Що таке Наноботи? Поняття про структуру нанобота, принцип роботи та застосування

По мірі розвитку технологій, речі не завжди стають більші та кращі, об’єкти також можуть ставати меншими. Насправді, нанотехнології є однією з найшвидше зростаючих технологічних галузей, вартість якої перевищує 1 трильйон доларів США, і передбачається, що вона зростатиме 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 приблизно від одного до 100 нанометрів у масштабі. Тому наноробототехніка зосереджена на створенні роботів, які мають приблизно такий же розмір. На практиці складно розробити щось таке маленьке, як один нанометр у масштабі, і термін “наноробототехніка” і “нанобот” часто застосовується до пристроїв, які мають розмір приблизно від 0,1 до 10 мікрометрів, що все одно досить маленький розмір.

Важливо відзначити, що термін “наноробот” іноді застосовується до пристроїв, які взаємодіють з об’єктами на нанорозмірі, маніпулюючи нанорозмірними предметами. Тому навіть якщо сам пристрій значно більший, його можна вважати наноробототехнічним інструментом. Ця стаття буде зосереджена на самих нанорозмірних роботах.

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

Більшість існуючих наноробототехнічних пристроїв належить до одної з чотирьох категорій: перемикачі, мотори, шаттли і автомобілі.

Наноробототехнічні перемикачі працюють шляхом перемикання з “вимкненої” стану в “увімкнений” стан. Використовуються фактори довкілля для зміни форми машини, процес, який називається конформаційною зміною. Довкілля змінюється за допомогою процесів, таких як хімічні реакції, ультрафіолетове світло і температура, і наноробототехнічні перемикачі переходять у різні форми в результаті, здатні виконувати певні завдання.

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

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

Наноробототехнічні “автомобілі” є найбільш просунутими наноприладами на даний момент, здатними рухатися самостійно з допомогою хімічних або електромагнітних каталізаторів. Наномотори, які рухають наноробототехнічні автомобілі, потрібно контролювати, щоб керувати рухом транспортного засобу, і дослідники експериментують з різними методами контролю наноробототехніки.

Дослідники наноробототехніки намагаються синтезувати ці різні компоненти і технології в наномашини, які можуть виконувати складні завдання, виконувані 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 в себе створення сенсорів, актуаторів і моторів. Фізична модель повинна бути виконана, і все це повинно бути зроблено на нанорозмірі. Як згадувалося вище, наноманіпуляційні пристрої використовуються для збірки цих нанорозмірних деталей і маніпулювання штучними або біологічними компонентами, включаючи маніпулювання клітинами і молекулами.

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

Розмір нанобота приблизно порівнянний з біологічними клітинами, і через цю обставину майбутні наноботи могли б бути використані в галузях, таких як медицина і охорона навколишнього середовища/відновлення. Більшість “наноботів”, які існують сьогодні, просто конкретні молекули, які були маніпульовані для виконання певних завдань.

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

Як працюють наноботи?

Враховуючи 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 і видача лікування. Цим наноботам потрібно буде бути здатними орієнтуватися в людському тілі і рухатися через тканини, такі як кровоносні судини.

Навігація

Відносно навігації наноботів, існує кілька методів, які дослідники і інженери наноробототехніки 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 їхнім рухом. Пристрої магнітно-резонансної томографії (МРТ) також могли б бути використані для відстеження положення наноботів, і перші 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 на нанорозмірі досить обмежений, тому потрібно винайти нові методи використання цих хвиль.

Системи навігації та 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, включені в нанобот, могли б дозволити роботові сканувати оточуюче середовище і слідувати за певними хімічними маркерами до цілі.

Потужність

Відносно потужності наноботів, існує кілька вирішень, які досліджуються дослідниками. Вирішення питань 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 навіть могли б бути спрощені за допомогою крові як хімічного каталізатора, який виробляє енергію при поєднанні з хімічною речовиною, яку нанобот переносить з собою. Конденсатори працюють подібно до батарей, накопичуючи 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 дроти могли б з’єднати наноботи з зовнішнім джерелом потужності. Такі дроти могли б бути зроблені з мініатюрних волоконно-оптичних кабелів, передаючи імпульси світла через дроти і генеруючи фактичну електричну енергію всередині нанобота.

Інші зовнішні джерела потужності включають магнітні поля або ультразвукові сигнали. Наноботи могли б використовувати так звану п’єзоелектричну мембрану, яка здатна накопичувати ультразвукові хвилі і перетворювати їх на електричну потужність. Магнітні поля могли б бути використані для каталізу електричних струмів у замкнутому провідному контурі на борту нанобота. Як бонус, магнітне поле також могло б бути використано для контролю напрямку нанобота.

Локомоція

Вирішення проблеми локомоції нанобота вимагає деяких винахідливих рішень. Наноботи, які не з’єднані з зовнішнім джерелом потужності або не просто вільно плавають у своєму середовищі, повинні мати деякий метод руху до своїх цілей. Система руху повинна бути потужною і стабільною, здатною рухати нанобот проти потоків у своєму оточенні, таких як потік крові. Рішення щодо руху, які зараз досліджуються, часто натхненні 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 кінцівок, які могли б дозволити роботові плавати, хапати і повзати. На даний момент ці кінцівки контролюються за допомогою магнітних полів зовні тіла, оскільки магнітна сила спонукає руки робота вібрувати. Додатковою перевагою цього методу руху є те, що енергія для нього 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 досліджуються. Наприклад, деякі дослідники запропонували використовувати конденсатори для інженерії електромагнітного насосу, який би витягував провідні рідини і виштовхував їх, як реактивний двигун, рухаючи нанобот вперед.

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

Для чого використовуються наноботи?

Як згадувалося, перші застосування наноботів ймовірно будуть у медичній галузі. Наноботи могли б бути використані для моніторингу пошкоджень організму і потенційно навіть для поліпшення цього пошкодження. Будучі наноботи могли б доставляти лікарські засоби безпосередньо до клітин, які їх потребують. На даний момент лікарські засоби доставляються перорально або внутрішньовенно і вони поширюються по всьому тілу, а не тільки до цілі, 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 ще далекі від цих гіпотетичних застосунків, але прогрес триває. Наприклад, у 2017 році вчені створили наноботи, які націлювалися на ракові клітини і атакували їх з допомогою мініатюрного буріння, вбиваючи їх. Цього року група дослідників з університету ІТМО розробили 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, рухаючись за допомогою “ноги” ДНК і несучи конкретні молекули за допомогою “руки”.

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