Що таке наноботи? Розуміння структури, роботи та використання нанобота

З розвитком технологій речі не завжди стають більшими та кращими, об’єкти також стають меншими. Насправді нанотехнології є однією з найбільш швидкозростаючих технологічних галузей, вартістю понад 1 трильйон доларів США, і, за прогнозами, вона зросте приблизно на 17% протягом наступних півдесяти років. Наноботи є основною частиною галузі нанотехнологій, але що це таке і як вони працюють? Давайте ближче розглянемо наноботів, щоб зрозуміти, як працює ця трансформаційна технологія та для чого вона використовується.

Що таке наноботи?

Галузь нанотехнологій пов’язана з дослідженнями та розробкою технологій приблизно від одного до 100 нанометрів у масштабі. Тому наноробототехніка зосереджена на створенні роботів приблизно такого розміру. На практиці важко сконструювати щось таке маленьке, як один нанометр, і терміни «нанороботи» та «нанобот» часто використовуються прикладної до пристроїв розміром приблизно 0.1–10 мікрометрів, що все ще досить мало.

Важливо зазначити, що термін «наноробот» іноді застосовують до пристроїв, які взаємодіють з об’єктами на нанорозмірі, маніпулюючи нанорозмірними об’єктами. Тому, навіть якщо сам пристрій набагато більший, його можна вважати нанороботом. Ця стаття буде зосереджена на самих нанорозмірних роботах.

Значна частина галузі наноробототехніки та наноботів все ще перебуває на теоретичній фазі, а дослідження зосереджені на вирішенні проблем будівництва в такому малому масштабі. Проте деякі прототипи наномашин і наномоторів були розроблені та випробувані.

Більшість існуючих на даний момент нанороботів відноситься до одна з чотирьох категорій: вимикачі, мотори, човники та автомобілі.

Нанороботизовані перемикачі працюють, отримавши запит на перемикання зі стану «вимкнено» у стан «увімкнено». Фактори навколишнього середовища використовуються, щоб змусити машину змінити форму, цей процес називається конформаційною зміною. Навколишнє середовище змінюється за допомогою таких процесів, як хімічні реакції, ультрафіолетове світло та температура, і в результаті нанороботи перемикаються в різні форми, здатні виконувати певні завдання.

Наномотори є складнішими, ніж прості перемикачі, і вони використовують енергію, створювану ефектами конформаційних змін, щоб рухатися та впливати на молекули в навколишньому середовищі.

Шатли — це нанороботи, які здатні транспортувати хімічні речовини, такі як наркотики, у певні цільові регіони. Мета полягає в тому, щоб поєднати човники з двигунами нанороботів, щоб човники були здатні до більшої міри переміщення в навколишньому середовищі.

Нанороботи «автомобілі» — це найдосконаліші нанопристрої на даний момент, здатні рухатися самостійно за підказками хімічних або електромагнітних каталізаторів. Наномотори, які приводять у рух нанороботи, потребують керування, щоб керувати транспортним засобом, і дослідники експериментують із різними методами керування нанороботами.

Дослідники нанороботів прагнуть синтезувати ці різні компоненти та технології в наномашини, які можуть виконувати складні завдання, що виконуються групою наноботів, що працюють разом.

Фото: Фото: «Порівняння розмірів наноматеріалів з розмірами інших поширених матеріалів». Sureshup або Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Як створюють наноботів?

Область наноробототехніки знаходиться на перехресті багатьох дисциплін, і створення наноботів передбачає створення датчиків, приводів і двигунів. Фізичне моделювання також має бути зроблено, і все це має бути зроблено в нанорозмірі. Як згадувалося вище, наноманіпуляційні пристрої використовуються для збирання цих нанорозмірних частин і маніпулювання штучними або біологічними компонентами, що включає маніпулювання клітинами та молекулами.

Інженери-нанороботи повинні вміти вирішувати безліч проблем. Їм доводиться вирішувати проблеми, пов’язані з відчуттями, силою керування, комунікаціями та взаємодією між неорганічними та органічними матеріалами.

Розміри нанороботів приблизно такі ж, як і біологічні клітини, і завдяки цьому майбутні наноботів можна буде використовувати в таких галузях, як медицина та охорона/відновлення навколишнього середовища. Більшість «наноботів», які існують сьогодні, — це лише конкретні молекули, якими маніпулювали для виконання певних завдань. 

Складні наноботи — це, по суті, прості молекули, з’єднані разом і керовані хімічними процесами. Наприклад, деякі наноботи складається з ДНК, І вони транспортувати молекулярний вантаж.

Як працюють наноботи?

Враховуючи те, що наноботи все ще переважно теоретичні, на питання про те, як працюють наноботи, відповідають прогнози, а не констатації фактів. Цілком імовірно, що першими великими застосуваннями нанороботи будуть у сфері медицини, переміщаючись по людському тілу та виконуючи такі завдання, як діагностика захворювань, моніторинг життєво важливих функцій і призначення лікування. Ці наноботи повинні мати можливість орієнтуватися в людському тілі та рухатися крізь тканини, такі як кровоносні судини.

навігація

З точки зору навігації наноботів, дослідники та інженери наноботів досліджують різноманітні методики. Одним із методів навігації є використання ультразвукових сигналів для виявлення та розгортання. Нанобот може випромінювати ультразвукові сигнали, які можна простежити, щоб визначити місцезнаходження наноботів, а потім роботів можна буде направляти в певні області за допомогою спеціального інструменту, який керує їхнім рухом. Пристрої магнітно-резонансної томографії (МРТ) також можна використовувати для відстеження положення наноботів, і ранні експерименти з МРТ продемонстрували, що цю технологію можна використовувати для виявлення та навіть маневрування наноботів. Інші методи виявлення та маневрування наноботів включають використання рентгенівських променів, мікрохвиль та радіохвиль. На даний момент наш контроль над цими хвилями в нанорозмірі досить обмежений, тому потрібно буде винайти нові методи використання цих хвиль.

