Con l’avanzare della tecnologia, le cose non sempre diventano più grandi e migliori, anche gli oggetti diventano più piccoli. In effetti, la nanotecnologia è uno dei campi tecnologici in più rapida crescita, del valore di oltre 1 trilione di dollari, e si prevede che cresca di circa il 17% nel prossimo mezzo decennio. I nanobot sono una parte importante del campo delle nanotecnologie, ma cosa sono esattamente e come funzionano? Diamo un’occhiata più da vicino ai nanobot per capire come funziona questa tecnologia trasformativa e a cosa serve.
Cosa sono i nanobot?
Il campo della nanotecnologia riguarda la ricerca e lo sviluppo della tecnologia su una scala compresa tra 1 e 100 nanometri. Pertanto, la nanorobotica si concentra sulla creazione di robot di queste dimensioni. In pratica, è difficile progettare qualcosa di piccolo quanto un nanometro in scala e il termine “nanorobotics” e “nanobot” viene spesso applicato a dispositivi di circa 0,1-10 micrometri di dimensioni, che è ancora piuttosto piccolo.
È importante notare che il termine “nanorobot” viene talvolta applicato a dispositivi che interagiscono con oggetti su nanoscala, manipolando oggetti su nanoscala. Pertanto, anche se il dispositivo stesso è molto più grande, può essere considerato uno strumento nanorobotico. Questo articolo si concentrerà sugli stessi robot su scala nanometrica.
Gran parte del campo della nanorobotica e dei nanobot è ancora nella fase teorica, con la ricerca focalizzata sulla risoluzione dei problemi di costruzione su così piccola scala. Tuttavia, alcuni prototipi di nanomacchine e nanomotori sono stati progettati e testati.
La maggior parte dei dispositivi nanorobotici attualmente esistenti rientrano in una delle quattro categorie : interruttori, motori, navette e automobili.
Gli interruttori nanorobotici funzionano chiedendo di passare da uno stato “off” a uno stato “on”. I fattori ambientali vengono utilizzati per far cambiare la forma della macchina, un processo chiamato cambiamento conformazionale. L’ambiente viene modificato utilizzando processi come reazioni chimiche, luce UV e temperatura e, di conseguenza, gli interruttori nanorobotici si spostano in forme diverse, in grado di svolgere compiti specifici.
I nanomotori sono più complessi dei semplici interruttori e utilizzano l’energia creata dagli effetti del cambiamento conformazionale per muoversi e influenzare le molecole nell’ambiente circostante.
Le navette sono nanorobot in grado di trasportare sostanze chimiche come i farmaci in regioni specifiche e mirate. L’obiettivo è quello di combinare le navette con i motori a nanorobot in modo che le navette siano in grado di muoversi in un ambiente maggiore.
Le “macchine” nanorobotiche sono i nanodispositivi più avanzati al momento, in grado di muoversi autonomamente con richieste di catalizzatori chimici o elettromagnetici. I nanomotori che guidano le auto nanorobotiche devono essere controllati per poter guidare il veicolo, ei ricercatori stanno sperimentando vari metodi di controllo nanorobotico.
I ricercatori di nanorobotica mirano a sintetizzare questi diversi componenti e tecnologie in nanomacchine in grado di completare compiti complessi, compiuti da sciami di nanobot che lavorano insieme.
Cosa sono i nanobot? Comprensione della struttura, del funzionamento e degli usi di Nanobot
Foto: Foto: “Confronto delle dimensioni dei nanomateriali con quelle di altri materiali comuni.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)
Come vengono creati i nanobot?
Il campo della nanorobotica è al crocevia di molte discipline e la creazione di nanobot prevede la creazione di sensori, attuatori e motori. Anche la modellistica fisica deve essere fatta e tutto ciò deve essere fatto su scala nanometrica. Come accennato in precedenza, i dispositivi di nanomanipolazione vengono utilizzati per assemblare queste parti su nanoscala e manipolare componenti artificiali o biologici, che include la manipolazione di cellule e molecole.
Gli ingegneri della nanorobotica devono essere in grado di risolvere una moltitudine di problemi. Devono affrontare i problemi riguardanti la sensazione, il potere di controllo, le comunicazioni e le interazioni tra materiali inorganici e organici.
