Nanobots là gì? Hiểu về Cấu trúc, Hoạt động và Sử dụng của Nanobot

Khi công nghệ tiến bộ, mọi thứ không phải lúc nào cũng trở nên lớn hơn và tốt hơn, các vật thể cũng trở nên nhỏ hơn. Trên thực tế, công nghệ nano là một trong những lĩnh vực công nghệ phát triển nhanh nhất, trị giá hơn 1 nghìn tỷ USD, và dự kiến sẽ tăng trưởng khoảng 17% trong nửa thập kỷ tới. Nanobots là một phần quan trọng của lĩnh vực công nghệ nano, nhưng chúng là gì chính xác và chúng hoạt động như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu về nanobots để hiểu cách công nghệ chuyển đổi này hoạt động và nó được sử dụng cho gì.

Nanobots là gì?

Lĩnh vực công nghệ nano liên quan đến nghiên cứu và phát triển công nghệ khoảng một đến 100 nanomet ở quy mô. Do đó, robot nano tập trung vào việc tạo ra các robot có kích thước khoảng này. Trong thực tế, việc chế tạo bất cứ thứ gì nhỏ như một nanomet là khó khăn và thuật ngữ “robot nano” và “nanobot” thường được áp dụng cho các thiết bị có kích thước khoảng 0,1 – 10 micromet, vẫn còn khá nhỏ.

Điều quan trọng cần lưu ý là thuật ngữ “robot nano” đôi khi được áp dụng cho các thiết bị tương tác với các vật thể ở quy mô nano, điều khiển các vật thể nano. Do đó, ngay cả khi thiết bị itself lớn hơn, nó có thể được coi là một công cụ robot nano. Bài viết này sẽ tập trung vào các robot nano ở quy mô nano.

Phần lớn lĩnh vực robot nano và nanobots vẫn còn trong giai đoạn lý thuyết, với nghiên cứu tập trung vào giải quyết các vấn đề về xây dựng ở quy mô nhỏ như vậy. Tuy nhiên, một số nguyên mẫu máy nano và động cơ nano đã được thiết kế và thử nghiệm.

Hầu hết các thiết bị robot nano hiện có thuộc vào một trong bốn loại: công tắc, động cơ, tàu và xe.

Các công tắc robot nano hoạt động bằng cách được kích hoạt từ trạng thái “tắt” sang trạng thái “bật”. Các yếu tố môi trường được sử dụng để làm cho máy thay đổi hình dạng, một quá trình gọi là thay đổi cấu hình. Môi trường được thay đổi bằng các quá trình như phản ứng hóa học, ánh sáng UV và nhiệt độ, và các công tắc robot nano thay đổi thành các hình dạng khác nhau như một kết quả, có thể thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.

Các động cơ nano phức tạp hơn các công tắc đơn giản, và chúng sử dụng năng lượng được tạo ra bởi các hiệu ứng của sự thay đổi cấu hình để di chuyển và ảnh hưởng đến các phân tử trong môi trường xung quanh.

Các tàu nano là các robot nano có khả năng vận chuyển các hóa chất như thuốc đến các khu vực cụ thể. Mục tiêu là kết hợp các tàu với động cơ robot nano để các tàu có thể di chuyển với một mức độ lớn hơn trong môi trường.

Các “xe” robot nano là các thiết bị nano tiên tiến nhất hiện tại, có khả năng di chuyển độc lập với các tín hiệu từ các chất xúc tác hóa học hoặc điện từ. Các động cơ nano điều khiển các “xe” robot nano cần phải được kiểm soát để xe có thể được điều khiển, và các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm với các phương pháp kiểm soát robot nano khác nhau.

Các nhà nghiên cứu robot nano nhằm mục đích tổng hợp các thành phần và công nghệ khác nhau vào các máy nano có thể hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp, được thực hiện bởi các đàn robot nano làm việc cùng nhau.

Photo: “So sánh kích thước của các vật liệu nano với các vật liệu khác.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Nanobots được tạo ra như thế nào?

Lĩnh vực robot nano là sự giao thoa của nhiều lĩnh vực và việc tạo ra nanobots liên quan đến việc tạo ra các cảm biến, bộ truyền động và động cơ. Mô hình hóa vật lý phải được thực hiện cũng như tất cả những điều này phải được thực hiện ở quy mô nano. Như đã đề cập ở trên, các thiết bị điều khiển nano được sử dụng để lắp ráp các bộ phận nano này và điều khiển các thành phần nhân tạo hoặc sinh học, bao gồm cả việc điều khiển các tế bào và phân tử.

