Kaj so nanoboti? Razumevanje strukture, delovanja in uporabe nanobota

Z napredkom tehnologije stvari ne postanejo vedno večje in boljše, predmeti postanejo tudi manjši. Pravzaprav je nanotehnologija eno najhitreje rastočih tehnoloških področij, vredno več kot 1 bilijon USD, v naslednjem pol desetletja pa naj bi zraslo za približno 17 %. nanoboti so glavni del področja nanotehnologije, toda kaj točno so in kako delujejo? Oglejmo si nanobote pobližje, da bomo razumeli, kako ta transformativna tehnologija deluje in za kaj se uporablja.

Kaj so nanoboti?

Področje nanotehnologije se ukvarja z raziskavami in razvojem tehnologije v obsegu približno od enega do 100 nanometrov. Zato je nanorobotika osredotočena na ustvarjanje robotov, ki so približno te velikosti. V praksi je težko izdelati karkoli tako majhnega kot en nanometer v obsegu, zato sta izraza "nanorobotika" in "nanobot" pogosto uporabna napravam, ki so velike približno 0.1 – 10 mikrometrov, kar je še vedno precej malo.

Pomembno je omeniti, da se izraz "nanorobot" včasih uporablja za naprave, ki komunicirajo s predmeti v nanometru in manipulirajo s predmeti v nanometru. Torej, tudi če je naprava sama veliko večja, jo lahko štejemo za nanorobotski instrument. Ta članek se bo osredotočil na same robote v nanometru.

Velik del področja nanorobotike in nanobotov je še vedno v teoretični fazi, raziskave pa so osredotočene na reševanje problemov konstrukcije v tako majhnem obsegu. Kljub temu so bili nekateri prototipi nanomašinov in nanomotorjev zasnovani in testirani.

Večina trenutno obstoječih nanorobotov spada med eno od štirih kategorij: stikala, motorji, avtobusi in avtomobili.

Nanorobotska stikala delujejo tako, da so pozvana, da preklopijo iz stanja "izklopljeno" v stanje "vklopljeno". Okoljski dejavniki se uporabljajo za spremembo oblike stroja, ta proces se imenuje konformacijska sprememba. Okolje je spremenjeno s procesi, kot so kemične reakcije, UV-svetloba in temperatura, nanorobotska stikala pa se posledično spreminjajo v različne oblike, ki lahko opravljajo posebne naloge.

Nanomotorji so bolj zapleteni kot preprosta stikala in uporabljajo energijo, ki nastane zaradi učinkov konformacijske spremembe, da se premikajo in vplivajo na molekule v okoliškem okolju.

Shuttli so nanoroboti, ki so sposobni prevažati kemikalije, kot so zdravila, v določene ciljne regije. Cilj je združiti raketoplane z motorji nanorobotov, tako da bodo raketoplani sposobni večjega gibanja skozi okolje.

Nanorobotski »avtomobili« so trenutno najnaprednejše nano naprave, ki se lahko samostojno premikajo s pomočjo kemičnih ali elektromagnetnih katalizatorjev. Nanomotorje, ki poganjajo nanorobotske avtomobile, je treba nadzorovati, da se vozilo lahko krmili, raziskovalci pa eksperimentirajo z različnimi metodami nanorobotske kontrole.

Cilj raziskovalcev nanorobotike je sintetizirati te različne komponente in tehnologije v nanomašine, ki lahko opravijo zapletene naloge, ki jih izvajajo roji nanobotov, ki delajo skupaj.

Foto: Foto: ”Primerjava velikosti nanomaterialov z velikostmi drugih običajnih materialov.” Sureshup ali Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Kako nastanejo nanoboti?

Področje nanorobotike je na stičišču številnih disciplin in ustvarjanje nanobotov vključuje ustvarjanje senzorjev, aktuatorjev in motorjev. Opraviti je treba tudi fizično modeliranje in vse to je treba narediti na nanometru. Kot je navedeno zgoraj, se naprave za nanomanipulacijo uporabljajo za sestavljanje teh delov v nanometru in manipulacijo umetnih ali bioloških komponent, kar vključuje manipulacijo celic in molekul.

