19/9/2020 Wat zijn nanobots? Nanobot-structuur, werking en gebruik begrijpen - Daniël Nelson (www.unite.ai/nl/) 

Naarmate de technologie vordert, worden dingen niet altijd groter en beter, objecten worden ook kleiner. Nanotechnologie is zelfs een van de snelst groeiende technologische gebieden, met een waarde van meer dan 1 biljoen USD, en er wordt voorspeld dat het de komende vijf jaar met ongeveer 17% zal groeien.

Nanobots zijn een belangrijk onderdeel van het nanotechnologiegebied, maar wat zijn ze precies en hoe werken ze? Laten we nanobots eens nader bekijken om te begrijpen hoe deze transformatieve technologie werkt en waarvoor deze wordt gebruikt.

Wat zijn nanobots?

Het gebied van nanotechnologie houdt zich bezig met het onderzoek en de ontwikkeling van technologie op een schaal van ongeveer 100 tot XNUMX nanometer. Daarom is nanorobotica gericht op het maken van robots van ongeveer deze grootte. In de praktijk is het moeilijk om iets met een schaal van slechts één nanometer te ontwerpen en de term 'nanorobotica' en 'nanobot' wordt vaak gebruikt. Toegepast tot apparaten die ongeveer 0.1 - 10 micrometer groot zijn, wat nog steeds vrij klein is.

Het is belangrijk op te merken dat de term "nanorobot" soms wordt toegepast op apparaten die interageren met objecten op nanoschaal en items op nanoschaal manipuleren. Daarom kan het, zelfs als het apparaat zelf veel groter is, worden beschouwd als een nanorobotisch instrument. Dit artikel zal zich richten op robots op nanoschaal zelf.

Een groot deel van het gebied van nanorobotica en nanobots bevindt zich nog in de theoretische fase, met onderzoek gericht op het oplossen van constructieproblemen op zo'n kleine schaal. Er zijn echter enkele prototypen van nanomachines en nanomotoren ontworpen en getest.

De meeste momenteel bestaande nanorobotica vallen in een van de 4 categorieën: schakelaars, motoren, shuttles en auto's.

Nanorobotische schakelaars werken door te worden gevraagd om over te schakelen van een "uit" -status naar een "aan" -status. Omgevingsfactoren worden gebruikt om de machine van vorm te laten veranderen, een proces dat conformatieverandering wordt genoemd. De omgeving wordt veranderd met behulp van processen zoals chemische reacties, UV-licht en temperatuur, en de nanorobotische schakelaars veranderen daardoor in verschillende vormen, in staat om specifieke taken uit te voeren.

Nanomotoren zijn complexer dan eenvoudige schakelaars en ze gebruiken de energie die wordt gecreëerd door de effecten van de conformatieverandering om zich te verplaatsen en de moleculen in de omgeving te beïnvloeden.

Shuttles zijn nanorobots die chemicaliën zoals medicijnen naar specifieke, gerichte regio's kunnen transporteren. Het doel is om shuttles te combineren met nanorobotmotoren zodat de shuttles in staat zijn om meer door een omgeving te bewegen.

Nanorobotische "voertuigen" zijn de meest geavanceerde nanotoestellen op dit moment, in staat om onafhankelijk te bewegen met prompts van chemische of elektromagnetische katalysatoren. De nanomotoren die nanorobotvoertuigen aandrijven, moeten worden bestuurd om het voertuig te kunnen besturen, en onderzoekers experimenteren met verschillende methoden voor nanorobotbesturing.

Nanorobotica-onderzoekers streven ernaar deze verschillende componenten en technologieën samen te voegen tot nanomachines die complexe taken kunnen uitvoeren, uitgevoerd door zwermen nanobots die samenwerken. 

Foto: ”Vergelijking van de afmetingen van nanomaterialen met die van andere gangbare materialen.” Zeker op Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Hoe worden Nanobots gemaakt?

Het gebied van nanorobotica bevindt zich op het kruispunt van vele disciplines en de creatie van nanobots omvat de creatie van sensoren, actuatoren en motoren. Fysieke modellering moet ook worden gedaan, en dit alles moet op nanoschaal worden gedaan. Zoals hierboven vermeld, worden apparaten voor nanomanipulatie gebruikt om deze onderdelen op nanoschaal samen te stellen en kunstmatige of biologische componenten te manipuleren, waaronder de manipulatie van cellen en moleculen.

