Nanobot là gì? Hiểu cấu trúc, hoạt động và công dụng của Nanobot

Khi công nghệ tiến bộ, không phải lúc nào mọi thứ cũng trở nên to hơn và tốt hơn, các đồ vật 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 được dự báo sẽ tăng khoảng 17% trong nửa thập kỷ tới. Nanobots là một phần chính của lĩnh vực công nghệ nano, nhưng chúng chính xác là gì và chúng hoạt động như thế nào? Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về nanobot để hiểu cách thức hoạt động của công nghệ biến đổi này và mục đích sử dụng của nó.

Nanobot là gì?

Lĩnh vực công nghệ nano liên quan đến việc nghiên cứu và phát triển công nghệ có quy mô khoảng từ 100 đến XNUMX nanomet. Do đó, người máy nano tập trung vào việc tạo ra những người máy có kích thước như vậy. Trên thực tế, rất khó để chế tạo bất cứ thứ gì có kích thước nhỏ như một nanomet và thuật ngữ “người máy nano” và “người máy nano” thường được sử dụng. áp dụng đến các thiết bị có kích thước xấp xỉ 0.1 – 10 micromet, vẫn còn khá nhỏ.

Điều quan trọng cần lưu ý là thuật ngữ “người máy nano” đôi khi được áp dụng cho các thiết bị tương tác với các vật thể ở cấp độ nano, thao tác với các vật phẩm ở cấp độ nano. Do đó, ngay cả khi bản thân thiết bị lớn hơn nhiều, nó vẫn có thể được coi là một công cụ rô-bốt nano. Bài viết này sẽ tập trung vào bản thân các robot có kích thước nano.

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

Hầu hết các thiết bị nanorobotic hiện có rơi vào một trong bốn loại: công tắc, động cơ, tàu con thoi và ô tô.

Công tắc rô-bốt nano hoạt động bằng cách được nhắc chuyển 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 được gọi là thay đổi hình dạng. Môi trường được thay đổi bằng cách sử dụng các quá trình như phản ứng hóa học, ánh sáng tia cực tím và nhiệt độ, và kết quả là các công tắc rô-bốt nano chuyển sang các dạng khác nhau, có thể hoàn thành các nhiệm vụ cụ thể.

Động cơ nano phức tạp hơn các công tắc đơn giản và chúng sử dụng năng lượng được tạo ra do tác động của sự thay đổi về hình dạng để di chuyển xung quanh và tác động đến các phân tử trong môi trường xung quanh.

Tàu con thoi là những rô-bốt nano có khả năng vận chuyển các hóa chất như thuốc đến các khu vực cụ thể, được nhắm mục tiêu. Mục tiêu là kết hợp tàu con thoi với động cơ rô-bốt nano để tàu con thoi có khả năng di chuyển nhiều hơn trong môi trường.

“Ô tô” rô-bốt nano là thiết bị nano tiên tiến nhất hiện nay, có khả năng di chuyển độc lập với sự thúc đẩy từ các chất xúc tác hóa học hoặc điện từ. Các động cơ nano điều khiển ô tô rô-bốt nano cần phải được điều khiển để phương tiện được điều khiển và các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm nhiều phương pháp điều khiển rô-bốt nano khác nhau.

Các nhà nghiên cứu rô-bốt nano nhằm mục đích tổng hợp các thành phần và công nghệ khác nhau này thành các cỗ máy nano có thể hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp, được thực hiện bởi một nhóm các rô-bốt nano làm việc cùng nhau.

Ảnh: Ảnh: ” So sánh kích thước của vật liệu nano với kích thước của các vật liệu thông thường 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 nanorobotics là điểm giao nhau của nhiều ngành và việc tạo ra nanobot liên quan đến việc tạo ra các cảm biến, bộ truyền động và động cơ. Mô hình hóa vật lý cũng phải được thực hiện và tất cả những điều này phải được thực hiện ở cấp độ nano. Như đã đề cập ở trên, các thiết bị thao tác nano được sử dụng để lắp ráp các bộ phận ở quy mô nano này và thao tác với các thành phần nhân tạo hoặc sinh học, bao gồm thao tác với các tế bào và phân tử.

Các kỹ sư người máy nano phải có khả năng giải quyết vô số vấn đề. Họ phải giải quyết các vấn đề liên quan đến cảm giác, sức mạnh kiểm soát, thông tin liên lạc và tương tác giữa cả vật liệu vô cơ và hữu cơ.

Kích thước của một nanobot gần tương đương với các tế bào sinh học, và do đó, các nanobot trong tương lai có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như y học và bảo tồn/khắc phục môi trường. Hầu hết các "nanobot" tồn tại ngày nay chỉ là các phân tử cụ thể đã được điều khiển để hoàn thành một số nhiệm vụ nhất định. 

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

Nanobot hoạt động như thế nào?

Do tính chất lý thuyết vẫn còn nặng nề của nanobot, các câu hỏi về cách thức hoạt động của nanobot được trả lời bằng các dự đoán hơn là các tuyên bố thực tế. Có khả năng những ứng dụng chính đầu tiên của nanobots sẽ là trong lĩnh vực y tế, di chuyển trong cơ thể con người và hoàn thành các nhiệm vụ như chẩn đoán bệnh, theo dõi sức sống và phân phối phương pháp điều trị. Những nanobot này sẽ cần có khả năng điều hướng xung quanh cơ thể con người và di chuyển qua các mô như mạch máu.