La dimensione di un nanobot è approssimativamente paragonabile alle cellule biologiche, e per questo motivo i futuri nanobot potrebbero essere impiegati in discipline come la medicina e la conservazione / bonifica ambientale. La maggior parte dei “nanobot” che esistono oggi sono solo molecole specifiche che sono state manipolate per svolgere determinati compiti.
I nanobot complessi sono essenzialmente solo molecole semplici unite e manipolate con processi chimici. Ad esempio, alcuni nanobot sono costituiti da DNA e trasportano carichi molecolari.
Come funzionano i nanobot?
Data la natura ancora fortemente teorica dei nanobot, le domande su come funzionano i nanobot ricevono risposta con previsioni piuttosto che dichiarazioni di fatto. È probabile che i primi usi principali per i nanobot saranno nel campo medico, spostandosi attraverso il corpo umano e compiendo compiti come la diagnosi di malattie, il monitoraggio dei vitali e l’erogazione di trattamenti. Questi nanobot dovranno essere in grado di spostarsi all’interno del corpo umano e muoversi attraverso i tessuti come i vasi sanguigni.
Navigazione
In termini di navigazione nanobot, ci sono una varietà di tecniche che i ricercatori e gli ingegneri di nanobot stanno studiando. Un metodo di navigazione è l’utilizzo di segnali ultrasonici per il rilevamento e la distribuzione. Un nanobot potrebbe emettere segnali ultrasonici che potrebbero essere rintracciati per localizzare la posizione dei nanobot, e quindi i robot potrebbero essere guidati verso aree specifiche con l’uso di uno strumento speciale che dirige il loro movimento. I dispositivi di risonanza magnetica (MRI) potrebbero anche essere impiegati per tracciare la posizione dei nanobot e primi esperimenti con la risonanza magneticahanno dimostrato che la tecnologia può essere utilizzata per rilevare e persino manovrare nanobot. Altri metodi per rilevare e manovrare i nanobot includono l’uso di raggi X, microonde e onde radio. Al momento, il nostro controllo di queste onde su nanoscala è piuttosto limitato, quindi dovrebbero essere inventati nuovi metodi di utilizzo di queste onde.
I sistemi di navigazione e rilevamento sopra descritti sono metodi esterni, che si basano sull’uso di strumenti per spostare i nanobot. Con l’aggiunta di sensori integrati, i nanobot potrebbero essere più autonomi. Ad esempio, i sensori chimici inclusi nei nanobot integrati potrebbero consentire al robot di scansionare l’ambiente circostante e seguire determinati marcatori chimici in una regione target.
Energia
Quando si tratta di alimentare i nanobot, i ricercatori stanno anche esplorando una varietà di soluzioni energetiche. Le soluzioni per l’alimentazione dei nanobot comprendono fonti di alimentazione esterne e fonti di alimentazione interne / interne.
Le soluzioni di alimentazione interna includono generatori e condensatori. I generatori a bordo del nanobot potrebbero usare gli elettroliti presenti nel sangue per produrre energia, oppure i nanobot potrebbero persino essere alimentati usando il sangue circostante come catalizzatore chimico che produce energia quando combinato con una sostanza chimica che il nanobot porta con sé. I condensatori funzionano in modo simile alle batterie, immagazzinando energia elettrica che potrebbe essere utilizzata per spingere il nanobot. Altre opzioni come minuscole fonti di energia nucleare sono state addirittura prese in considerazione.
Per quanto riguarda le fonti di energia esterne, fili incredibilmente piccoli e sottili potrebbero legare i nanobot a una fonte di energia esterna. Tali fili potrebbero essere realizzati con cavi in fibra ottica in miniatura, inviando impulsi di luce lungo i fili e generando l’elettricità effettiva all’interno del nanobot.
Altre soluzioni di alimentazione esterna includono campi magnetici o segnali ultrasonici. I nanobot potrebbero impiegare qualcosa chiamato membrana piezoelettrica, che è in grado di raccogliere onde ultrasoniche e trasformarle in energia elettrica. I campi magnetici possono essere utilizzati per catalizzare le correnti elettriche all’interno di un circuito chiuso all’interno del nanobot. Come bonus, il campo magnetico potrebbe anche essere usato per controllare la direzione del nanobot.
