Nanobots คืออะไร? ทำความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้าง การทำงาน และการใช้งานของ Nanobot

เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้า สิ่งต่างๆ ก็ไม่ได้ใหญ่ขึ้นและดีขึ้นเสมอไป วัตถุต่างๆ ก็เล็กลงด้วย อันที่จริง นาโนเทคโนโลยีเป็นหนึ่งในสาขาเทคโนโลยีที่เติบโตเร็วที่สุด โดยมีมูลค่ามากกว่า 1 ล้านล้านเหรียญสหรัฐ และคาดว่าจะเติบโตประมาณ 17% ในช่วงครึ่งทศวรรษหน้า นาโนบอท เป็นส่วนสำคัญของสาขานาโนเทคโนโลยี แต่พวกมันคืออะไรกันแน่และทำงานอย่างไร? มาดูนาโนบอตให้ละเอียดยิ่งขึ้นเพื่อทำความเข้าใจว่าเทคโนโลยีแห่งการเปลี่ยนแปลงนี้ทำงานอย่างไรและใช้เพื่ออะไร

Nanobots คืออะไร?

สาขาวิชานาโนเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีที่มีขนาดประมาณ 100 ถึง XNUMX นาโนเมตร ดังนั้นหุ่นยนต์นาโนจึงมุ่งเน้นไปที่การสร้างหุ่นยนต์ที่มีขนาดประมาณนี้ ในทางปฏิบัติ เป็นเรื่องยากที่จะออกแบบวิศวกรรมอะไรก็ตามที่มีขนาดเล็กเพียงหนึ่งนาโนเมตร และคำว่า “นาโนบอติกส์” และ “นาโนบอต” มักจะใช้ ประยุกต์ ไปจนถึงอุปกรณ์ที่มีขนาดประมาณ 0.1 – 10 ไมโครเมตร ซึ่งถือว่ายังเล็กอยู่

สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าบางครั้งคำว่า "นาโนบอต" ใช้กับอุปกรณ์ที่โต้ตอบกับวัตถุในระดับนาโน โดยจัดการกับวัตถุระดับนาโน ดังนั้น แม้ว่าตัวอุปกรณ์จะมีขนาดใหญ่กว่ามาก แต่ก็อาจได้รับการพิจารณาว่าเป็นเครื่องมือหุ่นยนต์นาโน บทความนี้จะมุ่งเน้นไปที่หุ่นยนต์ระดับนาโนเอง

สาขานาโนโรบอติกส์และนาโนบอตส่วนใหญ่ยังอยู่ในช่วงของทฤษฎี โดยการวิจัยมุ่งเน้นไปที่การแก้ปัญหาของการก่อสร้างในขนาดที่เล็กเช่นนี้ อย่างไรก็ตาม นาโนแมชชีนต้นแบบและนาโนมอเตอร์บางตัวได้รับการออกแบบและทดสอบแล้ว

อุปกรณ์นาโนโรบอติกที่มีอยู่ในปัจจุบันส่วนใหญ่ตกอยู่ใน หนึ่งในสี่ประเภท: สวิตช์ มอเตอร์ รถรับส่ง และรถยนต์

สวิตช์นาโนโรบอติกทำงานโดยได้รับพร้อมท์ให้เปลี่ยนจากสถานะ "ปิด" เป็นสถานะ "เปิด" ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมถูกนำมาใช้เพื่อทำให้เครื่องจักรเปลี่ยนรูปร่าง ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง สภาพแวดล้อมมีการเปลี่ยนแปลงโดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่น ปฏิกิริยาเคมี แสงยูวี และอุณหภูมิ และผลที่ตามมาคือสวิตช์หุ่นยนต์นาโนจะเปลี่ยนเป็นรูปแบบต่างๆ เพื่อให้สามารถทำงานเฉพาะอย่างได้สำเร็จ

นาโนมอเตอร์มีความซับซ้อนมากกว่าสวิตช์แบบธรรมดา และพวกมันใช้พลังงานที่สร้างขึ้นจากผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเพื่อเคลื่อนที่ไปรอบๆ และส่งผลต่อโมเลกุลในสภาพแวดล้อมโดยรอบ

กระสวยเป็นหุ่นยนต์นาโนที่สามารถขนส่งสารเคมี เช่น ยา ไปยังภูมิภาคเป้าหมายที่เฉพาะเจาะจง เป้าหมายคือการรวมกระสวยเข้ากับมอเตอร์นาโนโรบอต เพื่อให้กระสวยมีความสามารถในการเคลื่อนที่ในระดับที่มากขึ้นผ่านสภาพแวดล้อม