Nanorobotica-ingenieurs moeten een groot aantal problemen kunnen oplossen. Ze moeten problemen aanpakken met betrekking tot sensatie, controlekracht, communicatie en interacties tussen zowel anorganische als organische materialen.

De grootte van een nanobot is ongeveer vergelijkbaar met biologische cellen, en daarom zouden toekomstige nanobots kunnen worden gebruikt in disciplines als geneeskunde en milieubehoud/-sanering. De meeste "nanobots" die tegenwoordig bestaan, zijn slechts specifieke moleculen die zijn gemanipuleerd om bepaalde taken uit te voeren. 

Complexe nanobots zijn in wezen eenvoudige moleculen die zijn samengevoegd en gemanipuleerd met chemische processen. Sommige nanobots zijn dat bijvoorbeeld bestaat uit DNA en zij transporteren van moleculaire lading.

Hoe werken Nanobots?

Gezien de nog steeds sterk theoretische aard van nanobots, worden vragen over hoe nanobots werken eerder beantwoord met voorspellingen dan met feitelijke uitspraken. Het is waarschijnlijk dat de eerste grote toepassingen voor nanobots op medisch gebied zullen zijn, door het menselijk lichaam bewegen en taken uitvoeren zoals het diagnosticeren van ziekten, het bewaken van vitale functies en het toedienen van behandelingen. Deze nanobots moeten in staat zijn om door het menselijk lichaam te navigeren en door weefsels zoals bloedvaten te bewegen.

Navigatie

Wat nanobotnavigatie betreft, zijn er verschillende technieken die onderzoekers en ingenieurs van nanobots onderzoeken. Een navigatiemethode is het gebruik van ultrasone signalen voor detectie en inzet. Een nanobot kan ultrasone signalen uitzenden die kunnen worden getraceerd om de positie van de nanobots te lokaliseren, en de robots kunnen vervolgens naar specifieke gebieden worden geleid met behulp van een speciaal gereedschap dat hun beweging stuurt.

Magnetische resonantie scans (MRI) -apparaten kunnen ook worden gebruikt om de positie van nanobots te volgen, en vroege experimenten met MRI’s hebben aangetoond dat de technologie kan worden gebruikt om nanobots te detecteren en zelfs te manoeuvreren. Andere methoden voor het detecteren en manoeuvreren van nanobots zijn onder meer het gebruik van röntgenstralen, microgolven en radiogolven. Op dit moment is onze controle over deze golven op nanoschaal vrij beperkt, dus er zouden nieuwe methoden moeten worden uitgevonden om deze golven te gebruiken.

De hierboven beschreven navigatie- en detectiesystemen zijn externe methoden, die vertrouwen op het gebruik van hulpmiddelen om de nanobots te verplaatsen. Met de toevoeging van ingebouwde sensoren zouden de nanobots meer autonoom kunnen zijn. Chemische sensoren aan boord van nanobots kunnen de robot bijvoorbeeld in staat stellen de omgeving te scannen en bepaalde chemische markeringen naar een doelgebied te volgen.

Aandrijving

Als het gaat om het aandrijven van de nanobots, zijn er ook verschillende stroomoplossingen die door onderzoekers worden onderzocht. Oplossingen voor het aandrijven van nanobots omvatten externe stroombronnen en on-board/interne stroombronnen.

Interne stroomoplossingen omvatten generatoren en condensatoren. Generatoren aan boord van de nanobot kunnen de elektrolyten in het bloed gebruiken om energie te produceren, of nanobots kunnen zelfs worden aangedreven door het omringende bloed te gebruiken als een chemische katalysator die energie produceert in combinatie met een chemische stof die de nanobot met zich meedraagt. Condensatoren werken op dezelfde manier als batterijen en slaan elektrische energie op die kan worden gebruikt om de nanobot voort te stuwen. Er zijn zelfs andere opties overwogen, zoals kleine kernenergiebronnen.

Wat externe stroombronnen betreft, kunnen ongelooflijk kleine, dunne draden de nanobots aan een externe stroombron binden. Dergelijke draden kunnen worden gemaakt van miniatuur glasvezelkabels, waarbij lichtpulsen door de draden worden gestuurd en de daadwerkelijke elektriciteit wordt opgewekt in de nanobot.

Andere externe stroomoplossingen zijn magnetische velden of ultrasone signalen. Nanobots zouden iets kunnen gebruiken dat een piëzo-elektrisch membraan wordt genoemd, dat in staat is ultrasone golven op te vangen en om te zetten in elektrische energie. Magnetische velden kunnen worden gebruikt om elektrische stromen te katalyseren binnen een gesloten geleidende lus aan boord van de nanobot. Als bonus kan het magnetische veld ook worden gebruikt om de richting van de nanobot te sturen.

