Що таке наноботи? Поняття структури, принципу дії та використання наноботів

Як технології розвиваються, речі не завжди стають більші та кращими, об’єкти також стають меншими. Насправді, нанотехнології є однією з найшвидше зростаючих технологічних галузей, вартість якої перевищує 1 трильйон доларів США, і передбачається, що вона зросте приблизно на 17% протягом наступних п’яти років. Наноботи є важливою частиною галузі нанотехнологій, але що саме вони таке і як вони працюють? Давайте ближче розглянемо наноботи, щоб зрозуміти, як ця трансформаційна технологія працює і для чого вона використовується.

Що таке наноботи?

Галузь нанотехнологій займається дослідженням і розробкою технологій, які приблизно становлять один-сто нанометрів у масштабі. Отже, наноробототехніка зосереджена на створенні роботів, які мають приблизно такий же розмір. На практиці важко розробити щось настільки маленьке, як один нанометр у масштабі, і термін “наноробототехніка” і “нанобот” часто застосовується до пристроїв, які приблизно становлять 0,1-10 мікрометрів у розмірі, що все ще досить маленький.

Важливо відзначити, що термін “наноробот” іноді застосовується до пристроїв, які взаємодіють з об’єктами у наномасштабі, маніпулюючи нанорозмірними об’єктами. Отже, навіть якщо сам пристрій значно більший, він може бути розглянутий як нанороботичний інструмент. Ця стаття буде зосереджена на самих нанорозмірних роботах.

Більша частина галузі наноробототехніки і наноботів все ще перебуває на теоретичній стадії, з дослідженнями, спрямованими на вирішення проблем конструкції на такому маленькому масштабі. Однак деякі прототипи наномашин і наномоторів були розроблені та протестовані.

Більшість існуючих нанороботичних пристроїв належать до однієї з чотирьох категорій: перемикачі, мотори, шаттли і автомобілі.

Нанороботичні перемикачі працюють шляхом перемикання з “вимкнено” у “увімкнено” стан. Фактори навколишнього середовища використовуються для зміни форми машини, процес, який називається конформаційною зміною. Навколишнє середовище змінюється за допомогою процесів, таких як хімічні реакції, ультрафіолетове світло та температура, і нанороботичні перемикачі переходять у різні форми в результаті,能够 виконувати конкретні завдання.

Наномотори складніші, ніж прості перемикачі, і вони використовують енергію, створену ефектами конформаційної зміни, щоб рухатися і впливати на молекули в навколишньому середовищі.

Шаттли – це наноботи, які здатні транспортувати хімічні речовини, такі як лікарські засоби, до конкретних, цілевих регіонів. Метою є поєднання шаттлів з нанороботними моторами, щоб шаттлі могли рухатися через середовище.

Нанороботичні “автомобілі” є найбільш просунутими нанопристроями на даний момент, здатними рухатися самостійно з сигналами від хімічних або електромагнітних каталізаторів. Наномотори, які рухають нанороботичні автомобілі, потребують контролю, щоб керувати транспортним засобом, і дослідники експериментують з різними методами контролю нанороботів.

Дослідники наноробототехніки намагаються синтезувати ці різні компоненти і технології у наномашини, які можуть виконувати складні завдання, виконані роями наноботів, які працюють разом.

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

Як створюються наноботи?

Галузь наноробототехніки перебуває на перетині багатьох дисциплін, і створення наноботів включає створення сенсорів, актіваторів і моторів. Фізична модель повинна бути створена, і все це повинно бути зроблено у наномасштабі. Як згадувалося вище, наноманіпуляційні пристрої використовуються для збірки цих нанорозмірних частин і маніпулювання штучними або біологічними компонентами, включаючи маніпулювання клітинами і молекулами.

Інженери наноробототехніки повинні бути здатні вирішувати безліч проблем. їм потрібно вирішувати питання щодо відчуття, контролю, потужності, зв’язку та взаємодії між неорганічними і органічними матеріалами.

Розмір нанобота приблизно порівнянний з біологічними клітинами, і через цю особливість майбутні наноботи можуть бути використані у галузях, таких як медицина та охорона навколишнього середовища. Більшість “наноботів”, які існують сьогодні, просто конкретні молекули, які були маніпульовані для виконання певних завдань.

Складні наноботи є просто простими молекулами, з’єднаними разом і маніпульованими за допомогою хімічних процесів. Наприклад, деякі наноботи складаються з ДНК, і вони переносять молекулярний вантаж.

Як працюють наноботи?

Ураховуючи ще досить теоретичний характер наноботів, питання про те, як працюють наноботи, відповідаються прогнозами, а не твердженнями факту. Ймовірно, що перші великі застосування наноботів будуть у медичній галузі, рухаючись через людське тіло і виконуючи завдання, такі як діагностика захворювань, моніторинг життєво важливих функцій та видача лікування. Цим наноботам потрібно буде бути здатними орієнтуватися у людському тілі і рухатися через тканини, такі як кровоносні судини.

Навігація

Відносно навігації наноботів, існує ряд методів, які дослідники наноботів і інженери вивчають. Одним із методів навігації є використання ультразвукових сигналів для виявлення і розгортання. Нанобот міг би випромінювати ультразвукові сигнали, які могли б бути відстежені для визначення положення наноботів, і потім наноботи могли б бути спрямовані до конкретних областей за допомогою спеціального інструменту, який керує їх рухом. Пристрої магнітно-резонансної томографії (МРТ) також могли б бути використані для відстеження положення наноботів, і ранні експерименти з МРТ продемонстрували, що ця технологія може бути використана для виявлення і навіть керування наноботами. Інші методи виявлення і керування наноботами включають використання рентгенівських променів, мікрохвиль і радіохвиль. На даний момент наш контроль над цими хвилями у наномасштабі досить обмежений, тому потрібно винайти нові методи використання цих хвиль.