Các kỹ sư robot nano phải có khả năng giải quyết một loạt các vấn đề. Họ phải giải quyết các vấn đề liên quan đến cảm giác, kiểm soát năng lượng, truyền thông và tương tác giữa các vật liệu vô cơ và hữu cơ.

Kích thước của một nanobot khoảng tương đương với các tế bào sinh học, và do thực tế này, các nanobot trong tương lai có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như y học và bảo tồn môi trường. Hầu hết các “nanobots” hiện có ngày nay chỉ là các phân tử cụ thể đã được điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.

Các nanobots phức tạp về cơ bản chỉ là các phân tử đơn giản được kết hợp và điều khiển bằng các quá trình hóa học. Ví dụ, một số nanobots được gồm DNA, và chúng vận chuyển hàng hóa phân tử.

Nanobots hoạt động như thế nào?

Được cho là tính chất lý thuyết nặng của nanobots, các câu hỏi về cách nanobots hoạt động được trả lời bằng dự đoán chứ không phải là tuyên bố事 thực. Có khả năng các ứng dụng lớn đầu tiên cho nanobots sẽ là trong lĩnh vực y tế, di chuyển qua cơ thể con người và thực hiện các nhiệm vụ như chẩn đoán bệnh, theo dõi các chỉ số quan trọng và phân phối điều trị. Các nanobots này sẽ cần phải có khả năng điều hướng qua cơ thể con người và di chuyển qua các mô như mạch máu.

Điều hướng

Về điều hướng nanobot, có một số kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu và kỹ sư nanobot đang điều tra. Một phương pháp điều hướng là sử dụng tín hiệu siêu âm để phát hiện và triển khai. Một nanobot có thể phát tín hiệu siêu âm có thể được theo dõi để xác định vị trí của nanobots, và sau đó các robot có thể được hướng dẫn đến các khu vực cụ thể bằng cách sử dụng một công cụ đặc biệt để điều khiển chuyển động của chúng. Các thiết bị chụp cộng hưởng từ (MRI) cũng có thể được sử dụng để theo dõi vị trí của nanobots, và các thí nghiệm ban đầu với MRI đã chứng minh rằng công nghệ có thể được sử dụng để phát hiện và thậm chí điều khiển nanobots. Các phương pháp khác để phát hiện và điều khiển nanobots bao gồm sử dụng tia X, vi sóng và sóng vô tuyến. Hiện tại, khả năng kiểm soát của chúng đối với các sóng này ở quy mô nano còn khá hạn chế, vì vậy các phương pháp mới để sử dụng các sóng này sẽ phải được phát minh.

Các hệ thống điều hướng và phát hiện được mô tả ở trên là các phương pháp bên ngoài, dựa vào việc sử dụng các công cụ để di chuyển nanobots. Với việc bổ sung các cảm biến trên tàu, nanobots có thể tự chủ hơn. Ví dụ, các cảm biến hóa học trên tàu nanobot có thể cho phép robot quét môi trường xung quanh và theo dõi các dấu hiệu hóa học cụ thể đến một khu vực mục tiêu.

Năng lượng

Khi nói đến việc cấp năng lượng cho nanobots, cũng có một số giải pháp năng lượng đang được các nhà nghiên cứu khám phá. Các giải pháp để cấp năng lượng cho nanobots bao gồm các nguồn năng lượng bên ngoài và các nguồn năng lượng trên tàu / nội bộ.

Các giải pháp năng lượng nội bộ bao gồm các máy phát điện và tụ điện. Các máy phát điện trên tàu nanobot có thể sử dụng các chất điện phân trong máu để tạo ra năng lượng, hoặc nanobots thậm chí có thể được cấp năng lượng bằng cách sử dụng máu xung quanh như một chất xúc tác hóa học tạo ra năng lượng khi kết hợp với một chất hóa học mà nanobot mang theo. Các tụ điện hoạt động tương tự như pin, lưu trữ năng lượng điện có thể được sử dụng để đẩy nanobot. Các lựa chọn khác như nguồn năng lượng hạt nhân nhỏ cũng đã được xem xét.

Về các nguồn năng lượng bên ngoài, các dây siêu mỏng có thể kết nối nanobots với một nguồn năng lượng bên ngoài. Các dây như vậy có thể được làm từ cáp quang học mini, gửi các xung ánh sáng xuống dây và có điện thực sự được tạo ra trong nanobot.

Các giải pháp năng lượng bên ngoài khác bao gồm các trường từ và tín hiệu siêu âm. Nanobots có thể sử dụng một màng piezoelectric, có khả năng thu thập các sóng siêu âm và chuyển đổi chúng thành năng lượng điện. Các trường từ có thể được sử dụng để kích hoạt các dòng điện trong một vòng dẫn kín trên tàu nanobot. Ngoài ra, trường từ cũng có thể được sử dụng để kiểm soát hướng của nanobot.

