Шта су наноботи? Разумевање структуре, рада и употребе нанобота

Како технологија напредује, ствари не постају увек веће и боље, објекти такође постају мањи. У ствари, нанотехнологија је једна од најбрже растућих технолошких области, вредна преко 1 билион УСД, а предвиђа се да ће порасти за приближно 17% у наредних пола деценије. Наноботс су главни део области нанотехнологије, али шта су они тачно и како функционишу? Хајде да ближе погледамо наноботе да бисмо разумели како ова трансформативна технологија функционише и за шта се користи.

Шта су наноботи?

Област нанотехнологије се бави истраживањем и развојем технологије величине приближно од једног до 100 нанометара. Стога је нанороботика фокусирана на стварање робота који су отприлике ове величине. У пракси, тешко је конструисати било шта мање од једног нанометра у размери, а термини „нанороботика“ и „нанобот“ се често примењен на уређаје који су величине приближно 0.1 – 10 микрометара, што је још увек прилично мало.

Важно је напоменути да се термин „наноробот“ понекад примењује на уређаје који ступају у интеракцију са објектима на наноразмери, манипулишући предметима наноразмера. Стога, чак и ако је сам уређај много већи, може се сматрати нанороботичким инструментом. Овај чланак ће се фокусирати на саме роботе на наносмеру.

Велики део области нанороботике и нанобота је још увек у теоријској фази, а истраживања су усмерена на решавање проблема конструкције у тако малом обиму. Међутим, неки прототипови наномашина и наномотора су дизајнирани и тестирани.

Већина тренутно постојећих нанороботичких уређаја спада у једна од четири категорије: прекидачи, мотори, шатлови и аутомобили.

Нанороботски прекидачи раде тако што се од њих тражи да се пребаце из стања „искључено“ у „укључено“. Фактори околине се користе да би машина променила облик, процес који се назива конформациона промена. Животна средина се мења коришћењем процеса као што су хемијске реакције, УВ светлост и температура, а нанороботски прекидачи се мењају у различите облике као резултат, способни да остваре специфичне задатке.

Наномотори су сложенији од једноставних прекидача и користе енергију створену ефектима конформационих промена да би се кретали и утицали на молекуле у околном окружењу.

Шатлови су нанороботи који су у стању да транспортују хемикалије попут лекова у одређене, циљане регионе. Циљ је комбиновати шатлове са наноробот моторима тако да шатлови буду способни за већи степен кретања кроз окружење.

Нанороботски „аутомобили“ су тренутно најнапреднији наноуређаји, способни да се крећу независно уз помоћ хемијских или електромагнетних катализатора. Наномотори који покрећу нанороботичке аутомобиле морају се контролисати да би се возилом управљало, а истраживачи експериментишу са различитим методама нанороботске контроле.

Истраживачи нанороботике имају за циљ да синтетишу ове различите компоненте и технологије у наномашине које могу да заврше сложене задатке, које постижу ројеви нанобота који раде заједно.

Фотографија: Фотографија: "Поређење величина наноматеријала са величинама других уобичајених материјала." Суресхуп на Викимедиа Цоммонс, ЦЦ БИ 3.0 (хттпс://ен.википедиа.орг/вики/Филе:Цомпарисон_оф_наноматериалс_сизес.јпг)

Како се стварају наноботи?

Област нанороботике је на раскрсници многих дисциплина и стварање нанобота укључује стварање сензора, актуатора и мотора. Мора се урадити и физичко моделирање, а све ово мора бити урађено на наноразмери. Као што је горе поменуто, уређаји за наноманипулацију се користе за склапање ових делова нано-размера и манипулисање вештачким или биолошким компонентама, што укључује манипулацију ћелијама и молекулима.

Инжењери нанороботике морају бити у стању да реше мноштво проблема. Они морају да се позабаве питањима која се тичу осећаја, контролне моћи, комуникације и интеракције између неорганских и органских материјала.

Величина нанобота је отприлике упоредива са биолошким ћелијама, и због ове чињенице будући наноботи би могли да се користе у дисциплинама као што су медицина и очување/ремедијација животне средине. Већина „нанобота“ који постоје данас су само специфични молекули којима се манипулише да би се постигли одређени задаци. 

Сложени наноботи су у суштини само једноставни молекули спојени и којима се манипулише хемијским процесима. На пример, неки наноботови јесу састоји се од ДНК, а они транспорт молекуларног терета.

Како функционишу наноботи?

С обзиром на још увек у великој мери теоријску природу нанобота, на питања о томе како наноботи раде се одговара предвиђањима, а не изјавама чињеница. Вероватно је да ће прве веће употребе нанобота бити у медицинском пољу, кретање кроз људско тело и обављање задатака попут дијагностиковања болести, праћења виталних функција и издавања третмана. Ови наноботи ће морати да буду у стању да се крећу по људском телу и да се крећу кроз ткива попут крвних судова.

navigacija

У погледу навигације нанобота, постоји низ техника које истражују истраживачи и инжењери нанобота. Један од метода навигације је коришћење ултразвучних сигнала за детекцију и примену. Нанобот би могао да емитује ултразвучне сигнале који се могу пратити како би се лоцирао положај нанобота, а роботи би затим могли да буду вођени у одређена подручја уз употребу специјалног алата који усмерава њихово кретање. Уређаји за снимање магнетном резонанцом (МРИ) такође би могли да се користе за праћење положаја нанобота, и рани експерименти са МРИ су показали да се технологија може користити за откривање и чак маневрисање нанобота. Друге методе откривања и маневрисања нанобота укључују употребу рендгенских зрака, микроталаса и радио-таласа. У овом тренутку, наша контрола ових таласа на нано-скали је прилично ограничена, тако да би се морале измислити нове методе коришћења ових таласа.