Системи навігації і виявлення, описані вище, є зовнішніми методами, які залежать від використання інструментів для руху наноботів. З додаванням бортових сенсорів наноботи могли б бути більш автономними. Наприклад, хімічні сенсори на борту наноботів могли б дозволити роботам сканувати навколишнє середовище і слідувати певним хімічним маркерам до цілі.

Потужність

Відносно потужності наноботів, існує ряд рішень, які дослідники вивчають. Рішення для потужності наноботів включають зовнішні джерела потужності і бортові/внутрішні джерела потужності.

Внутрішні джерела потужності включають генератори і конденсатори. Генератори на борту нанобота могли б використовувати електроліти, знайдені в крові, для виробництва енергії, або наноботи могли б бути сприйняті за допомогою навколишньої крові як хімічний каталізатор, який виробляє енергію, коли поєднується з хімічною речовиною, яку нанобот несе з собою. Конденсатори працюють подібно до батарей, зберігаючи електричну енергію, яка могла б бути використана для руху нанобота. Інші варіанти, такі як мініатюрні ядерні джерела потужності, навіть були розглянуті.

Відносно зовнішніх джерел потужності, надзвичайно тонкі, тонкі дроти могли б з’єднати наноботи з зовнішнім джерелом потужності. Такі дроти могли б бути зроблені з мініатюрних волоконно-оптичних кабелів, передаючи імпульси світла вниз по дротам, і фактична електрична енергія могла б бути згенерована всередині нанобота.

Інші зовнішні джерела потужності включають магнітні поля або ультразвукові сигнали. Наноботи могли б використовувати так звану п’єзоелектричну мембрану, яка здатна зібрати ультразвукові хвилі і перетворити їх на електричну потужність. Магнітні поля могли б бути використані для каталізу електричних струмів всередині закритого провідного контуру, розташованого на борту нанобота. Як бонус, магнітне поле також могло б бути використано для контролю напрямку нанобота.

Рух

Відносно проблеми руху наноботів, потрібно деякі винахідливі рішення. Наноботи, які не прикріплені або не просто плаваючі у середовищі, потребують деякого методу руху до своїх цілевих місць. Система руху повинна бути потужною і стабільною, здатною рухати нанобот проти потоків у навколишньому середовищі, таких як потік крові. Рішення для руху, які зараз вивчаються, часто надихаються природним світом, коли дослідники розглядають, як мікроскопічні організми рухаються через своє середовище. Наприклад, мікроорганізми часто використовують довгі, батогоподібні хвости, звані джгутиками, для руху, або вони використовують безліч дрібних, волосоподібних кінцівок, званих війками.

Дослідники також експериментують з наданням роботам малих рукоподібних придатків, які могли б дозволити роботам плавати, чіплятися і повзати. На даний момент ці придатки контролюються за допомогою магнітних полів зовні тіла, оскільки магнітна сила спонукає руки робота вібрувати. Додаткова перевага цього методу руху полягає в тому, що енергія для цього надходить з зовнішнього джерела. Ця технологія повинна бути зроблена ще меншою, щоб зробити її життєздатною для справжніх наноботів.

Є інші, більш винахідливі, стратегії руху, які також вивчаються. Наприклад, деякі дослідники запропонували використовувати конденсатори для розробки електромагнітного насоса, який би витягував провідні рідини і виштовхував їх як реактивний струмінь, рухаючи нанобот вперед.

Незалежно від майбутнього застосування наноботів, їм потрібно буде вирішити описані вище проблеми, пов’язані з навігацією, рухом і потужністю.

Для чого використовуються наноботи?

Як згадувалося раніше, перші застосування наноботів, ймовірно, будуть у медичній галузі. Наноботи могли б бути використані для моніторингу пошкоджень тіла і потенційно навіть для поліпшення цього пошкодження. Будучі наноботи могли б доставляти лікарські засоби безпосередньо до клітин, яким вони потрібні. На даний момент лікарські засоби доставляються перорально або внутрішньовенно і поширюються по всьому тілу, а не тільки до цілевих областей, викликаючи побічні ефекти. Наноботи, оснащені сенсорами, могли б легко бути використані для моніторингу змін у регіонах клітин, повідомляючи про зміни при першому ознаку пошкодження або порушення.

Ми все ще далеко від цих гіпотетичних застосунків, але прогрес відбувається постійно. Наприклад, у 2017 році вчені створили наноботи, які націлювалися на ракові клітини і атакували їх мініатюрним буром, вбиваючи їх. Цього року група дослідників з університету ІТМО розробила нанобот, складений з фрагментів ДНК, здатний знищувати патогенічні РНК-ланцюги. Наноботи на основі ДНК також зараз здатні транспортувати молекулярний вантаж. Нанобот складається з трьох різних секцій ДНК, маневруючи за допомогою “ноги” ДНК і несучи конкретні молекули за допомогою “руки”.

Поза медичними застосуваннями дослідження проводяться щодо використання наноботів для цілей очистки навколишнього середовища та відновлення. Наноботи могли б потенційно бути використані для видалення токсичних важких металів і пластикових відходів з водойм. Наноботи могли б нести сполуки, які робили б токсичні речовини неактивними при поєднанні, або вони могли б бути використані для розкладу пластикових відходів за допомогою подібних процесів. Дослідження також проводяться щодо використання наноботів для поліпшення виробництва надзвичайно малих комп’ютерних чипів і процесорів, фактично використовуючи наноботи для виробництва мікромасштабних комп’ютерних схем.