“รถยนต์” นาโนโรโบติกเป็นอุปกรณ์นาโนที่ทันสมัยที่สุดในขณะนี้ สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระด้วยการแจ้งเตือนจากตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีหรือแม่เหล็กไฟฟ้า ต้องควบคุมมอเตอร์นาโนที่ขับเคลื่อนรถยนต์นาโนโรบอติกเพื่อให้บังคับทิศทางยานพาหนะได้ และนักวิจัยกำลังทดลองด้วยวิธีต่างๆ ในการควบคุมหุ่นยนต์นาโน

นักวิจัยด้านหุ่นยนต์นาโนมีเป้าหมายที่จะสังเคราะห์ส่วนประกอบและเทคโนโลยีต่างๆ เหล่านี้ให้เป็นเครื่องจักรนาโนที่สามารถทำงานที่ซับซ้อนให้สำเร็จลุล่วงได้ด้วยฝูงนาโนบอตที่ทำงานร่วมกัน

รูปถ่าย: รูปถ่าย: ” การเปรียบเทียบขนาดของวัสดุนาโนกับวัสดุทั่วไปอื่นๆ” Sureshup ใน Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Nanobots ถูกสร้างขึ้นอย่างไร?

สาขาของหุ่นยนต์นาโนอยู่ที่ทางแยกของหลายสาขาวิชา และการสร้างนาโนบอตเกี่ยวข้องกับการสร้างเซ็นเซอร์ แอกทูเอเตอร์ และมอเตอร์ ต้องทำแบบจำลองทางกายภาพด้วย และทั้งหมดนี้ต้องทำที่ระดับนาโน ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น อุปกรณ์การจัดการนาโนใช้เพื่อประกอบชิ้นส่วนขนาดนาโนเหล่านี้และจัดการกับส่วนประกอบเทียมหรือชีวภาพ ซึ่งรวมถึงการจัดการเซลล์และโมเลกุล

วิศวกรนาโนโรบอติกส์ต้องสามารถแก้ปัญหาได้มากมาย พวกเขาต้องจัดการกับปัญหาเกี่ยวกับความรู้สึก พลังควบคุม การสื่อสาร และปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัสดุอนินทรีย์และสารอินทรีย์

ขนาดของนาโนบอตเทียบได้กับเซลล์ชีวภาพ และด้วยเหตุนี้ นาโนบอตในอนาคตจึงสามารถนำไปใช้ในสาขาต่างๆ เช่น การแพทย์ และการอนุรักษ์/ฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม “นาโนบอต” ส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบันเป็นเพียงโมเลกุลเฉพาะซึ่งได้รับการจัดการเพื่อทำงานบางอย่างให้สำเร็จ 

นาโนบอตที่ซับซ้อนโดยพื้นฐานแล้วเป็นเพียงโมเลกุลธรรมดาที่รวมเข้าด้วยกันและจัดการด้วยกระบวนการทางเคมี ตัวอย่างเช่น นาโนบอตบางตัวคือ ประกอบด้วยดีเอ็นเอ, และพวกเขา ขนส่งสินค้าโมเลกุล

Nanobots ทำงานอย่างไร

เนื่องจากลักษณะทางทฤษฎีของนาโนบอตยังคงมีอยู่มาก คำถามเกี่ยวกับวิธีการทำงานของนาโนบอตจะได้รับคำตอบด้วยการคาดคะเนมากกว่าการแถลงข้อเท็จจริง มีแนวโน้มว่าการใช้นาโนบอทหลักๆ ครั้งแรกจะเป็นในด้านการแพทย์ การเคลื่อนผ่านร่างกายมนุษย์และการทำงานต่างๆ เช่น การวินิจฉัยโรค การติดตามสัญญาณชีพ และการจ่ายการรักษาให้สำเร็จ หุ่นยนต์นาโนเหล่านี้จะต้องสามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ ร่างกายมนุษย์และเคลื่อนที่ผ่านเนื้อเยื่อ เช่น หลอดเลือดได้

การเดินเรือ

ในแง่ของการนำทางของ nanobot มีเทคนิคมากมายที่นักวิจัยและวิศวกรของ nanobot กำลังตรวจสอบอยู่ วิธีการนำทางวิธีหนึ่งคือการใช้สัญญาณอัลตราโซนิกเพื่อตรวจจับและปรับใช้ นาโนบอตสามารถส่งสัญญาณอัลตราโซนิกที่สามารถสืบหาตำแหน่งของนาโนบอตได้ จากนั้นหุ่นยนต์จะถูกนำทางไปยังพื้นที่เฉพาะโดยใช้เครื่องมือพิเศษที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของพวกมัน นอกจากนี้ยังสามารถใช้อุปกรณ์ Magnetic Resonance Imaging (MRI) เพื่อติดตามตำแหน่งของ nanobots และ การทดลองเบื้องต้นกับ MRIs ได้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถใช้เพื่อตรวจจับและแม้แต่ควบคุมนาโนบอตได้ วิธีอื่นๆ ในการตรวจจับและควบคุมนาโนบอต ได้แก่ การใช้รังสีเอกซ์ ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ ในขณะนี้ การควบคุมคลื่นเหล่านี้ในระดับนาโนค่อนข้างจำกัด ดังนั้นจึงต้องมีการคิดค้นวิธีการใหม่ๆ ในการใช้คลื่นเหล่านี้

