Nanorobotyka
| Część serii artykułów na temat |
| nanotechnologii molekularnej |
|---|
| Część serii artykułów na temat |
| nanotechnologii |
|---|
| Wpływ i zastosowania |
| Nanomateriały |
| Samoorganizacja molekularna |
| Nanoelektronika |
| Nanometrologia |
| Nanotechnologia molekularna |
Nanorobotyka lub w skrócie nanorobotyka lub nanobotyka to rozwijająca się dziedzina technologii tworząca maszyny lub roboty , których komponenty są w skali nanometra ( 10-9 metrów ) lub zbliżonej do niej. Mówiąc dokładniej, nanorobotyka (w przeciwieństwie do mikrorobotyki ) odnosi się do dyscypliny inżynierii nanotechnologicznej polegającej na projektowaniu i budowaniu nanorobotów z urządzeniami o wielkości od 0,1 do 10 mikrometrów i zbudowanych z nanoskali lub molekularne . Terminy nanobot , nanoid , nanit , nanomaszyna i nanomit były również używane do opisania takich urządzeń, które są obecnie badane i rozwijane.
Nanomaszyny są w dużej mierze w fazie badań i rozwoju , ale przetestowano niektóre prymitywne maszyny molekularne i nanosilniki . Przykładem jest czujnik z przełącznikiem o średnicy około 1,5 nanometra, zdolny do zliczania określonych cząsteczek w próbce chemicznej. Pierwsze użyteczne zastosowania nanomaszyn mogą dotyczyć nanomedycyny . Na przykład maszyny biologiczne można by wykorzystać do identyfikacji i niszczenia komórek nowotworowych. Innym potencjalnym zastosowaniem jest wykrywanie toksycznych chemikaliów i pomiar ich stężenia w środowisku. Rice University zademonstrował jednocząsteczkowy samochód opracowany w procesie chemicznym i zawierający Buckminsterfullerenes (kulki bucky) do kół. Uruchamia się go, kontrolując temperaturę otoczenia i ustawiając skanującego mikroskopu tunelowego .
Inna definicja [ czyja? ] to robot, który umożliwia precyzyjne interakcje z obiektami w nanoskali lub może manipulować z rozdzielczością w nanoskali . Takie urządzenia są bardziej związane z mikroskopią lub mikroskopią sondy skanującej niż z opisem nanorobotów jako maszyn molekularnych . Korzystając z definicji mikroskopii, nawet duży aparat, taki jak mikroskop sił atomowych można uznać za instrument nanorobotyczny, gdy jest skonfigurowany do wykonywania nanomanipulacji. Z tego punktu widzenia roboty w skali makro lub mikroroboty, które mogą poruszać się z nanoskalową precyzją, można również uznać za nanoroboty.
Teoria nanorobotyki
Według Richarda Feynmana , to jego były doktorant i współpracownik Albert Hibbs pierwotnie zasugerował mu (około 1959 r.) Pomysł zastosowania medycznego teoretycznych mikromaszyn Feynmana (patrz maszyna biologiczna ). Hibbs zasugerował, że pewnego dnia niektóre maszyny naprawcze mogą zostać zmniejszone do tego stopnia, że teoretycznie możliwe będzie (jak to ujął Feynman) „ połknięcie chirurga ”. Pomysł został włączony do studium przypadku Feynmana z 1959 roku, eseju Na dnie jest dużo miejsca .
Ponieważ nanoroboty miałyby mikroskopijne rozmiary, prawdopodobnie byłoby to konieczne [ według kogo? ] , aby bardzo duża liczba z nich współpracowała przy wykonywaniu zadań mikroskopowych i makroskopowych. Te roje nanorobotów, zarówno te niezdolne do replikacji (jak we mgle użytkowej ), jak i te zdolne do nieograniczonej replikacji w środowisku naturalnym (jak w szarej mazi i biologii syntetycznej ), można znaleźć w wielu opowieściach science fiction, takich jak Borg nano -sondy w Star Trek i Outer Limits „ The New Breed ”. Niektórzy zwolennicy nanorobotyki, w reakcji na szarej mazi , które wcześniej pomogli propagować, utrzymują pogląd, że nanoroboty zdolne do replikacji poza ograniczonym środowiskiem fabrycznym nie stanowią niezbędnej części rzekomej produktywnej nanotechnologii i że proces samoreplikacji, gdyby kiedykolwiek został opracowany, mógłby być z natury bezpieczny. Ponadto twierdzą, że ich obecne plany rozwoju i wykorzystania produkcji molekularnej w rzeczywistości nie obejmują replikatorów swobodnie żerujących.
