Çfarë janë Nanobots? Kuptimi i strukturës, funksionimit dhe përdorimit të Nanobotit

Ndërsa teknologjia përparon, gjërat jo gjithmonë bëhen më të mëdha dhe më të mira, objektet gjithashtu bëhen më të vogla. Në fakt, nanoteknologjia është një nga fushat teknologjike me rritjen më të shpejtë, me vlerë mbi 1 trilion USD dhe parashikohet të rritet me rreth 17% gjatë gjysmë dekadës së ardhshme. Nanobotët janë një pjesë kryesore e fushës së nanoteknologjisë, por cilat janë ato saktësisht dhe si funksionojnë? Le të shohim më nga afër nanobotët për të kuptuar se si funksionon kjo teknologji transformuese dhe për çfarë përdoret.

Çfarë janë Nanobots?

Fusha e nanoteknologjisë ka të bëjë me kërkimin dhe zhvillimin e teknologjisë afërsisht një deri në 100 nanometra në shkallë. Prandaj, nanorobotika është e fokusuar në krijimin e robotëve që janë rreth kësaj madhësie. Në praktikë, është e vështirë të projektosh diçka të vogël sa një nanometër në shkallë dhe termi "nanorobotics" dhe "nanobot" është shpesh i aplikuar për pajisjet që janë afërsisht 0.1 – 10 mikrometra në madhësi, që është ende mjaft e vogël.

Është e rëndësishme të theksohet se termi "nanorobot" përdoret ndonjëherë për pajisjet që ndërveprojnë me objekte në shkallë nano, duke manipuluar artikujt në shkallë nano. Prandaj, edhe nëse vetë pajisja është shumë më e madhe, ajo mund të konsiderohet një instrument nanorobotik. Ky artikull do të fokusohet në vetë robotët në shkallë nano.

Pjesa më e madhe e fushës së nanorobotikës dhe nanobotëve është ende në fazën teorike, me kërkime të fokusuara në zgjidhjen e problemeve të ndërtimit në një shkallë kaq të vogël. Megjithatë, janë projektuar dhe testuar disa nanomakina dhe nanomotorë prototipe.

Shumica e pajisjeve ekzistuese nanorobotike janë në të një nga katër kategoritë: çelsat, motorët, anijet dhe makinat.

Çelësat nanorobotikë funksionojnë duke u nxitur të kalojnë nga një gjendje "off" në një gjendje "on". Faktorët mjedisorë përdoren për të bërë që makina të ndryshojë formën, një proces i quajtur ndryshim konformues. Mjedisi ndryshohet duke përdorur procese si reaksionet kimike, drita UV dhe temperatura, dhe si rezultat, çelësat nanorobotikë zhvendosen në forma të ndryshme, të aftë për të kryer detyra specifike.

Nanomotorët janë më kompleksë se çelsin e thjeshtë, dhe ata përdorin energjinë e krijuar nga efektet e ndryshimit konformues në mënyrë që të lëvizin dhe të ndikojnë në molekulat në mjedisin përreth.

Anijet janë nanorobotë që janë të aftë të transportojnë kimikate si droga në rajone specifike dhe të synuara. Qëllimi është të kombinohen anijet me motorët nanorobot, në mënyrë që anijet të jenë të afta për një shkallë më të madhe lëvizjeje nëpër një mjedis.

"Makinat" nanorobotike janë nan-pajisjet më të avancuara për momentin, të afta të lëvizin në mënyrë të pavarur me nxitjet nga katalizatorët kimikë ose elektromagnetikë. Nanomotorët që drejtojnë makinat nanorobotike duhet të kontrollohen në mënyrë që automjeti të drejtohet dhe studiuesit po eksperimentojnë me metoda të ndryshme të kontrollit nanorobotik.

Studiuesit e nanorobotikës synojnë të sintetizojnë këto komponentë dhe teknologji të ndryshme në nanomakina që mund të kryejnë detyra komplekse, të realizuara nga një mori nanobotësh që punojnë së bashku.

Foto: Foto: “Krahasimi i madhësive të nanomaterialeve me ato të materialeve të tjera të zakonshme.” Sureshup nga Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Si krijohen Nanobots?

Fusha e nanorobotikës është në udhëkryq të shumë disiplinave dhe krijimi i nanobotëve përfshin krijimin e sensorëve, aktivizuesve dhe motorëve. Duhet bërë edhe modelimi fizik dhe e gjithë kjo duhet bërë në shkallë nano. Siç u përmend më lart, pajisjet nanomanipuluese përdoren për të mbledhur këto pjesë në shkallë nano dhe për të manipuluar komponentët artificialë ose biologjikë, që përfshin manipulimin e qelizave dhe molekulave.

Inxhinierët e nanorobotikës duhet të jenë në gjendje të zgjidhin një mori problemesh. Ata duhet të adresojnë çështje në lidhje me ndjesinë, fuqinë e kontrollit, komunikimet dhe ndërveprimet midis materialeve inorganike dhe organike.