Inženirji nanorobotike morajo biti sposobni rešiti množico problemov. Obravnavati morajo vprašanja v zvezi z občutki, nadzorno močjo, komunikacijo in interakcijami med anorganskimi in organskimi materiali.

Velikost nanobota je približno primerljiva z biološkimi celicami in zaradi tega dejstva bi lahko prihodnje nanobote uporabljali v disciplinah, kot sta medicina in ohranjanje/sanacija okolja. Večina "nanobotov", ki obstajajo danes, so samo specifične molekule, ki so bile manipulirane za izpolnitev določenih nalog. 

Kompleksni nanoboti so v bistvu le enostavne molekule, ki so združene in manipulirane s kemičnimi procesi. Na primer, nekateri nanoboti so sestavljen iz DNK, in so transport molekularnega tovora.

Kako delujejo nanoboti?

Glede na še vedno močno teoretično naravo nanobotov se na vprašanja o delovanju nanobotov odgovarja z napovedmi in ne z izjavami o dejstvih. Verjetno bodo prve večje uporabe nanobotov na medicinskem področju, ko se bodo premikali po človeškem telesu in opravljali naloge, kot so diagnosticiranje bolezni, spremljanje vitalnih funkcij in dajanje zdravil. Ti nanoboti bodo morali biti sposobni krmariti po človeškem telesu in se premikati skozi tkiva, kot so krvne žile.

ostalo

V smislu navigacije z nanoboti obstajajo različne tehnike, ki jih raziskovalci in inženirji nanobotov preiskujejo. Ena od metod navigacije je uporaba ultrazvočnih signalov za zaznavanje in razporeditev. Nanobot bi lahko oddajal ultrazvočne signale, ki bi jih lahko izsledili, da bi locirali položaj nanobotov, nato pa bi lahko robote vodili na določena področja z uporabo posebnega orodja, ki usmerja njihovo gibanje. Naprave za slikanje z magnetno resonanco (MRI) bi lahko uporabili tudi za sledenje položaja nanobotov in zgodnji poskusi z MRI so dokazali, da se lahko tehnologija uporablja za odkrivanje in celo manevriranje nanobotov. Druge metode odkrivanja in manevriranja nanobotov vključujejo uporabo rentgenskih žarkov, mikrovalov in radijskih valov. Trenutno je naš nadzor nad temi valovi v nano merilu dokaj omejen, zato bi bilo treba izumiti nove metode za uporabo teh valov.

Zgoraj opisani sistemi za navigacijo in zaznavanje so zunanje metode, ki temeljijo na uporabi orodij za premikanje nanobotov. Z dodatkom vgrajenih senzorjev bi lahko bili nanoboti bolj avtonomni. Na primer, kemični senzorji, vključeni v nanobote, bi lahko omogočili robotu, da skenira okoliško okolje in sledi določenim kemičnim označevalcem do ciljne regije.

moč

Ko gre za napajanje nanobotov, obstaja tudi vrsta energetske rešitve, ki jih raziskujejo raziskovalci. Rešitve za napajanje nanobotov vključujejo zunanje vire napajanja in vgrajene/notranje vire napajanja.

Rešitve notranjega napajanja vključujejo generatorje in kondenzatorje. Generatorji na krovu nanobota bi lahko uporabili elektrolite v krvi za proizvodnjo energije ali pa bi nanobote celo napajali z uporabo okoliške krvi kot kemičnega katalizatorja, ki proizvaja energijo v kombinaciji s kemikalijo, ki jo nanobot nosi s seboj. Kondenzatorji delujejo podobno kot baterije in shranjujejo električno energijo, ki bi jo lahko uporabili za pogon nanobota. Razmišljale so celo o drugih možnostih, kot so majhni jedrski viri energije.

Kar se tiče zunanjih virov energije, bi lahko neverjetno majhne, ​​tanke žice privezale nanobote na zunanji vir energije. Takšne žice bi lahko izdelali iz miniaturnih kablov iz optičnih vlaken, ki pošiljajo svetlobne impulze po žicah in dejansko elektriko proizvajajo znotraj nanobota.

