Vad är Nanobots? Förstå Nanobots struktur, funktion och användning

Allt eftersom tekniken går framåt blir saker och ting 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 det kommande halvt årtiondet. nanobotar är en stor del av nanoteknikområdet, men vad är de exakt och hur fungerar de? Låt oss ta en närmare titt på nanobotar för att förstå hur denna transformativa teknik fungerar och vad den används till.

Vad är Nanobots?

Området nanoteknik handlar om forskning och utveckling av teknik cirka en till 100 nanometer i skala. Därför fokuserar nanorobotics på att skapa robotar som är runt denna storlek. I praktiken är det svårt att konstruera något så litet som en nanometer i skala och termen "nanorobotics" och "nanobot" är ofta tillämpas till enheter som är ungefär 0.1 – 10 mikrometer stora, vilket fortfarande är ganska litet.

Det är viktigt att notera att termen "nanorobot" ibland används för enheter som interagerar med objekt i nanoskala och manipulerar föremål i nanoskala. Därför, även om själva enheten är mycket större, kan den betraktas som ett nanorobotinstrument. Den här artikeln kommer att fokusera på själva robotarna i nanoskala.

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

De flesta för närvarande befintliga nanorobotenheter faller inom en av fyra kategorier: växlar, motorer, skyttlar och bilar.

Nanorobotbrytare fungerar genom att de uppmanas att växla från ett "av"-läge till ett "på"-läge. Miljöfaktorer används för att få maskinen att ändra form, en process som kallas konformationsförändring. Miljön förändras med hjälp av processer som kemiska reaktioner, UV-ljus och temperatur, och nanorobotbrytarna skiftar till olika former som ett resultat, som kan utföra specifika uppgifter.

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

Skyttlar är nanorobotar som kan transportera kemikalier som droger till specifika, riktade regioner. Målet är att kombinera skyttlar med nanorobotmotorer så att skyttlarna klarar en högre grad av rörelse genom en miljö.

Nanorobotiska "bilar" är de mest avancerade nanoenheterna för tillfället, som kan röra sig oberoende med uppmaningar från kemiska eller elektromagnetiska katalysatorer. Nanomotorerna som driver nanorobotbilar behöver styras för att fordonet ska kunna styras och forskare experimenterar med olika metoder för nanorobotstyrning.

Nanorobotforskare syftar till att syntetisera dessa olika komponenter och teknologier till nanomaskiner som kan utföra komplexa uppgifter, utförda av svärmar av nanobotar som arbetar tillsammans.

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

Hur skapas nanobotar?

Området nanorobotics befinner sig i korsvägen mellan många discipliner och skapandet av nanobotar involverar skapandet av sensorer, ställdon och motorer. Fysisk modellering måste också göras, och allt detta måste göras i nanoskala. Som nämnts ovan används nanomanipulationsanordningar för att montera dessa delar i nanoskala och manipulera artificiella eller biologiska komponenter, vilket inkluderar manipulation av celler och molekyler.

Nanorobotingenjörer måste kunna lösa en mängd problem. De måste ta itu med frågor om sensation, kontrollkraft, kommunikation och interaktioner mellan både oorganiska och organiska material.

Storleken på en nanobot är ungefär jämförbar med biologiska celler, och på grund av detta faktum skulle framtida nanobotar kunna användas inom discipliner som medicin och miljövård/sanering. De flesta "nanobotar" som finns idag är bara specifika molekyler som har manipulerats för att utföra vissa uppgifter. 

Komplexa nanobotar är i huvudsak bara enkla molekyler som är sammanfogade och manipulerade med kemiska processer. Till exempel är vissa nanobotar består av DNA, Och de transportera molekylär last.

Hur fungerar nanobotar?

Med tanke på nanobotarnas fortfarande mycket teoretiska natur, besvaras frågor om hur nanobotar fungerar med förutsägelser snarare än fakta. Det är troligt att de första stora användningsområdena för nanobotar kommer att vara inom det medicinska området, att röra sig genom människokroppen och utföra uppgifter som att diagnostisera sjukdomar, övervaka vitala uppgifter och dispensera behandlingar. Dessa nanobotar kommer att behöva kunna navigera sig runt i människokroppen 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 användningen av ultraljudssignaler för detektering och utbyggnad. En nanobot kunde sända ut ultraljudssignaler som kunde spåras för att lokalisera nanobotarnas position, och robotarna kunde sedan styras till specifika områden med hjälp av ett speciellt verktyg som styr deras rörelse. Magnetic Resonance Imaging (MRI) enheter kan också användas för att spåra positionen för nanobotar, och tidiga experiment med MRI har visat att tekniken kan användas för att upptäcka och till och med manövrera nanobotar. Andra metoder för att upptäcka och manövrera nanobotar inkluderar användningen av röntgenstrålar, mikrovågor och radiovågor. För närvarande är vår kontroll över dessa vågor på nanoskala ganska begränsad, så nya metoder för att utnyttja dessa vågor måste uppfinnas.

