นาโนบอทคืออะไร? ความเข้าใจโครงสร้าง การทำงาน และการใช้งานของนาโนบอท

เมื่อเทคโนโลยีปรับปรุงอยู่เสมอ สิ่งต่างๆ ไม่ได้ใหญ่ขึ้นหรือดีขึ้นเสมอไป แต่สิ่งของก็เล็กขึ้นจริงๆ นาโนเทคโนโลยีเป็นหนึ่งในสาขาที่เติบโตเร็วที่สุด มีมูลค่ามากกว่า 1 ล้านล้านดอลลาร์สหรัฐฯ และคาดว่าจะเติบโตประมาณ 17% ในช่วงครึ่ง thập kỷหน้า นาโนบอทเป็นส่วนสำคัญของสาขานาโนเทคโนโลยี แต่พวกมันคืออะไรและทำงานอย่างไร มาทำความเข้าใจเกี่ยวกับนาโนบอทและเทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลงโลกนี้กัน

นาโนบอทคืออะไร?

สาขานาโนเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับการวิจัยและพัฒนเทคโนโลยีที่มีขนาดประมาณ 1-100 นาโนเมตร ดังนั้น นาโนโรบอทจึงมุ่งเน้นในการสร้างหุ่นยนต์ที่มีขนาดเล็กเช่นนี้ ในทางปฏิบัติ การออกแบบสิ่งที่เล็กขนาด 1 นาโนเมตรเป็นเรื่องที่ยาก และคำว่า “นาโนโรบอท” และ “นาโนบอท” มักถูกใช้กับอุปกรณ์ที่มีขนาดประมาณ 0.1-10 ไมโครเมตร ซึ่งยังคงเล็กมาก

ควรทราบว่าคำว่า “นาโนโรบอท” บางครั้งถูกใช้กับอุปกรณ์ที่โต้ตอบกับวัตถุในระดับนาโน และจัดการวัตถุในระดับนาโน ดังนั้น แม้ว่าอุปกรณ์เองจะใหญ่กว่า แต่ก็อาจถือเป็นอุปกรณ์นาโนโรบอทได้ บทความนี้จะเน้นไปที่หุ่นยนต์ขนาดนาโนเอง

ส่วนใหญ่ของสาขานาโนโรบอทและนาโนบอทยังคงอยู่ในระยะที่เป็นทฤษฎี โดยมีการวิจัยที่มุ่งแก้ปัญหาในการสร้างสิ่งที่มีขนาดเล็กมาก แต่บางตัวอย่างของนาโนแมชชีนและนาโนมอเตอร์ได้ถูกออกแบบและทดสอบแล้ว

อุปกรณ์นาโนโรบอทส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถแบ่งออกเป็น 4 ประเภท: สวิตช์, มอเตอร์, ชัทเทิล และรถยนต์

สวิตช์นาโนโรบอททำงานโดยเปลี่ยนจากสถานะ “ปิด” เป็น “เปิด” โดยใช้ปัจจัยสิ่งแวดล้อมเพื่อทำให้เครื่องเปลี่ยนรูป ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการเปลี่ยนรูปแบบคอนฟอร์เมชัน สิ่งแวดล้อมถูกเปลี่ยนแปลงโดยใช้กระบวนการ เช่น ปฏิกิริยาเคมี, แสงอัลตราไวโอเลต และอุณหภูมิ และสวิตช์นาโนโรบอทเปลี่ยนรูปเพื่อทำงานเฉพาะ

นาโนมอเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่าสวิตช์ และใช้พลังงานที่เกิดจากผลกระทบของการเปลี่ยนรูปเพื่อเคลื่อนที่และ影響โมเลกุลในบริเวณโดยรอบ

ชัทเทิลเป็นนาโนบอทที่สามารถขนส่งสารเคมี เช่น ยา ไปยังพื้นที่เป้าหมายได้ เป้าหมายคือการรวมชัทเทิลกับนาโนมอเตอร์เพื่อให้สามารถเคลื่อนที่ได้มากขึ้น

รถยนต์นาโนโรบอทเป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมากที่สุดในปัจจุบัน สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยการกระตุ้นจากตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีหรือแม่เหล็กไฟฟ้า นาโนมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนรถยนต์นาโนโรบอทต้องถูกควบคุมเพื่อให้สามารถควบคุมทิศทางของรถยนต์ได้ และนักวิจัยกำลังทดลองวิธีการควบคุมนาโนโรบอทต่างๆ

นักวิจัยนาโนโรบอทมุ่งหวังที่จะสังเคราะห์องค์ประกอบและเทคโนโลยีต่างๆ เพื่อสร้างนาโนแมชชีที่สามารถทำงานที่ซับซ้อนได้ โดยการทำงานร่วมกันของนาโนบอทหลายตัว

ภาพ: “การเปรียบเทียบขนาดของวัสดุนาโนกับวัสดุอื่นๆ” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

นาโนบอทถูกสร้างขึ้นอย่างไร?