ระบบนำทางและการตรวจจับที่อธิบายไว้ข้างต้นเป็นวิธีการภายนอก อาศัยการใช้เครื่องมือเพื่อเคลื่อนย้ายนาโนบอต ด้วยการเพิ่มเซ็นเซอร์ออนบอร์ด นาโนบอตสามารถทำงานได้อย่างอิสระมากขึ้น ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์เคมีที่มีนาโนบอตอยู่บนเครื่องอาจทำให้หุ่นยนต์สแกนสภาพแวดล้อมโดยรอบและติดตามเครื่องหมายทางเคมีบางอย่างไปยังพื้นที่เป้าหมายได้

พลัง

เมื่อพูดถึงการเพิ่มพลังให้กับนาโนบอต ก็มีหลากหลายเช่นกัน โซลูชันพลังงานที่กำลังสำรวจโดยนักวิจัย โซลูชันสำหรับจ่ายไฟให้นาโนบอต ได้แก่ แหล่งพลังงานภายนอกและแหล่งพลังงานออนบอร์ด/ภายใน

โซลูชันพลังงานภายในประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและตัวเก็บประจุ เครื่องกำเนิดบนนาโนบอตสามารถใช้อิเล็กโทรไลต์ที่พบในเลือดเพื่อผลิตพลังงาน หรือนาโนบอตสามารถขับเคลื่อนได้โดยใช้เลือดที่อยู่รอบๆ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีที่ผลิตพลังงานเมื่อรวมกับสารเคมีที่นาโนบอตนำติดตัวไปด้วย ตัวเก็บประจุทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่ โดยเก็บพลังงานไฟฟ้าที่อาจใช้ในการขับเคลื่อนนาโนบอต ตัวเลือกอื่นๆ เช่น แหล่งพลังงานนิวเคลียร์ขนาดเล็กได้รับการพิจารณาด้วยซ้ำ

เท่าที่มีแหล่งพลังงานภายนอก สายไฟขนาดเล็กและบางอย่างไม่น่าเชื่อสามารถโยงนาโนบอทเข้ากับแหล่งพลังงานภายนอกได้ สายไฟดังกล่าวอาจทำจากสายเคเบิลใยแก้วนำแสงขนาดจิ๋ว ส่งแสงเป็นจังหวะไปตามสายไฟและให้กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจริงถูกสร้างขึ้นภายในนาโนบอต

โซลูชันพลังงานภายนอกอื่นๆ ได้แก่ สนามแม่เหล็กหรือสัญญาณอัลตราโซนิก นาโนบอตสามารถใช้สิ่งที่เรียกว่าเมมเบรนเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งสามารถรวบรวมคลื่นอัลตราโซนิกและเปลี่ยนให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ สามารถใช้สนามแม่เหล็กเพื่อกระตุ้นกระแสไฟฟ้าภายในวงจรตัวนำแบบปิดที่อยู่บนนาโนบอตได้ นอกจากนี้ ยังสามารถใช้สนามแม่เหล็กเพื่อควบคุมทิศทางของนาโนบอตได้อีกด้วย

การเคลื่อนที่

แก้ปัญหาของ การเคลื่อนที่ของนาโนบอท ต้องการวิธีแก้ปัญหาที่สร้างสรรค์ นาโนบอตที่ไม่ได้เชื่อมต่อหรือไม่ได้ลอยอย่างอิสระในสภาพแวดล้อมของพวกมัน จำเป็นต้องมีวิธีการบางอย่างในการเคลื่อนย้ายไปยังตำแหน่งเป้าหมาย ระบบขับเคลื่อนจะต้องทรงพลังและเสถียร จึงสามารถขับเคลื่อนนาโนบอตต้านกระแสในสภาพแวดล้อมโดยรอบ เช่น การไหลเวียนของเลือด โซลูชันการขับเคลื่อนภายใต้การตรวจสอบมักได้รับแรงบันดาลใจจากโลกธรรมชาติ โดยนักวิจัยกำลังมองหาว่าสิ่งมีชีวิตด้วยกล้องจุลทรรศน์เคลื่อนที่ผ่านสภาพแวดล้อมของพวกมันอย่างไร ตัวอย่างเช่น จุลินทรีย์มักใช้หางยาวคล้ายแส้ที่เรียกว่าแฟลกเจลลาเพื่อขับเคลื่อนตัวเอง หรือพวกมันใช้แขนขาเล็กๆ คล้ายขนที่เรียกว่า cilia