Druge rešitve zunanjega napajanja vključujejo magnetna polja ali ultrazvočne signale. Nanoboti bi lahko uporabili nekaj, kar se imenuje piezoelektrična membrana, ki je sposobna zbirati ultrazvočne valove in jih pretvarjati v električno energijo. Magnetna polja se lahko uporabljajo za kataliziranje električnih tokov v zaprti prevodni zanki, ki jo vsebuje nanobot. Kot bonus bi lahko magnetno polje uporabili tudi za nadzor smeri nanobota.

Lokomotiva

Obravnava problematike nanobotsko gibanje zahteva nekaj inventivnih rešitev. Nanoboti, ki niso privezani ali ne samo prosto lebdijo v svojem okolju, morajo imeti nek način premikanja na svoje ciljne lokacije. Pogonski sistem bo moral biti močan in stabilen, sposoben poganjati nanobota proti tokovom v okolici, kot je pretok krvi. Raziskovalne pogonske rešitve se pogosto zgledujejo po naravnem svetu, pri čemer raziskovalci opazujejo, kako se mikroskopski organizmi premikajo skozi svoje okolje. Na primer, mikroorganizmi pogosto uporabljajo dolge, bičem podobne repke, imenovane flagele, da se poganjajo, ali pa uporabljajo številne drobne, dlakam podobne okončine, imenovane cilije.

Raziskovalci eksperimentirajo tudi z majhnimi roboti roki podobni prirastki ki bi lahko robotu omogočil plavanje, oprijem in plazenje. Trenutno so ti dodatki nadzorovani preko magnetnih polj zunaj telesa, saj magnetna sila spodbudi robotove roke k vibriranju. Dodatna prednost te metode gibanja je, da energija zanjo prihaja iz zunanjega vira. To tehnologijo bi bilo treba narediti še manjšo, da bi bila izvedljiva za prave nanobote.

Preiskujejo se tudi druge, bolj iznajdljive pogonske strategije. Nekateri raziskovalci so na primer predlagali uporabo kondenzatorjev za izdelavo elektromagnetne črpalke, ki bi vlekla prevodne tekočine in jih izstrelila kot curek, ki poganja nanobota naprej.

Ne glede na morebitno uporabo nanobotov, morajo rešiti zgoraj opisane težave, ravnanje z navigacijo, gibanjem in močjo.

Za kaj se uporabljajo nanoboti?

Kot že omenjeno, prve uporabe za nanobote bo verjetno v medicinsko področje. Nanobote bi lahko uporabili za spremljanje poškodb telesa in morda celo olajšali popravilo te škode. Prihodnji nanoboti bi lahko dostavili zdravila neposredno celicam, ki jih potrebujejo. Trenutno se zdravila dajejo peroralno ali intravensko in se širijo po telesu, namesto da bi zadela samo ciljna področja, kar povzroča stranske učinke. Nanobote, opremljene s senzorji, bi lahko zlahka uporabili za spremljanje sprememb v predelih celic in poročanje o spremembah ob prvem znaku poškodbe ali okvare.

Še vedno smo daleč od teh hipotetičnih aplikacij, vendar je ves čas napredek. Na primer, leta 2017 znanstveniki ustvarili nanobote, ki ciljajo na rakave celice in jih napadel z miniaturnim svedrom ter jih ubil. Letos je skupina raziskovalcev z univerze ITMO oblikovala nanobota, sestavljenega iz fragmentov DNK, sposobni uničiti verige patogene RNA. Nanoboti, ki temeljijo na DNK, so prav tako trenutno sposobni prevažati molekularni tovor. Nanobot je sestavljen iz treh različnih odsekov DNK, ki manevrirajo z "nogo" DNK in prenašajo specifične molekule z uporabo "roke".

Poleg medicinskih aplikacij potekajo raziskave o uporabi nanobotov za namene čiščenja in sanacije okolja. Nanobote bi potencialno lahko uporabili za odstranjevanje strupene težke kovine in plastika iz vodnih teles. Nanoboti bi lahko prenašali spojine, zaradi katerih so strupene snovi inertne, če jih kombiniramo skupaj, ali pa bi jih lahko uporabili za razgradnjo plastičnih odpadkov s podobnimi postopki. Potekajo tudi raziskave o uporabi nanobotov za lažjo proizvodnjo izredno majhnih računalniških čipov in procesorjev, v bistvu z uporabo nanobotov za izdelavo računalniških vezij v mikroskopskem merilu.