Madhësia e një nanoboti është afërsisht e krahasueshme me qelizat biologjike, dhe për shkak të këtij fakti, nanobotët e ardhshëm mund të përdoren në disiplina si mjekësia dhe ruajtja/riparimi i mjedisit. Shumica e "nanobotëve" që ekzistojnë sot janë vetëm molekula specifike të cilat janë manipuluar për të përmbushur detyra të caktuara. 

Nanobotet komplekse janë në thelb vetëm molekula të thjeshta të bashkuara dhe të manipuluara me procese kimike. Për shembull, disa nanobote janë i përbërë nga ADN, dhe ata transporti i ngarkesave molekulare.

Si funksionojnë Nanobots?

Duke pasur parasysh natyrën ende shumë teorike të nanobotëve, pyetjeve se si funksionojnë nanobotët përgjigjen me parashikime dhe jo me deklarata të fakteve. Ka të ngjarë që përdorimet e para të mëdha për nanobotët do të jenë në fushën mjekësore, duke lëvizur nëpër trupin e njeriut dhe duke përmbushur detyra si diagnostikimi i sëmundjeve, monitorimi i elementeve jetësore dhe dhënia e trajtimeve. Këta nanobote do të duhet të jenë në gjendje të lundrojnë nëpër trupin e njeriut dhe të lëvizin nëpër inde si enët e gjakut.

lundrim

Për sa i përket navigimit me nanobot, ekzistojnë një sërë teknikash që studiuesit dhe inxhinierët e nanobotëve po hetojnë. Një metodë e lundrimit është përdorimi i sinjaleve tejzanor për zbulimin dhe vendosjen. Një nanobot mund të lëshojë sinjale tejzanor që mund të gjurmohen për të gjetur pozicionin e nanobotëve, dhe robotët më pas mund të udhëzohen në zona specifike me përdorimin e një mjeti të veçantë që drejton lëvizjen e tyre. Pajisjet e imazhit të rezonancës magnetike (MRI) mund të përdoren gjithashtu për të gjurmuar pozicionin e nanoboteve, dhe eksperimentet e hershme me MRI kanë treguar se teknologjia mund të përdoret për të zbuluar dhe madje manovruar nanobotët. Metoda të tjera të zbulimit dhe manovrimit të nanoboteve përfshijnë përdorimin e rrezeve X, mikrovalëve dhe valëve të radios. Për momentin, kontrolli ynë i këtyre valëve në shkallë nano është mjaft i kufizuar, kështu që do të duhej të shpikeshin metoda të reja për përdorimin e këtyre valëve.

Sistemet e navigimit dhe zbulimit të përshkruara më sipër janë metoda të jashtme, duke u mbështetur në përdorimin e mjeteve për të lëvizur nanobotët. Me shtimin e sensorëve në bord, nanobotët mund të jenë më autonome. Për shembull, sensorët kimikë të përfshirë në nanobotet në bord mund të lejojnë robotin të skanojë mjedisin përreth dhe të ndjekë disa shënues kimikë në një zonë të synuar.

Fuqija

Kur bëhet fjalë për fuqizimin e nanoboteve, ka gjithashtu një shumëllojshmëri të zgjidhjet e fuqisë që po hulumtohen nga studiuesit. Zgjidhjet për fuqizimin e nanoboteve përfshijnë burimet e jashtme të energjisë dhe burimet e energjisë në bord/të brendshme.

Zgjidhjet e brendshme të energjisë përfshijnë gjeneratorë dhe kondensatorë. Gjeneratorët në bordin e nanobotit mund të përdorin elektrolitet që gjenden në gjak për të prodhuar energji, ose nanobotet madje mund të fuqizohen duke përdorur gjakun përreth si një katalizator kimik që prodhon energji kur kombinohet me një kimikat që nanoboti mbart me vete. Kondensatorët funksionojnë në mënyrë të ngjashme me bateritë, duke ruajtur energjinë elektrike që mund të përdoret për të shtyrë nanobotin. Opsione të tjera si burime të vogla të energjisë bërthamore madje janë konsideruar.

Sa i përket burimeve të jashtme të energjisë, telat tepër të vegjël dhe të hollë mund të lidhin nanobotët me një burim të jashtëm energjie. Tela të tillë mund të bëhen nga kabllo miniaturë me fibra optike, duke dërguar pulse drite poshtë telave dhe duke krijuar energjinë aktuale brenda nanobotit.

Zgjidhje të tjera të fuqisë së jashtme përfshijnë fusha magnetike ose sinjale tejzanor. Nanobotët mund të përdorin diçka të quajtur një membranë piezoelektrike, e cila është e aftë të mbledhë valët ultrasonike dhe t'i transformojë ato në energji elektrike. Fushat magnetike mund të përdoren për të katalizuar rrymat elektrike brenda një qarku të mbyllur përcjellës që gjendet në bordin e nanobotit. Si bonus, fusha magnetike mund të përdoret gjithashtu për të kontrolluar drejtimin e nanobotit.

