Vad är Nanobots? Förstå Nanobotstruktur, Drift och Användningsområden

När tekniken utvecklas, blir saker inte alltid större och bättre, föremål blir också mindre. Faktum är att nanoteknik är ett av de snabbast växande tekniska områdena, värt över 1 biljon USD, och det förväntas växa med cirka 17% under de kommande fem åren. Nanobots är en stor del av nanoteknikområdet, men vad är de exakt och hur fungerar de? Låt oss ta en närmare titt på nanobots för att förstå hur denna transformerande teknik fungerar och vad den används för.

Vad är Nanobots?

Nanoteknikområdet är inriktat på forskning och utveckling av teknologi som är cirka en till 100 nanometer i storlek. Därför är nanorobotik inriktad på skapandet av robotar som är av ungefär samma storlek. I praktiken är det svårt att konstruera något så litet som en nanometer i storlek, och termen “nanorobotik” och “nanobot” tillämpas ofta på enheter som är cirka 0,1-10 mikrometer i storlek, vilket fortfarande är ganska litet.

Det är viktigt att notera att termen “nanorobot” ibland tillämpas på enheter som interagerar med föremål på nanoskalan, manipulerar nanoskala föremål. Därför kan en enhet som i sig är mycket större anses vara ett nanorobotiskt instrument, om den interagerar med nanoskala föremål. Denna artikel kommer att fokusera på nanoskala robotar i sig.

Mycket av nanorobotik och nanobots är fortfarande i den teoretiska fasen, med forskning inriktad på att lösa problemen med konstruktion på så liten skala. Men vissa prototyper av nanomaskiner och nanomotorer har designats och testats.

De flesta nu existerande nanorobotiska enheter faller inom en av fyra kategorier: switchar, motorer, shuttles och bilar.

Nanorobotiska switchar fungerar genom att växla från en “av”-tillstånd till ett “på”-tillstånd. Miljöfaktorer används för att förändra maskinens form, en process som kallas konformationsförändring. Miljön förändras med hjälp av processer som kemiska reaktioner, UV-ljus och temperatur, och nanorobotiska switchar växlar till olika former som ett resultat, och kan utföra specifika uppgifter.

Nanomotorer är mer komplexa än enkla switchar, och de använder energin som skapas av konformationsförändringen för att röra sig och påverka molekylerna i den omgivande miljön.

Shuttles är nanorobotar som kan transportera kemikalier som läkemedel till specifika, målinriktade områden. Målet är att kombinera shuttles med nanorobotmotorer så att shuttles kan röra sig mer i sin miljö.

Nanorobotiska “bilar” är de mest avancerade nanoenheterna just nu, och de kan röra sig oberoende med hjälp av kemiska eller elektromagnetiska katalysatorer. Nanomotorerna som driver nanorobotiska bilar behöver kontrolleras för att fordonet ska kunna styras, och forskare experimenterar med olika metoder för nanorobotisk kontroll.

Nanorobotikforskare syftar till att syntetisera dessa olika komponenter och tekniker till nanomaskiner som kan utföra komplexa uppgifter, utförda av svärmar av nanobots som arbetar tillsammans.

Foto: “Jämförelse av storleken på nanomaterial med andra vanliga material.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hur Skapas Nanobots?

Nanorobotikområdet ligger vid korsningen av många discipliner, och skapandet av nanobots involverar skapandet av sensorer, aktuatorer och motorer. Fysisk modellering måste också utföras, och allt detta måste göras på nanoskalan. Som nämnts ovan används nanomanipulationsenheter för att montera dessa nano-skala delar och manipulera artificiella eller biologiska komponenter, vilket inkluderar manipulation av celler och molekyler.

Nanorobotikingenjörer måste kunna lösa en mängd problem. De måste hantera frågor om känslighet, kontroll, effekt, kommunikation och interaktioner mellan både oorganiska och organiska material.

Storleken på en nanobot är ungefär jämförbar med biologiska celler, och på grund av denna faktum kan framtida nanobots användas inom discipliner som medicin och miljövård. De flesta “nanobots” som existerar idag är bara specifika molekyler som har manipulerats för att utföra specifika uppgifter.

Komplexa nanobots är i princip bara enkla molekyler som har fogats samman och manipulerats med kemiska processer. Till exempel består vissa nanobots av DNA, och de transporterar molekylärt gods.

Hur Fungerar Nanobots?

Med tanke på den fortfarande starkt teoretiska naturen av nanobots, besvaras frågor om hur nanobots fungerar med förutsägelser snarare än faktiska uttalanden. Det är troligt att de första stora användningsområdena för nanobots kommer att vara inom det medicinska området, där de kan röra sig genom den mänskliga kroppen och utföra uppgifter som att diagnostisera sjukdomar, övervaka vitala funktioner och administrera behandlingar. Dessa nanobots måste kunna navigera sin väg runt den mänskliga kroppen och röra sig genom vävnader som blodkärl.

Navigering

När det gäller nanobotnavigering, finns det en mängd olika tekniker som nanobotforskare och ingenjörer undersöker. En metod för navigering är att använda ultraljudssignaler för detektering och utplacering. En nanobot kan sända ultraljudssignaler som kan spåras för att lokalisera nanobotens position, och roboten kan sedan styras till specifika områden med hjälp av ett specialverktyg som styr dess rörelse. Magnetresonanstomografi (MRT) kan också användas för att spåra nanobotens position, och tidiga experiment med MRT har visat att tekniken kan användas för att upptäcka och till och med manövrera nanobots. Andra metoder för att upptäcka och manövrera nanobots inkluderar användning av röntgenstrålar, mikrovågor och radiovågor. Just nu är vår kontroll över dessa vågor på nanoskalan ganska begränsad, så nya metoder för att använda dessa vågor måste uppfinnas.

