimentujú s rôznymi metódami nanorobotického riadenia.

Výskumníci v oblasti nanorobotiky sa snažia syntetizovať tieto rôzne komponenty a technológie do nanostrojov, ktoré dokážu dokončiť zložité úlohy, ktoré vykonávajú roje nanobotov, ktorí spolupracujú.

Foto: Foto: "Porovnanie veľkostí nanomateriálov s veľkosťami iných bežných materiálov." Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Ako vznikajú nanoboty?

Oblasť nanorobotiky je na križovatke mnohých disciplín a tvorba nanobotov zahŕňa vytvorenie senzorov, akčných členov a motorov. Musí sa vykonať aj fyzické modelovanie a toto všetko sa musí uskutočniť v nanoúrovni. Ako je uvedené vyššie, nanomanipulačné zariadenia sa používajú na zostavenie týchto častí v nanoúrovni a manipuláciu s umelými alebo biologickými komponentmi, čo zahŕňa manipuláciu s bunkami a molekulami.

Inžinieri v oblasti nanorobotiky musia byť schopní vyriešiť množstvo problémov. Musia riešiť problémy týkajúce sa pocitov, riadiacej sily, komunikácie a interakcií medzi anorganickými a organickými materiálmi.

Veľkosť nanobota je zhruba porovnateľná s biologickými bunkami, a preto by sa budúce nanoboty mohli využívať v odboroch ako medicína a ochrana/remediácia životného prostredia. Väčšina „nanobotov“, ktoré dnes existujú, sú len špecifické molekuly, s ktorými sa manipulovalo, aby splnili určité úlohy. 

Komplexné nanoboty sú v podstate len jednoduché molekuly spojené dohromady a manipulované chemickými procesmi. Napríklad niektorí nanoboti sú pozostávajúce z DNA, a oni prepravovať molekulárny náklad.

Ako fungujú nanoboty?

Vzhľadom na stále silne teoretickú povahu nanobotov sú otázky o tom, ako nanoboty fungujú, zodpovedané skôr predpoveďami než tvrdeniami o skutočnosti. Je pravdepodobné, že prvé hlavné využitie nanobotov bude v lekárskej oblasti, pohybujú sa v ľudskom tele a vykonávajú úlohy, ako je diagnostika chorôb, monitorovanie životných funkcií a podávanie liečebných postupov. Tieto nanoboty budú musieť byť schopné navigovať sa po ľudskom tele a pohybovať sa tkanivami, ako sú krvné cievy.

Navigácia

Pokiaľ ide o navigáciu nanobotmi, existuje množstvo techník, ktoré výskumníci a inžinieri nanobotov skúmajú. Jednou z metód navigácie je využitie ultrazvukových signálov na detekciu a rozmiestnenie. Nanobot by mohol vysielať ultrazvukové signály, ktoré by bolo možné vysledovať, aby lokalizovali polohu nanobotov, a roboty by potom mohli viesť do konkrétnych oblastí pomocou špeciálneho nástroja, ktorý riadi ich pohyb. Zariadenia magnetickej rezonancie (MRI) by sa mohli použiť aj na sledovanie polohy nanobotov a skoré experimenty s MRI preukázali, že túto technológiu možno použiť na detekciu a dokonca aj manévrovanie nanobotov. Medzi ďalšie metódy detekcie a manévrovania nanobotov patrí použitie röntgenových lúčov, mikrovĺn a rádiových vĺn. V súčasnosti je naša kontrola týchto vĺn v nanoúrovni dosť obmedzená, takže by sa museli vynájsť nové metódy využitia týchto vĺn.

Navigačné a detekčné systémy opísané vyššie sú externé metódy, ktoré sa spoliehajú na použitie nástrojov na pohyb nanobotov. S pridaním palubných senzorov by nanoboty mohli byť autonómnejšie. Napríklad chemické senzory zahrnuté na palube nanobotov by mohli robotovi umožniť skenovať okolité prostredie a sledovať určité chemické značky do cieľovej oblasti.

Výkon

Pokiaľ ide o napájanie nanobotov, existujú aj rôzne druhy energetické riešenia, ktoré skúmajú výskumníci. Riešenia pre napájanie nanobotov zahŕňajú externé zdroje napájania a palubné/interné zdroje napájania.

Vnútorné riešenia napájania zahŕňajú generátory a kondenzátory. Generátory na palube nanobota by mohli využívať elektrolyty nachádzajúce sa v krvi na výrobu energie, alebo by nanoboty mohli byť dokonca poháňané pomocou okolitej krvi ako chemického katalyzátora, ktorý produkuje energiu v kombinácii s chemikáliou, ktorú nanobot nesie so sebou. Kondenzátory fungujú podobne ako batérie a ukladajú elektrickú energiu, ktorá by mohla byť použitá na pohon nanobota. Dokonca sa zvažovali aj iné možnosti, ako napríklad malé jadrové zdroje.