Bartje

Trajtimi i problemit të lokomocioni nanobot kërkon disa zgjidhje shpikëse. Nanobotët që nuk janë të lidhur, ose që nuk janë thjesht lundrues të lirë në mjedisin e tyre, duhet të kenë një metodë për të lëvizur në vendet e tyre të synuara. Sistemi i shtytjes do të duhet të jetë i fuqishëm dhe i qëndrueshëm, në gjendje të shtyjë nanobotin kundër rrymave në mjedisin e tij përreth, si rrjedha e gjakut. Zgjidhjet e shtytjes nën hetim shpesh frymëzohen nga bota natyrore, me studiuesit që shikojnë se si organizmat me mikroskop lëvizin nëpër mjedisin e tyre. Për shembull, mikroorganizmat shpesh përdorin bishta të gjata, të ngjashme me kamxhikun, të quajtur flagella për të shtyrë veten, ose përdorin një numër gjymtyrësh të vogla, të ngjashme me qimet, të quajtura cilia.

Studiuesit po eksperimentojnë gjithashtu me dhënien e robotëve të vegjël shtojca të ngjashme me krahët që mund të lejojë robotin të notojë, të kapë dhe të zvarritet. Aktualisht, këto shtojca kontrollohen nëpërmjet fushave magnetike jashtë trupit, pasi forca magnetike i shtyn krahët e robotit të dridhen. Një përfitim i shtuar i kësaj metode të lëvizjes është se energjia për të vjen nga një burim i jashtëm. Kjo teknologji do të duhet të bëhet edhe më e vogël për ta bërë të zbatueshme për nanobotët e vërtetë.

Ka edhe strategji të tjera, më shpikëse, shtytëse nën hetim. Për shembull, disa studiues kanë propozuar përdorimin e kondensatorëve për të krijuar një pompë elektromagnetike që do të tërhiqte lëngjet përçuese dhe do ta nxirrte jashtë. si një avion, duke e çuar nanobotin përpara.

Pavarësisht nga aplikimi eventual i nanobotëve, ata duhet të zgjidhin problemet e përshkruara më sipër, duke trajtuar lundrimin, lëvizjen dhe fuqinë.

Për çfarë përdoren Nanobots?

Siç u përmend, përdorimet e para për nanobotët ka të ngjarë të jetë në fushën e mjekësisë. Nanobotët mund të përdoren për të monitoruar dëmtimin e trupit, dhe potencialisht edhe për të lehtësuar riparimin e këtij dëmi. Nanobotët e ardhshëm mund të dërgojnë ilaçe direkt në qelizat që kanë nevojë për to. Aktualisht, ilaçet shpërndahen nga goja ose intravenoz dhe ato përhapen në të gjithë trupin në vend që të godasin vetëm zonat e synuara, duke shkaktuar efekte anësore. Nanobotët e pajisur me sensorë mund të përdoren lehtësisht për të monitoruar ndryshimet në rajonet e qelizave, duke raportuar ndryshime në shenjën e parë të dëmtimit ose mosfunksionimit.

Jemi ende shumë larg këtyre aplikimeve hipotetike, por progres po bëhet gjatë gjithë kohës. Si shembull, në vitin 2017 shkencëtarët krijoi nanobote që synonin qelizat e kancerit dhe i sulmoi me një stërvitje në miniaturë, duke i vrarë. Këtë vit, një grup studiuesish nga Universiteti ITMO projektuan një nanobot të përbërë nga fragmente të ADN-së, të aftë për të shkatërruar vargjet patogjene të ARN-së. Nanobotët e bazuar në ADN janë gjithashtu aktualisht të aftë për të transportuar ngarkesa molekulare, Nanoboti është bërë nga tre seksione të ndryshme të ADN-së, duke manovruar me një "këmbë" të ADN-së dhe duke mbajtur molekula specifike me përdorimin e një "krahu".

Përtej aplikimeve mjekësore, po bëhen kërkime në lidhje me përdorimin e nanoboteve për qëllime të pastrimit dhe rehabilitimit të mjedisit. Nanobotët potencialisht mund të përdoren për të hequr metale të rënda toksike plastika nga trupat ujorë. Nanobotët mund të mbajnë përbërës që i bëjnë substancat toksike inerte kur kombinohen së bashku, ose mund të përdoren për të degraduar mbetjet plastike përmes proceseve të ngjashme. Gjithashtu po bëhen kërkime për përdorimin e nanobotëve për të lehtësuar prodhimin e çipave dhe procesorëve kompjuterikë jashtëzakonisht të vegjël, duke përdorur në thelb nanobotët për të prodhuar qarqe kompjuterike në shkallë të vogël.