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 và hoạt động như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu về nanobots để hiểu cách công nghệ biến đổi này hoạt động và được sử dụng.

Nanobots Là Gì?

Lĩnh vực công nghệ nano liên quan đến nghiên cứu và phát triển công nghệ có kích thước khoảng một đến 100 nanomet. Do đó, lĩnh vực robot nano tập trung vào việc tạo ra các robot có kích thước khoảng như vậy. Trong thực tế, việc thiết kế và chế tạo các thiết bị có kích thước nhỏ như một nanomet là rất 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 “nanobot” 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 chính nó có kích thước lớn hơn, nó có thể được coi là một công cụ robot nano. Bài viết này sẽ tập trung vào các robot nano bản thân.

Phần lớn lĩnh vực robot nano và nanobots vẫn còn trong giai đoạn lý thuyết, với nghiên cứu tập trung vào việc 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 một trong bốn loại: công tắc, động cơ, xe đưa đón và xe hơi.

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, 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 tạo ra bởi hiệu ứng thay đổi cấu hình để di chuyển và ảnh hưởng đến các phân tử trong môi trường xung quanh.

Các xe đưa đón là các robot nano có khả năng vận chuyển các chất hóa học như thuốc đến các khu vực cụ thể. Mục tiêu là kết hợp các xe đưa đón với các động cơ robot nano để các xe đưa đón có thể di chuyển với mức độ tự do cao hơn trong môi trường.

Các “xe hơi” robot nano là các thiết bị nano tiên tiến nhất hiện nay, 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 xe hơi robot nano cần 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 về robot nano nhằm mục đích tổng hợp các thành phần và công nghệ khác nhau thành các máy nano có thể hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp, được thực hiện bởi các đàn robot nano làm việc cùng nhau.

Ảnh: “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)

Làm Thế Nào Để Tạo Ra Nanobots?

Lĩnh vực robot nano nằm tại điểm giao nhau 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, và 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 giải quyết nhiều 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 tương đương với kích thước của 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 môi trường. Hầu hết các “nanobot” hiện có chỉ là các phân tử cụ thể đã được điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.

Complex nanobots 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?

Do tính chất lý thuyết của nanobots, các câu hỏi về cách nanobots hoạt động được trả lời bằng dự đoán chứ không phải bằng các tuyên bố事 thực. Có khả năng các ứng dụng đầu tiên của nanobots sẽ là trong lĩnh vực y học, di chuyển trong cơ thể con người và thực hiện các nhiệm vụ như chẩn đoán bệnh, theo dõi các chỉ số sức khỏe và phân phối thuốc. Các nanobots này sẽ cần có khả năng điều hướng và di chuyển trong cơ thể.

Điều Hướng

Về mặt điều hướng của nanobot, có nhiều kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu và kỹ sư 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 ra tín hiệu siêu âm có thể được theo dõi để xác định vị trí của nanobot, và sau đó robot có thể được điều khiển đến các khu vực cụ thể bằng cách sử dụng một công cụ đặc biệt để chỉ đạo chuyển động của nó. Các thiết bị chụp cộng hưởng từ (MRI) cũng có thể được sử dụng để theo dõi vị trí của nanobot, và các 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 nanobot. Các phương pháp khác để phát hiện và điều khiển nanobot bao gồm việc 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 hạn chế, vì vậy các phương pháp mới để sử dụng các sóng này cần 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 nanobot. Với việc bổ sung các cảm biến trên bo mạch, nanobot có thể trở nên tự chủ hơn. Ví dụ, các cảm biến hóa học trên bo mạch nanobot có thể cho phép robot quét môi trường xung quanh và theo dõi các dấu hiệu hóa học đến một khu vực mục tiêu.

Năng Lượng

Khi nói đến việc cấp năng lượng cho nanobot, cũng có nhiều giải pháp năng lượng đang được các nhà nghiên cứu khám phá.

Các giải pháp năng lượng nội bộ bao gồm các máy phát và tụ điện. Các máy phát trên bo mạch nanobot có thể sử dụng các chất điện phân trong máu để tạo ra năng lượng, hoặc nanobot 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 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.

Đối với các nguồn năng lượng bên ngoài, các dây siêu mỏng có thể kết nối nanobot với một nguồn năng lượng bên ngoài. Các dây như vậy có thể được làm từ các cáp sợi quang học, 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. Nanobot có thể sử dụng một thứ gọi là màng áp điện, 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 tạo ra dòng điện trong một vòng dẫn kín chứa trên bo mạch nanobot. Ngoài ra, trường từ cũng có thể được sử dụng để kiểm soát hướng của nanobot.

Di Chuyển

Để giải quyết vấn đề di chuyển của nanobot, cần có các giải pháp sáng tạo. Nanobot không được kết nối hoặc không chỉ trôi nổi trong môi trường cần có một phương pháp di chuyển đến vị trí mục tiêu. Hệ thống đẩy cần phải mạnh và ổn định, đủ để 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 xem xét cách các sinh vật hiển vi di chuyển trong môi trường của chúng. Ví dụ, các vi sinh vật thường sử dụng các đuôi giống roi dài gọi là lông roi để đẩy mình, hoặc chúng sử dụng một số lông tóc nhỏ gọi là lông nhung.

Các nhà nghiên cứu cũng đang thử nghiệm việc trang bị cho robot các chi giống như cánh tay có thể cho phép robot bơi lội, nắm bắt và bò. Hiện tại, các chi này được điều khiển bằng các trường từ bên ngoài cơ thể, vì lực từ kích thích các cánh tay của robot rung. Một lợi thế thêm của phương pháp di chuyển này là năng lượng cho nó đến từ một nguồn bên ngoài. Công nghệ này cần phải được thu nhỏ hơn để trở nên khả thi cho các nanobot thực sự.

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

Bất kể ứng dụng cuối cùng của nanobot, chúng phải giải quyết các vấn đề được mô tả ở trên, bao gồm điều hướng, di chuyển và năng lượng.

Nanobots Được Sử Dụng Để Làm Gì?

Như đã đề cập, các ứng dụng đầu tiên của nanobot có khả năng sẽ là trong lĩnh vực y học. 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 đó. Các nanobot trong tương lai có thể phân phối thuốc trực tiếp đến các tế bào cần chúng. Hiện tại, thuốc được đưa vào cơ thể bằng đường uống hoặc tiêm tĩnh mạch và 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 cảm biến có thể dễ dàng được sử dụng để theo dõi các thay đổi trong các khu vực tế bào, báo cáo các thay đổi ngay từ đầu khi có dấu hiệu của tổn thương hoặc sự cố.

Chúng ta vẫn còn xa so với các ứng dụng giả định này, nhưng tiến bộ đang được thực hiện liên tục. Ví dụ, vào năm 2017, các nhà khoa học tạo ra các nanobot 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 mảnh DNA, có khả năng phá hủy các chuỗi RNA gây bệnh. Các nanobot dựa trên DNA cũng có khả năng vận chuyển hàng hóa phân tử. Nanobot này được tạo thành từ ba phần DNA khác nhau, di chuyển bằng một “chân” DNA và mang các phân tử cụ thể bằng một “tay”.

Beyond các ứng dụng y tế, nghiên cứu đang được thực hiện về việc sử dụng nanobot để làm sạch môi trường và phục hồi. Nanobots có thể được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng độc hại và nhựa từ các nguồn nước. Các nanobot có thể mang các hợp chất có thể làm cho các chất độc hại trở nên 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 nanobot để facilitate the production of extremely small computer chips and processors, essentially using nanobots to produce microscale computer circuits.