Системи навігації та виявлення, описані вище, є зовнішніми методами, які покладаються на використання інструментів для переміщення наноботів. З додаванням вбудованих датчиків наноботи можуть бути більш автономними. Наприклад, хімічні датчики, включені до бортових наноботів, можуть дозволити роботу сканувати навколишнє середовище та стежити за певними хімічними маркерами до цільової області.

Power

Що стосується живлення наноботів, їх також багато енергетичні рішення, які досліджують дослідники. Рішення для живлення наноботів включають зовнішні джерела живлення та бортові/внутрішні джерела живлення.

Рішення для внутрішнього живлення включають генератори та конденсатори. Генератори на борту нанобота можуть використовувати електроліти, що містяться в крові, для виробництва енергії, або наноботів навіть можна живити, використовуючи навколишню кров як хімічний каталізатор, який виробляє енергію в поєднанні з хімічною речовиною, яку нанобот несе з собою. Конденсатори працюють так само, як батареї, накопичуючи електричну енергію, яку можна використовувати для руху нанобота. Розглядалися навіть інші варіанти, такі як крихітні ядерні джерела енергії.

Що стосується зовнішніх джерел живлення, неймовірно маленькі тонкі дроти можуть прив’язати наноботів до зовнішнього джерела живлення. Такі дроти можуть бути зроблені з мініатюрних волоконно-оптичних кабелів, надсилаючи імпульси світла вниз по дротах і створюючи справжню електроенергію всередині нанобота.

Інші рішення зовнішнього живлення включають магнітні поля або ультразвукові сигнали. Наноботи можуть використовувати так звану п’єзоелектричну мембрану, яка здатна збирати ультразвукові хвилі та перетворювати їх на електричну енергію. Магнітні поля можна використовувати для каталізації електричних струмів у замкнутому провідному контурі, який міститься на борту нанобота. Як бонус, магнітне поле також можна використовувати для керування напрямком руху нанобота.

Locomotion

Вирішуючи проблему пересування наноботів вимагає деяких винахідницьких рішень. Нанороботи, які не прив’язані або не просто вільно плавають у своєму середовищі, повинні мати певний спосіб переміщення до своїх цільових місць. Система руху має бути потужною та стабільною, здатною рухати нанобота проти течій у навколишньому середовищі, як потік крові. Досліджувані рухові рішення часто надихаються природним світом, коли дослідники дивляться на те, як під мікроскопом організми рухаються в навколишньому середовищі. Наприклад, мікроорганізми часто використовують для руху довгі, схожі на батіг хвости, які називаються джгутиками, або вони використовують низку крихітних кінцівок, схожих на волосся, які називаються віями.

Дослідники також експериментують з тим, щоб зробити роботів маленькими рукоподібні придатки які могли б дозволити роботу плавати, хапатися та повзати. Зараз ці придатки контролюються за допомогою магнітних полів поза тілом, оскільки магнітна сила спонукає руки робота вібрувати. Додатковою перевагою цього методу пересування є те, що енергія для нього надходить із зовнішнього джерела. Цю технологію потрібно було б зробити ще меншою, щоб зробити її життєздатною для справжніх наноботів.

Також досліджуються й інші, більш винахідливі стратегії руху. Наприклад, деякі дослідники запропонували використовувати конденсатори для створення електромагнітного насоса, який би втягував провідну рідину та викидав її як струмінь, рухаючи нанобота вперед.

Незалежно від можливого застосування наноботів, вони повинні вирішувати проблеми, описані вище, керуючи навігацією, пересуванням і потужністю.

Для чого використовуються наноботи?

Як згадувалося, перше застосування для наноботів ймовірно буде в медична сфера. Наноботів можна використовувати для спостереження за пошкодженням тіла та, можливо, навіть для полегшення відновлення цих пошкоджень. Майбутні наноботи зможуть доставляти ліки безпосередньо до клітин, які їх потребують. В даний час ліки доставляються перорально або внутрішньовенно, і вони поширюються по всьому тілу, а не вражають лише цільові області, викликаючи побічні ефекти. Наноботів, оснащених датчиками, можна легко використовувати для моніторингу змін в областях клітин, повідомляючи про зміни при перших ознаках пошкодження або несправності.

Ми ще дуже далекі від цих гіпотетичних застосувань, але прогрес спостерігається весь час. Як приклад, у 2017 р. вчені створив наноботів, які націлені на ракові клітини і напав на них за допомогою мініатюрної дрилі, убивши їх. Цього року група дослідників з Університету ІТМО розробила нанобота, що складається з фрагментів ДНК, здатні руйнувати патогенні нитки РНК. Наноботи на основі ДНК також здатні транспортувати молекулярний вантаж. Нанобот складається з трьох різних секцій ДНК, маневруючи за допомогою «ноги» ДНК і переносячи певні молекули за допомогою «руки».

Окрім медичних застосувань, проводяться дослідження щодо використання наноботів для очищення та відновлення навколишнього середовища. Наноботів потенційно можна використовувати для видалення токсичні важкі метали та пластики від водойм. Наноботи можуть переносити сполуки, які роблять токсичні речовини інертними, якщо їх поєднати разом, або їх можна використовувати для розкладання пластикових відходів за допомогою подібних процесів. Також проводяться дослідження щодо використання наноботів для полегшення виробництва надзвичайно малих комп’ютерних чіпів і процесорів, по суті, з використанням наноботів для виробництва мікророзмірних комп’ютерних схем.