Горе описани системи за навигацију и детекцију су екстерне методе, које се ослањају на употребу алата за померање нанобота. Уз додатак уграђених сензора, наноботи би могли бити аутономнији. На пример, хемијски сензори који су укључени у наноботове на броду могу омогућити роботу да скенира околно окружење и прати одређене хемијске маркере до циљаног региона.

снага

Када је у питању напајање нанобота, ту су и различити моћна решења која истражују истраживачи. Решења за напајање нанобота укључују екстерне изворе напајања и уграђене/интерне изворе напајања.

Интерна решења за напајање укључују генераторе и кондензаторе. Генератори на наноботу могли би да користе електролите који се налазе у крви за производњу енергије, или би се наноботи чак могли напајати користећи околну крв као хемијски катализатор који производи енергију када се комбинује са хемикалијом коју нанобот носи са собом. Кондензатори функционишу слично као и батерије, чувајући електричну енергију која би се могла користити за покретање нанобота. Друге опције попут малих нуклеарних извора енергије су чак разматране.

Што се тиче спољних извора напајања, невероватно мале, танке жице могу да повежу наноботе са спољним извором напајања. Такве жице могу бити направљене од минијатурних оптичких каблова, који шаљу импулсе светлости низ жице и стварају стварну електричну енергију унутар нанобота.

Друга спољна решења за напајање укључују магнетна поља или ултразвучне сигнале. Наноботи би могли да користе нешто што се зове пиезоелектрична мембрана, која је способна да сакупља ултразвучне таласе и трансформише их у електричну енергију. Магнетна поља се могу користити за катализацију електричних струја унутар затворене проводне петље која се налази на наноботу. Као бонус, магнетно поље се такође може користити за контролу правца нанобота.

Локомоција

Бавећи се проблемом нанобот лоцомотион захтева нека инвентивна решења. Наноботи који нису везани, или не само да слободно лебде у свом окружењу, морају да имају неки начин да се померају на своје циљне локације. Погонски систем ће морати да буде моћан и стабилан, способан да покреће нанобота против струја у његовом окружењу, попут протока крви. Погонска решења која се истражују често су инспирисана природним светом, а истраживачи посматрају како се микроскопски организми крећу кроз своје окружење. На пример, микроорганизми често користе дугачке репове налик на бичеве зване флагеле да би се покренули, или користе низ сићушних удова налик длакама названим цилијама.

Истраживачи такође експериментишу са малим роботима додаци налик на руке то би могло омогућити роботу да плива, хвата и пузи. Тренутно, ови додаци се контролишу путем магнетних поља изван тела, пошто магнетна сила подстиче роботове руке да вибрирају. Додатна предност овог начина кретања је што енергија за њега долази из спољашњег извора. Ова технологија би морала да буде још мања да би била одржива за праве наноботе.

Постоје и друге, инвентивније, стратегије погона које се такође истражују. На пример, неки истраживачи су предложили коришћење кондензатора за пројектовање електромагнетне пумпе која би увлачила проводне течности и избацивала их као млазњак, покрећући нанобота напред.

Без обзира на евентуалну примену нанобота, они морају да реше горе описане проблеме, руковање навигацијом, локомоцијом и снагом.

За шта се користе наноботи?

Као што је поменуто, прва употреба за наноботове вероватно ће бити у медицинска област. Наноботи би се могли користити за праћење оштећења на телу, а потенцијално чак и за олакшавање поправке овог оштећења. Будући наноботи могли би да испоручују лекове директно ћелијама којима су потребни. Тренутно се лекови испоручују орално или интравенозно и шире се по целом телу уместо да погађају само циљне регионе, изазивајући нежељене ефекте. Наноботи опремљени сензорима могу се лако користити за праћење промена у регионима ћелија, пријављујући промене на први знак оштећења или квара.

Још увек смо далеко од ових хипотетичких примена, али напредак се остварује све време. Као пример, научници су 2017 створио наноботове који циљају ћелије рака и напао их минијатурном бушилицом, убијајући их. Ове године, група истраживача са Универзитета ИТМО дизајнирала је нанобот састављен од фрагмената ДНК, способан да уништи патогене РНК нити. Наноботи засновани на ДНК су такође тренутно способни да транспортују молекуларни терет. Нанобот је направљен од три различита ДНК секције, маневришући са ДНК „ногом“ и носећи специфичне молекуле уз употребу „руке“.

Поред медицинских примена, врше се истраживања у вези са употребом нанобота у сврхе чишћења и санације животне средине. Наноботи би се потенцијално могли користити за уклањање токсични тешки метали пластике из водених површина. Наноботови би могли да носе једињења која чине токсичне супстанце инертнима када се комбинују заједно, или би се могли користити за разградњу пластичног отпада кроз сличне процесе. Такође се проводе истраживања о коришћењу нанобота да би се олакшала производња изузетно малих компјутерских чипова и процесора, у суштини користећи наноботе за производњу компјутерских кола микроразмера.