THÔNG TIN

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

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 các nanobot. Với việc bổ sung các cảm biến trên tàu, các nanobot có thể tự chủ hơn. Chẳng hạn, các cảm biến hóa học bao gồm các nanobot trên tàu có thể cho phép robot quét môi trường xung quanh và lần theo các dấu hiệu hóa học nhất định đến khu vực mục tiêu.

Power

Khi nói đến việc cung cấp năng lượng cho các nanobot, cũng có nhiều loại các giải pháp năng lượng đang được các nhà nghiên cứu khám phá. Các giải pháp cung cấp năng lượng cho nanobot bao gồm các nguồn năng lượng bên ngoài và nguồn năng lượng tích hợp/nội bộ.

Giải pháp nguồn bên trong bao gồm máy phát điện và tụ điện. Các máy phát điện trên nanobot có thể sử dụng các chất điện giải có trong máu để tạo ra năng lượng hoặc các nanobot thậm chí có thể được cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng máu xung quanh làm chất xúc tác hóa học tạo ra năng lượng khi kết hợp với một chất hóa học mà nanobot mang theo bên mình. 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 thậm chí đã được xem xét.

Đối với các nguồn năng lượng bên ngoài, những sợi dây mỏng, cực kỳ nhỏ có thể buộc các nanobot vào nguồn năng lượng bên ngoài. Những dây như vậy có thể được tạo ra từ các sợi cáp quang thu nhỏ, gửi các xung ánh sáng xuống dây và tạo ra điện thực sự bên trong nanobot.

Các giải pháp năng lượng bên ngoài khác bao gồm từ trường hoặc tín hiệu siêu âm. Nanobots có thể sử dụng một thứ gọi là màng áp điện, có khả năng thu sóng siêu âm và biến chúng thành năng lượng điện. Từ trường có thể được sử dụng để xúc tác dòng điện trong một vòng dẫn điện kín có trên nanobot. Ngoài ra, từ trường cũng có thể được sử dụng để điều khiển hướng của nanobot.

Sự vận động

Giải quyết vấn đề của đầu máy nanobot đòi hỏi một số giải pháp sáng tạo. Các nanobot không được kết nối hoặc không chỉ trôi nổi tự do trong môi trường của chúng, cần phải có một số phương pháp để di chuyển đến các vị trí mục tiêu của chúng. Hệ thống đẩy sẽ cần phải mạnh mẽ và ổn định, có thể đẩy nanobot chống lại các dòng chảy trong môi trường xung quanh, chẳng hạn như dòng chảy của máu. Các giải pháp đẩy đang được nghiên cứu thường lấy cảm hứng từ thế giới tự nhiên, với các nhà nghiên cứu xem xét cách các sinh vật di chuyển qua kính hiển vi trong môi trường của chúng. Ví dụ, các vi sinh vật thường sử dụng những chiếc đuôi dài giống roi gọi là Flagella để tự di chuyển hoặc chúng sử dụng một số chi nhỏ giống như tóc được gọi là lông mao.

Các nhà nghiên cứu cũng đang thử nghiệm đưa robot nhỏ phần phụ giống như cánh tay có thể cho phép robot bơi, bám và bò. Hiện tại, các phần phụ này được điều khiển thông qua từ trường bên ngoài cơ thể, vì lực từ khiến các cánh tay của robot rung lên. Một lợi ích bổ sung cho phương pháp vận động này là năng lượng cho nó đến từ một nguồn bên ngoài. Công nghệ này sẽ cần phải được làm nhỏ hơn nữa để có thể sử dụng được cho các nanobot thực sự.

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

Bất kể ứng dụng cuối cùng của nanobots là gì, chúng phải giải quyết các vấn đề được mô tả ở trên, xử lý điều hướng, vận động và sức mạnh.

Nanobots được sử dụng để làm gì?

Như đã đề cập, những ứng dụng đầu tiên của nanobots có khả năng sẽ ở lĩnh vực y tế. Nanobots có thể được sử dụng để theo dõi thiệt hại cho cơ thể và thậm chí có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho việc sửa chữa thiệt hại này. Các nanobot trong tương lai có thể đưa thuốc trực tiếp đến các tế bào cần chúng. Hiện tại, các loại thuốc được cung cấp bằng đường uống hoặc tiêm tĩnh mạch và chúng lan rộng khắp cơ thể thay vì chỉ tác động đến các vùng mục tiêu, gây ra tác dụng phụ. Nanobot được trang bị cảm biến có thể dễ dàng được sử dụng để theo dõi các thay đổi trong các vùng của tế bào, báo cáo các thay đổi khi có dấu hiệu hư hỏng hoặc trục trặc đầu tiên.

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

Ngoài các ứng dụng y tế, nghiên cứu đang được thực hiện liên quan đến việc sử dụng nanobot cho mục đích làm sạch và khắc phục môi trường. Nanobots có khả năng có thể được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng độc hại và nhựa từ các vùng nước. Các nanobot có thể mang các hợp chất làm trơ các chất độc hại khi kết hợp với nhau hoặc chúng có thể được sử dụng để phân hủy chất thải nhựa thông qua các quy trình tương tự. Nghiên cứu cũng đang được thực hiện về việc sử dụng nanobots để tạo thuận lợi cho việc sản xuất chip máy tính và bộ xử lý cực nhỏ, về cơ bản sử dụng nanobots để sản xuất mạch máy tính siêu nhỏ.