Navigerings- och detekteringssystemen som beskrivs ovan är externa metoder som förlitar sig på användningen av verktyg för att flytta nanobots. Med tillägg av ombordssensorer kan nanobots vara mer autonoma. Till exempel kan kemiska sensorer ombord på nanobots tillåta roboten att skanna den omgivande miljön och följa vissa kemiska markörer till ett målområde.

Kraft

När det gäller att driva nanobots, finns det också en mängd olika kraftlösningar som undersöks av forskare. Lösningar för att driva nanobots inkluderar externa kraftkällor och ombord/interna kraftkällor.

Internkraftlösningar inkluderar generatorer och kondensatorer. Generatorer ombord på nanobots kan använda elektrolyter som finns i blodet för att producera energi, eller nanobots kan till och med drivas med hjälp av den omgivande blodet som en kemisk katalysator som producerar energi när den kombineras med en kemikalie som nanobots bär med sig. Kondensatorer fungerar på liknande sätt som batterier, lagrar elektrisk energi som kan användas för att driva nanobots. Andra alternativ som små kärnkraftskällor har till och med övervägts.

När det gäller externa kraftkällor kan otroligt små, tunna ledningar koppla nanobots till en yttre kraftkälla. Sådana ledningar kan tillverkas av miniaturiserade fiberoptiska kablar, som sänder pulser av ljus genom ledningarna och har den faktiska elektriciteten genereras inom nanobots.

Andra externa kraftlösningar inkluderar magnetfält eller ultraljudssignaler. Nanobots kan använda något som kallas en piezoelektrisk membran, som kan samla in ultraljudsvågor och omvandla dem till elektrisk kraft. Magnetfält kan användas för att katalysera elektriska strömmar inom en sluten ledande slinga som finns ombord på nanobots. Som en bonus kan magnetfältet också användas för att kontrollera nanobotens riktning.

Rörelse

Att hantera problemet med nanobotrörelse kräver några uppfinningsrika lösningar. Nanobots som inte är kopplade till en yttre kraftkälla eller inte bara flyter fritt i sin miljö, behöver ha någon metod för att röra sig till sina målområden. Propulsionssystemet måste vara kraftfullt och stabilt, kunna driva nanobots mot strömmar i den omgivande miljön, som blodflödet. Propulsionslösningar som undersöks är ofta inspirerade av den naturliga världen, där forskare tittar på hur mikroskopiska organismer rör sig i sin miljö. Till exempel använder mikroorganismer ofta långa, piskliknande svansar som kallas flageller för att driva sig fram, eller de använder ett antal små, hårliknande lemmar som kallas cilia.

Forskare experimenterar också med att ge robotar små armliknande utskott som kan tillåta roboten att simma, gripa och kräla. Just nu kontrolleras dessa utskott via magnetfält utanför kroppen, där magnetkraften får robotens armar att vibrera. En extra fördel med denna metod för rörelse är att energin för den kommer från en yttre källa. Denna teknik måste göras ännu mindre för att den ska vara användbar för riktiga nanobots.

Det finns andra, mer uppfinningsrika, propulsionsstrategier som också undersöks. Till exempel har vissa forskare föreslagit att man kan använda kondensatorer för att konstruera en elektromagnetisk pump som skulle dra in ledande vätskor och skjuta ut dem som en jet, och driva nanobots framåt.

Oavsett den slutliga tillämpningen av nanobots, måste de lösa de problem som beskrivs ovan, hantera navigering, rörelse och kraft.

Vad Används Nanobots För?

Som nämnts tidigare kommer de första användningsområdena för nanobots sannolikt att vara inom det medicinska området. Nanobots kan användas för att övervaka skador på kroppen och potentiellt till och med underlätta reparationen av denna skada. Framtida nanobots kan leverera medicin direkt till de celler som behöver dem. Just nu levereras mediciner vanligtvis oralt eller intravenöst och de sprids genom hela kroppen istället för att träffa bara målområdena, vilket orsakar bieffekter. Nanobots utrustade med sensorer kan enkelt användas för att övervaka förändringar i cellområden, rapportera förändringar vid första tecken på skada eller fel.

Vi är fortfarande långt ifrån dessa hypotetiska tillämpningar, men framsteg görs hela tiden. Till exempel skapade forskare nanobots som riktade sig mot cancerceller och attackerade dem med en miniaturiserad borrmaskin, och dödade dem. I år designade en grupp forskare från ITMO University en nanobot som bestod av DNA-fragment, och som kunde förstöra patogena RNA-strängar. DNA-baserade nanobots kan också transportera molekylärt gods, och nanoboten består av tre olika DNA-sektioner, och rör sig med en DNA-“ben” och bär specifika molekyler med hjälp av en “arm”.

Förutom medicinska tillämpningar görs forskning om användningen av nanobots för miljösanering och -rening. Nanobots kan potentiellt användas för att ta bort giftiga tungmetaller och plast från vattendrag. Nanobots kan bära ämnen som gör giftiga ämnen ofarliga när de kombineras, eller de kan användas för att bryta ned plastavfall genom liknande processer. Forskning görs också om användningen av nanobots för att underlätta produktionen av extremt små datorchip och processorer, och i princip använda nanobots för att producera mikroskala datorcirkuit.