นักวิจัยยังทดลองให้หุ่นยนต์มีขนาดเล็ก อวัยวะที่เหมือนแขน ที่สามารถทำให้หุ่นยนต์ว่ายน้ำ จับ และคลานได้ ปัจจุบัน ส่วนต่อท้ายเหล่านี้ถูกควบคุมผ่านสนามแม่เหล็กภายนอกร่างกาย เนื่องจากแรงแม่เหล็กกระตุ้นให้แขนของหุ่นยนต์สั่น ประโยชน์เพิ่มเติมของวิธีการเคลื่อนที่นี้คือพลังงานที่มาจากแหล่งภายนอก เทคโนโลยีนี้จำเป็นต้องทำให้เล็กลงเพื่อให้นาโนบอททำงานจริงได้

มีกลยุทธ์ขับเคลื่อนอื่น ๆ ที่สร้างสรรค์กว่าและอยู่ภายใต้การตรวจสอบเช่นกัน ตัวอย่างเช่น นักวิจัยบางคนเสนอให้ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อออกแบบปั๊มแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะดึงของไหลที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเข้าและยิงออก เหมือนเครื่องบินเจ็ทขับเคลื่อนนาโนบอทไปข้างหน้า

โดยไม่คำนึงถึงการประยุกต์ใช้นาโนบอตในท้ายที่สุด พวกเขาจะต้องแก้ปัญหาที่อธิบายไว้ข้างต้น จัดการการนำทาง การเคลื่อนที่ และพลังงาน

Nanobots ใช้ทำอะไร?

การใช้งานครั้งแรกสำหรับนาโนบอต คงจะเข้า ด้านการแพทย์. สามารถใช้นาโนบอทเพื่อตรวจสอบความเสียหายของร่างกาย และอาจช่วยอำนวยความสะดวกในการซ่อมแซมความเสียหายนี้ นาโนบอตในอนาคตสามารถส่งยาไปยังเซลล์ที่ต้องการได้โดยตรง ในปัจจุบัน ยาจะถูกส่งเข้าทางปากหรือทางเส้นเลือดและจะกระจายไปทั่วร่างกายแทนที่จะไปโดนเฉพาะบริเวณเป้าหมาย ทำให้เกิดผลข้างเคียง สามารถใช้นาโนบอตที่ติดตั้งเซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในบริเวณของเซลล์ได้อย่างง่ายดาย โดยรายงานการเปลี่ยนแปลงที่สัญญาณแรกของความเสียหายหรือความผิดปกติ

เรายังห่างไกลจากแอปพลิเคชันสมมุติเหล่านี้ แต่มีความคืบหน้าตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น ในปี 2017 นักวิทยาศาสตร์ สร้างนาโนบอตที่กำหนดเป้าหมายเซลล์มะเร็ง และโจมตีพวกมันด้วยสว่านขนาดเล็กจนพวกมันตาย ในปีนี้ กลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย ITMO ได้ออกแบบนาโนบอทที่ประกอบด้วยชิ้นส่วน DNA ที่สามารถทำลายสาย RNA ที่ก่อโรคได้ นาโนบอทที่ใช้ DNA เป็นหลักยังสามารถขนส่งสินค้าโมเลกุลได้อีกด้วย นาโนบอทประกอบด้วยส่วน DNA สามส่วนที่แตกต่างกัน โดยเคลื่อนที่ด้วย "ขา" ของ DNA และขนโมเลกุลเฉพาะโดยใช้ "แขน"

นอกเหนือจากการใช้งานทางการแพทย์แล้ว ยังมีการวิจัยเกี่ยวกับการใช้นาโนบอตเพื่อจุดประสงค์ในการทำความสะอาดและฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม อาจใช้ Nanobots เพื่อกำจัด โลหะหนักที่เป็นพิษ และ พลาสติก จากแหล่งน้ำ นาโนบอตสามารถบรรทุกสารประกอบที่ทำให้สารพิษเฉื่อยเมื่อรวมกัน หรืออาจใช้เพื่อย่อยสลายขยะพลาสติกด้วยกระบวนการที่คล้ายคลึงกัน การวิจัยยังดำเนินการเกี่ยวกับการใช้นาโนบอตเพื่ออำนวยความสะดวกในการผลิตชิปและโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กมาก โดยพื้นฐานแล้วใช้นาโนบอตเพื่อผลิตวงจรคอมพิวเตอร์ระดับไมโคร