Chuyển động

Việc giải quyết vấn đề chuyển động nanobot đòi hỏi một số giải pháp sáng tạo. Nanobots không được kết nối hoặc không chỉ đơn giản là trôi nổi trong môi trường của chúng, cần phải có một số phương pháp di chuyển đến các vị trí mục tiêu. Hệ thống đẩy cần phải mạnh và ổn định, có khả năng đẩy nanobot chống lại các dòng chảy trong môi trường xung quanh, như dòng chảy của máu. Các giải pháp đẩy đang được điều tra thường được lấy cảm hứng từ thế giới tự nhiên, với các nhà nghiên cứu đang xem xét cách các sinh vật hiển vi di chuyển qua môi trường của chúng. Ví dụ, các vi sinh vật thường sử dụng các đuôi dài, giống như roi gọi là roi để đẩy mình, hoặc chúng sử dụng một số lông nhỏ, giống như lông gọi là lông.

Các nhà nghiên cứu cũng đang thử nghiệm việc cung cấp cho các robot các chi nhỏ giống như cánh tay có thể cho phép robot bơi, nắm và bò. Hiện tại, các chi này được điều khiển qua các trường từ bên ngoài cơ thể, vì lực từ kích thích các cánh tay của robot rung. Một lợi thế của phương pháp di chuyển này là năng lượng cho nó đến từ một nguồn bên ngoài. Công nghệ này sẽ cần phải được làm nhỏ hơn để nó có thể được sử dụng cho các nanobots thực sự.

Có các chiến lược đẩy khác, sáng tạo hơn, cũng đang được điều tra. Ví dụ, một số nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng tụ điện để chế tạo một bơm điện từ có thể hút chất lỏng dẫn điện vào và bắn nó ra giống như một chiếc máy bay phản lực, đẩy nanobot về phía trước.

Bất kể ứng dụng cuối cùng của nanobots, chúng phải giải quyết các vấn đề được mô tả ở trên, xử lý điều hướng, chuyển động và năng lượng.

Nanobots được sử dụng để làm gì?

Như đã đề cập, các ứng dụng đầu tiên cho nanobots sẽ có khả năng trong lĩnh vực y tế. Nanobots có thể được sử dụng để theo dõi các tổn thương của cơ thể và thậm chí có thể giúp sửa chữa các tổn thương này. Các nanobots trong tương lai có thể phân phối thuốc trực tiếp đến các tế bào cần chúng. Hiện tại, thuốc được phân phối qua đường uống hoặc tiêm tĩnh mạch và chúng lan rộng khắp cơ thể thay vì chỉ nhắm vào các khu vực mục tiêu, gây ra các tác dụng phụ. Nanobots được trang bị các cảm biến có thể dễ dàng được sử dụng để theo dõi các thay đổi trong các vùng tế bào, báo cáo các thay đổi tại dấu hiệu đầu tiên của tổn thương hoặc trục trặc.

Chúng ta vẫn còn xa so với các ứng dụng giả định này, nhưng tiến bộ đang được thực hiện mọi lúc. Ví dụ, vào năm 2017, các nhà khoa học tạo ra các nanobots nhắm vào các tế bào ung thư và tấn công chúng bằng một máy khoan thu nhỏ, giết chết chúng. Năm nay, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học ITMO đã thiết kế một nanobot được tạo thành từ các đoạn DNA, có khả năng phá hủy các chuỗi RNA gây bệnh. Các nanobots dựa trên DNA cũng hiện có khả năng vận chuyển hàng hóa phân tử, Nanobot được làm từ ba đoạn DNA khác nhau, điều khiển bằng một “chân” DNA và mang các phân tử cụ thể bằng một “tay”.

Ngoài các ứng dụng y tế, nghiên cứu đang được thực hiện về việc sử dụng nanobots cho mục đích dọn dẹp và phục hồi môi trường. Nanobots có thể được sử dụng để loại bỏ các kim loại nặng độc hại và nhựa từ các body nước. Các nanobots có thể mang các hợp chất có thể làm cho các chất độc hại vô hại khi kết hợp với nhau, hoặc chúng có thể được sử dụng để phân hủy rác thải nhựa thông qua các quá trình tương tự. Nghiên cứu cũng đang được thực hiện về việc sử dụng nanobots để tạo ra các chip và bộ xử lý máy tính cực nhỏ, về cơ bản là sử dụng nanobots để sản xuất các mạch điện tử ở quy mô micro.