Voortbeweging

Het aanpakken van het probleem van voortbeweging van nanobots vraagt ​​om inventieve oplossingen. Nanobots die niet zijn vastgebonden, of niet zomaar vrij rondzweven in hun omgeving, moeten een methode hebben om naar hun doellocaties te gaan. Het voortstuwingssysteem moet krachtig en stabiel zijn, in staat om de nanobot voort te stuwen tegen de stromingen in zijn omgeving in, zoals de bloedstroom.

Aandrijvingsoplossingen die worden onderzocht, zijn vaak geïnspireerd door de natuurlijke wereld, waarbij onderzoekers kijken naar hoe microscopische organismen door hun omgeving bewegen. Micro-organismen gebruiken bijvoorbeeld vaak lange, zweepachtige staarten, flagella genaamd, om zichzelf voort te stuwen, of ze gebruiken een aantal kleine, haarachtige ledematen die cilia worden genoemd.

Onderzoekers experimenteren ook met het klein geven van robots armachtige aanhangsels waardoor de robot kan zwemmen, grijpen en kruipen. Momenteel worden deze aanhangsels bestuurd via magnetische velden buiten het lichaam, omdat de magnetische kracht de armen van de robot aanzet tot trillen. Een bijkomend voordeel van deze manier van voortbewegen is dat de energie ervoor afkomstig is van een externe bron. Deze technologie zou nog kleiner moeten worden gemaakt om levensvatbaar te zijn voor echte nanobots.

Er worden ook andere, meer inventieve voortstuwingsstrategieën onderzocht. Sommige onderzoekers hebben bijvoorbeeld voorgesteld om condensatoren te gebruiken om een ​​elektromagnetische pomp te ontwerpen die geleidende vloeistoffen naar binnen zou trekken en eruit zou schieten als een jet, de nanobot vooruit stuwend.

Ongeacht de uiteindelijke toepassing van nanobots, ze moeten de hierboven beschreven problemen oplossen, navigatie, voortbeweging en kracht.

Waar worden nanobots voor gebruikt?

Zoals gezegd, de eerste toepassingen voor nanobots zal waarschijnlijk binnen de medische wereld zijn. Nanobots kunnen worden gebruikt om te controleren op schade aan het lichaam en mogelijk zelfs het herstel van deze schade te vergemakkelijken. Toekomstige nanobots zouden medicijnen rechtstreeks kunnen afleveren bij de cellen die ze nodig hebben.

Momenteel worden medicijnen oraal of intraveneus toegediend en verspreiden ze zich door het lichaam in plaats van alleen de doelgebieden te raken, waardoor bijwerkingen ontstaan. Nanobots die zijn uitgerust met sensoren kunnen gemakkelijk worden gebruikt om te controleren op veranderingen in celregio's en veranderingen te melden bij het eerste teken van schade of storing.

We zijn nog ver verwijderd van deze hypothetische toepassingen, maar er wordt voortdurend vooruitgang geboekt. Als voorbeeld, in 2017 wetenschappers creeerden nanobots die gericht waren op kankercellen en viel ze aan met een miniatuurboor en doodde ze. Dit jaar heeft een groep onderzoekers van ITMO University een nanobot ontworpen die is samengesteld uit DNA-fragmenten, die in staat zijn om pathogene RNA-strengen te vernietigen. Op DNA gebaseerde nanobots zijn momenteel ook in staat om moleculaire lading te vervoeren. De nanobot is gemaakt van drie verschillende DNA-secties, manoeuvreert met een DNA-"been" en draagt ​​specifieke moleculen met behulp van een "arm".

Naast medische toepassingen wordt er ook onderzoek gedaan naar het gebruik van nanobots voor het opruimen en saneren van het milieu. Nanobots kunnen mogelijk worden gebruikt om te verwijderen van giftige zware metalen en kunststoffen uit waterlichamen. De nanobots kunnen verbindingen vervoeren die giftige stoffen inert maken wanneer ze met elkaar worden gecombineerd, of ze kunnen worden gebruikt om plastic afval af te breken via vergelijkbare processen.

Er wordt ook onderzoek gedaan naar het gebruik van nanobots om de productie van extreem kleine computerchips en processors te vergemakkelijken, waarbij in wezen nanobots worden gebruikt om computerschakelingen op microschaal te produceren.