สาขานาโนโรบอทอยู่ที่จุดตัดของหลายสาขา และการสร้างนาโนบอทต้องใช้การสร้างเซ็นเซอร์, แอคชูเอเตอร์ และมอเตอร์ การสร้างแบบจำลองทางกายภาพต้องทำ และทุกสิ่งที่ต้องทำที่ระดับนาโน นาโนแมนิปูเลชันเครื่องมือถูกใช้ในการประกอบส่วนประกอบระดับนาโนและจัดการส่วนประกอบเทียมหรือชีวภาพ ซึ่งรวมถึงการดัดแปลงเซลล์และโมเลกุล

วิศวกรนาโนโรบอทต้องสามารถแก้ปัญหาหลายอย่างได้ พวกเขาต้องแก้ไขปัญหาเกี่ยวกับการรับรู้, การควบคุม, พลังงาน, และการโต้ตอบระหว่างวัสดุอินทรีย์และไม่อินทรีย์

ขนาดของนาโนบอทมีขนาดใกล้เคียงกับเซลล์ทางชีวภาพ และเนื่องจากสิ่งนี้ นาโนบอทในอนาคตอาจถูกใช้ในสาขาต่างๆ เช่น การแพทย์และการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม/การฟื้นฟูสภาพ

นาโนบอทที่มีอยู่ในปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นเพียงโมเลกุลที่ถูกดัดแปลงเพื่อทำงานเฉพาะ

นาโนบอททำงานอย่างไร?

เนื่องจากสภาพที่ยังคงเป็นทฤษฎีของนาโนบอท คำถามเกี่ยวกับวิธีการทำงานของนาโนบอทถูกตอบด้วยการคาดการณ์มากกว่าข้อเท็จจริง มันคาดว่าการใช้งานแรกของนาโนบอทจะอยู่ในสาขาการแพทย์ โดยเคลื่อนที่ผ่านร่างกายและทำงาน เช่น การวินิจฉัยโรค, การติดตามสภาพร่างกาย, และการให้การรักษา นาโนบอทเหล่านี้ต้องสามารถนำทางตนเองผ่านร่างกายและเคลื่อนที่ผ่านเนื้อเยื่อ เช่น หลอดเลือด

การนำทาง

ในเรื่องของการนำทางนาโนบอท มีเทคนิคหลายอย่างที่นักวิจัยและวิศวกรกำลังศึกษาอยู่ วิธีการนำทางหนึ่งคือการใช้สัญญาณอัลตราโซนิกเพื่อตรวจจับและนำทาง นาโนบอทสามารถส่งสัญญาณอัลตราโซนิกที่สามารถติดตามตำแหน่งของนาโนบอท และจากนั้นสามารถนำทางไปสู่พื้นที่เป้าหมายโดยใช้เครื่องมือพิเศษที่ควบคุมการเคลื่อนที่

นักวิจัยยังทดลองการใช้เครื่องมืออื่นๆ เช่น การใช้แม่เหล็กไฟฟ้าหรือรังสีเอกซ์ในการตรวจจับและควบคุมนาโนบอท

พลังงาน

ในเรื่องของพลังงานที่ใช้ในการทำงานของนาโนบอท มีหลายวิธีที่นักวิจัยกำลังศึกษาอยู่ วิธีการหนึ่งคือการใช้พลังงานจากภายนอก เช่น การใช้สายไฟที่บางมากเพื่อนำพลังงานจากแหล่งภายนอก

วิธีการอื่นๆ คือการใช้พลังงานจากภายใน เช่น การใช้เจเนอเรเตอร์หรือแคปาซิเตอร์บนナノบอท

การเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่ของนาโนบอทต้องใช้การคิดค้นวิธีการเคลื่อนที่ที่มีประสิทธิภาพ นาโนบอทที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานภายนอกหรือไม่ได้ลอยอยู่ในบริเวณโดยรอบต้องมีวิธีการเคลื่อนที่เพื่อไปสู่ตำแหน่งเป้าหมาย

นักวิจัยกำลังทดลองการใช้เครื่องมือต่างๆ เช่น การใช้แขนยืดหรือการเคลื่อนที่แบบ “ว่ายน้ำ” เพื่อให้ナノボットสามารถเคลื่อนที่ได้

นาโนบอทถูกใช้เพื่ออะไร?

ตามที่กล่าวไว้ การใช้งานแรกของนาโนบอทจะอยู่ในสาขาการแพทย์ นาโนบอทสามารถใช้ในการติดตามสภาพร่างกายและอาจช่วยในการซ่อมแซมความเสียหาย นาโนบอทสามารถส่งยาที่มีเป้าหมายโดยตรงไปยังเซลล์ที่ต้องการได้

เรายังคงอยู่ห่างจากการประยุกต์ใช้เหล่านี้ แต่ความก้าวหน้ากำลังเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่น ในปี 2017 นักวิจัยได้สร้างนาโนบอทที่สามารถโจมตีเซลล์มะเร็งได้

นอกเหนือจากสาขาการแพทย์แล้ว การวิจัยกำลังดำเนินอยู่เกี่ยวกับการใช้นาโนบอทเพื่อการฟื้นฟูสภาพสิ่งแวดล้อม นาโนบอทสามารถใช้ในการกำจัดสารพิษและพลาสติกจากแหล่งน้ำได้