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

Effekt

När det gäller att driva nanobotarna finns det också en mängd olika kraftlösningar som utforskas av forskare. Lösningar för att driva nanobotar inkluderar externa strömkällor och inbyggda/interna strömkällor.

Interna kraftlösningar inkluderar generatorer och kondensatorer. Generatorer ombord på nanoboten kan använda elektrolyterna som finns i blodet för att producera energi, eller så kan nanobotar till och med drivas med det omgivande blodet som en kemisk katalysator som producerar energi i kombination med en kemikalie som nanoboten bär med sig. Kondensatorer fungerar på samma sätt som batterier och lagrar elektrisk energi som kan användas för att driva nanoboten. Andra alternativ som små kärnkraftskällor har till och med övervägts.

När det gäller externa strömkällor kan otroligt små, tunna ledningar binda nanobotarna till en extern strömkälla. Sådana kablar kan vara gjorda av optiska miniatyrkablar, skicka ljuspulser ner i ledningarna och få den faktiska elektriciteten att genereras i nanoboten.

Andra externa kraftlösningar inkluderar magnetfält eller ultraljudssignaler. Nanobots skulle kunna använda något som kallas ett piezoelektriskt membran, som kan samla in ultraljudsvågor och omvandla dem till elektrisk kraft. Magnetiska fält kan användas för att katalysera elektriska strömmar inom en sluten ledande slinga som finns ombord på nanoboten. Som en bonus kan magnetfältet också användas för att styra nanobotens riktning.

Förflyttning

Att ta itu med problemet med nanobot-rörelse kräver en del uppfinningsrika lösningar. Nanobotar som inte är tjudrade, eller som inte bara flyter fritt i sin miljö, måste ha någon metod för att flytta till sina målplatser. Framdrivningssystemet måste vara kraftfullt och stabilt, kunna driva nanoboten mot strömmar i dess omgivande miljö, som blodflödet. Framdrivningslösningar som undersöks är ofta inspirerade av den naturliga världen, där forskare tittar på hur mikroskoporganismer rör sig genom sin miljö. Till exempel använder mikroorganismer ofta långa, piskliknande svansar som kallas flageller för att driva sig själva, eller så använder de ett antal små hårliknande lemmar som kallas flimmerhår.

Forskare experimenterar också med att ge robotar små armliknande bihang som kan tillåta roboten att simma, greppa och krypa. För närvarande styrs dessa bihang via magnetfält utanför kroppen, eftersom den magnetiska kraften får robotens armar att vibrera. En extra fördel med denna rörelsemetod är att energin för den kommer från en extern källa. Denna teknik skulle behöva göras ännu mindre för att göra den lönsam för riktiga nanobotar.

Det finns andra, mer uppfinningsrika, framdrivningsstrategier som också undersöks. Till exempel har vissa forskare föreslagit att man använder kondensatorer för att konstruera en elektromagnetisk pump som skulle dra in ledande vätskor och skjuta ut den som ett jetplan, driver nanoboten framåt.

Oavsett den eventuella tillämpningen av nanobotar måste de lösa problemen som beskrivs ovan, hantera navigering, rörelse och kraft.

Vad används nanobotar till?

Som nämnts, de första användningarna för nanobotar kommer troligen att vara med det medicinska området. Nanobotar skulle kunna användas för att övervaka skador på kroppen, och potentiellt till och med underlätta reparationen av denna skada. Framtida nanobotar skulle kunna leverera medicin direkt till de celler som behöver dem. För närvarande ges läkemedel oralt eller intravenöst och de sprider sig över hela kroppen istället för att bara träffa målområdena, vilket orsakar biverkningar. Nanobotar utrustade med sensorer kan enkelt användas för att övervaka förändringar i cellregioner och rapportera förändringar vid första tecken på skada eller felfunktion.

Vi är fortfarande långt ifrån dessa hypotetiska tillämpningar, men framsteg görs hela tiden. Som ett exempel, 2017 forskare skapade nanobotar som riktade sig mot cancerceller och attackerade dem med en miniatyriserad borr och dödade dem. I år designade en grupp forskare från ITMO University en nanobot bestående av DNA-fragment, kan förstöra patogena RNA-strängar. DNA-baserade nanobotar kan för närvarande också transportera molekylär last. Nanoboten är gjord av tre olika DNA-sektioner, manövrerar med ett DNA-ben och bär specifika molekyler med hjälp av en "arm".

Utöver medicinska tillämpningar pågår forskning kring användningen av nanobotar för miljösanering och -sanering. Nanobots kan potentiellt användas för att ta bort giftiga tungmetaller och plast från vattenmassor. Nanobotarna kan bära föreningar som gör giftiga ämnen inerta när de kombineras, eller så kan de användas för att bryta ned plastavfall genom liknande processer. Forskning pågår också om användningen av nanobotar för att underlätta produktionen av extremt små datorchips och processorer, huvudsakligen med hjälp av nanobotar för att producera datorkretsar i mikroskala.