Locomozione
Affrontare il problema della locomozione nanobot richiede alcune soluzioni inventive. I nanobot che non sono vincolati o non sono semplicemente fluttuanti nel loro ambiente, devono disporre di un metodo per spostarsi nelle posizioni target. Il sistema di propulsione dovrà essere potente e stabile, in grado di spingere il nanobot contro le correnti nel suo ambiente circostante, come il flusso del sangue. Le soluzioni di propulsione sotto inchiesta sono spesso ispirate al mondo naturale, con i ricercatori che osservano come gli organismi dei microscopi si muovono nel loro ambiente. Ad esempio, i microrganismi usano spesso lunghe code a forma di frusta chiamate flagelli per spingere se stessi, oppure usano un numero di minuscoli arti simili a capelli chiamati ciglia.
I ricercatori stanno anche sperimentando di dare ai robot piccole appendici a forma di braccio che potrebbero consentire al robot di nuotare, afferrare e strisciare. Attualmente, queste appendici sono controllate tramite campi magnetici all’esterno del corpo, poiché la forza magnetica richiede alle braccia del robot di vibrare. Un ulteriore vantaggio di questo metodo di locomozione è che l’energia per esso proviene da una fonte esterna. Questa tecnologia dovrebbe essere resa ancora più piccola per renderla praticabile per veri nanobot.
Esistono anche altre strategie di propulsione più inventive. Ad esempio, alcuni ricercatori hanno proposto di utilizzare condensatori per progettare una pompa elettromagnetica che attiri i fluidi conduttivi e lo spari fuori come un getto , spingendo in avanti il nanobot.
Indipendentemente dall’eventuale applicazione dei nanobot, devono risolvere i problemi sopra descritti, gestendo la navigazione, la locomozione e la potenza.
A cosa servono i nanobot?
Come accennato, i primi usi per i nanobot saranno probabilmente in campo medico . I nanobot potrebbero essere utilizzati per monitorare i danni al corpo e potenzialmente anche facilitare la riparazione di questo danno. I futuri nanobot potrebbero consegnare la medicina direttamente alle cellule che ne hanno bisogno. Attualmente, i medicinali vengono somministrati per via orale o endovenosa e si diffondono in tutto il corpo invece di colpire solo le regioni bersaglio, causando effetti collaterali. I nanobot dotati di sensori potrebbero essere facilmente utilizzati per monitorare i cambiamenti nelle regioni delle celle, segnalando i cambiamenti al primo segno di danno o malfunzionamento.
Siamo ancora molto lontani da queste ipotetiche applicazioni, ma i progressi vengono fatti continuamente. Ad esempio, nel 2017 gli scienziati hanno creato nanobot che hanno preso di mira le cellule tumorali e le hanno attaccate con un trapano miniaturizzato, uccidendole. Quest’anno, un gruppo di ricercatori dell’Università ITMO ha progettato un nanobot composto da frammenti di DNA, in grado di distruggere filamenti patogeni di RNA. Anche i nanobot a base di DNA sono attualmente in grado di trasportare carichi molecolari. Il nanobot è composto da tre diverse sezioni di DNA, manovrando con una “gamba” di DNA e trasportando molecole specifiche con l’uso di un “braccio”.
Oltre alle applicazioni mediche, sono in corso ricerche sull’uso dei nanobot a fini di bonifica e bonifica ambientale. I nanobot potrebbero essere potenzialmente utilizzati per rimuovere metalli pesanti tossici e materie plastiche da corpi idrici. I nanobot potrebbero trasportare composti che rendono inerti le sostanze tossiche se combinati insieme, oppure potrebbero essere utilizzati per degradare i rifiuti di plastica attraverso processi simili. Si stanno anche effettuando ricerche sull’uso di nanobot per facilitare la produzione di chip e processori di computer estremamente piccoli, essenzialmente utilizzando nanobot per produrre circuiti di computer in microscala.