Pokiaľ ide o externé zdroje energie, neuveriteľne malé tenké drôty by mohli pripútať nanoboty k vonkajšiemu zdroju energie. Takéto drôty by mohli byť vyrobené z miniatúrnych káblov z optických vlákien, ktoré vysielajú impulzy svetla po drôtoch a generujú skutočnú elektrinu v nanobote.

Ďalšie externé napájacie riešenia zahŕňajú magnetické polia alebo ultrazvukové signály. Nanoboty by mohli využívať niečo, čo sa nazýva piezoelektrická membrána, ktorá je schopná zbierať ultrazvukové vlny a premieňať ich na elektrickú energiu. Magnetické polia môžu byť použité na katalýzu elektrických prúdov v uzavretej vodivej slučke obsiahnutej na palube nanobota. Ako bonus bolo možné magnetické pole použiť aj na ovládanie smeru nanobota.

Locomotion

Riešenie problému lokomócia nanobotov vyžaduje nejaké invenčné riešenia. Nanoboty, ktoré nie sú pripútané alebo sa len voľne vznášajú vo svojom prostredí, musia mať nejaký spôsob presunu na svoje cieľové miesta. Pohonný systém bude musieť byť výkonný a stabilný, schopný poháňať nanobota proti prúdom v okolitom prostredí, ako je tok krvi. Skúmané riešenia pohonu sú často inšpirované prírodným svetom, pričom výskumníci skúmajú, ako sa mikroskopické organizmy pohybujú v ich prostredí. Napríklad mikroorganizmy často používajú dlhé bičíkovité chvosty nazývané bičíky, aby sa poháňali, alebo používajú množstvo drobných, vlasom podobných končatín nazývaných riasinky.

Výskumníci tiež experimentujú s tým, aby boli roboty malé ramenné prívesky čo by umožnilo robotovi plávať, držať sa a plaziť sa. V súčasnosti sú tieto prívesky ovládané magnetickými poľami mimo tela, pretože magnetická sila núti ramená robota vibrovať. Ďalšou výhodou tohto spôsobu pohybu je, že energia preň pochádza z vonkajšieho zdroja. Táto technológia by musela byť ešte menšia, aby bola životaschopná pre skutočných nanobotov.

V štádiu skúmania sú aj iné, vynaliezavejšie, stratégie pohonu. Niektorí výskumníci napríklad navrhli použiť kondenzátory na skonštruovanie elektromagnetického čerpadla, ktoré by vtiahlo vodivé tekutiny a vystrelilo ich von. ako prúdové lietadlo, ktorý poháňa nanobota dopredu.

Bez ohľadu na prípadnú aplikáciu nanobotov, musia vyriešiť vyššie opísané problémy, manipuláciu s navigáciou, pohybom a energiou.

Na čo sa používajú nanoboty?

Ako už bolo spomenuté, prvé využitie pre nanoboty bude pravdepodobne v lekárskej oblasti. Nanoboty by sa mohli použiť na monitorovanie poškodenia tela a potenciálne dokonca uľahčiť opravu tohto poškodenia. Budúce nanoboty by mohli dodávať lieky priamo do buniek, ktoré ich potrebujú. V súčasnosti sa lieky dodávajú perorálne alebo intravenózne a šíria sa po celom tele namiesto toho, aby zasiahli len cieľové oblasti, čo spôsobuje vedľajšie účinky. Nanoboty vybavené senzormi by sa dali ľahko použiť na monitorovanie zmien v oblastiach buniek, pričom hlásia zmeny pri prvom náznaku poškodenia alebo poruchy.

K týmto hypotetickým aplikáciám sme ešte ďaleko, no neustále sa dosahuje pokrok. Ako príklad v roku 2017 vedci vytvorili nanoboty, ktoré sa zamerali na rakovinové bunky a zaútočil na nich miniaturizovaným vrtákom, čím ich zabil. Tento rok skupina výskumníkov z univerzity ITMO navrhla nanobota zloženého z fragmentov DNA, schopné ničiť patogénne vlákna RNA. Nanoboty založené na DNA sú v súčasnosti tiež schopné prepravovať molekulárny náklad. Nanobot sa skladá z troch rôznych častí DNA, manévruje s DNA „nohou“ a prenáša špecifické molekuly pomocou „paže“.

Okrem medicínskych aplikácií sa robí výskum týkajúci sa použitia nanobotov na účely čistenia a nápravy životného prostredia. Na odstraňovanie by mohli byť potenciálne použité nanoboty toxické ťažké kovy a plasty z vodných plôch. Nanoboty by mohli niesť zlúčeniny, ktoré robia toxické látky inertnými, keď sa skombinujú, alebo by sa mohli použiť na degradáciu plastového odpadu podobnými procesmi. Uskutočňuje sa aj výskum využitia nanobotov na uľahčenie výroby extrémne malých počítačových čipov a procesorov, pričom nanoboty sa v podstate využívajú na výrobu mikropočítačových obvodov.