Szczegółowa dyskusja teoretyczna nanorobotyki, w tym konkretnych zagadnień projektowych, takich jak wykrywanie, komunikacja zasilania, nawigacja , manipulacja, poruszanie się i obliczenia pokładowe, została przedstawiona w medycznym kontekście nanomedycyny przez Roberta Freitasa . Niektóre z tych dyskusji [ które? ] pozostają na poziomie ogólności nie do zbudowania i nie zbliżają się do poziomu inżynierii szczegółowej.
Implikacje prawne i etyczne
Otwarta technologia
Zgromadzenia Ogólnego Organizacji Narodów Zjednoczonych skierowany został dokument z propozycją rozwoju nanobiotechnologii z wykorzystaniem metod technologii otwartego projektowania , jak w przypadku sprzętu i oprogramowania typu open source . Według dokumentu przesłanego do Organizacji Narodów Zjednoczonych , tak jak open source przyspieszyło w ostatnich latach rozwój systemów komputerowych , tak podobne podejście powinno przynieść korzyści całemu społeczeństwu i przyspieszyć rozwój nanorobotyki. Zastosowanie nanobiotechnologii powinna zostać ustanowiona jako dziedzictwo ludzkości dla przyszłych pokoleń i rozwijana jako otwarta technologia oparta na etycznych praktykach do celów pokojowych . Otwarta technologia jest określana jako podstawowy klucz do takiego celu.
Wyścig nanorobotów
badania i rozwój technologii napędzały wyścig kosmiczny i wyścig zbrojeń nuklearnych , ma miejsce wyścig nanorobotów. Istnieje wiele podstaw pozwalających na włączenie nanorobotów do powstających technologii . Jednym z powodów jest to, że duże korporacje, takie jak General Electric , Hewlett-Packard , Synopsys , Northrop Grumman i Siemens ostatnio pracowali nad rozwojem i badaniami nad nanorobotami; chirurdzy angażują się i zaczynają proponować sposoby zastosowania nanorobotów do typowych procedur medycznych; uniwersytety i instytuty badawcze otrzymały od agencji rządowych fundusze przekraczające 2 miliardy dolarów na badania nad rozwojem nanourządzeń dla medycyny; bankierzy również inwestują strategicznie z zamiarem wcześniejszego nabycia praw i opłat licencyjnych z tytułu przyszłej komercjalizacji nanorobotów. Niektóre aspekty sporów sądowych dotyczących nanorobotów i powiązanych kwestii związanych z monopolem już się pojawiły. W ostatnim czasie przyznano dużą liczbę patentów na nanoroboty, głównie dla rzeczników patentowych, firm specjalizujących się wyłącznie w budowaniu portfeli patentowych oraz prawników. Po długiej serii patentów i ostatecznie sporów sądowych, zobacz na przykład Wynalazek radia , czyli wojna prądów , powstające dziedziny techniki stają się monopolem , który na co dzień jest zdominowany przez wielkie korporacje.
Podejścia produkcyjne
Wytwarzanie nanomaszyn złożonych z komponentów molekularnych to bardzo trudne zadanie. Ze względu na poziom trudności wielu inżynierów i naukowców kontynuuje współpracę w ramach multidyscyplinarnych podejść, aby osiągnąć przełom w tym nowym obszarze rozwoju. Dlatego całkiem zrozumiałe jest znaczenie następujących odrębnych technik stosowanych obecnie w produkcji nanorobotów:
Biochip
Wspólne wykorzystanie nanoelektroniki , fotolitografii i nowych biomateriałów zapewnia możliwe podejście do produkcji nanorobotów do powszechnych zastosowań medycznych, takich jak instrumenty chirurgiczne, diagnostyka i dostarczanie leków. Ta metoda wytwarzania na skalę nanotechnologiczną jest stosowana w przemyśle elektronicznym od 2008 roku. Praktyczne nanoroboty powinny więc zostać zintegrowane jako urządzenia nanoelektroniczne, co umożliwi teleoperację i zaawansowane możliwości oprzyrządowania medycznego.
Nuboty
Robot kwasu nukleinowego (nubot) to organiczna maszyna molekularna w nanoskali. Struktura DNA może zapewnić środki do składania nanomechanicznych urządzeń 2D i 3D. Maszyny oparte na DNA można aktywować za pomocą małych cząsteczek, białek i innych cząsteczek DNA. Bramki obwodów biologicznych oparte na materiałach DNA zostały zaprojektowane jako maszyny molekularne, aby umożliwić dostarczanie leków in vitro na ukierunkowane problemy zdrowotne. Takie oparte na materiałach systemy najbardziej zbliżyłyby się do inteligentnych systemów dostarczania leków z biomateriałów, nie pozwalając jednocześnie na precyzyjną teleoperację in vivo takich zaprojektowanych prototypów.
Systemy związane z powierzchnią
Kilka raportów wykazało przyczepienie syntetycznych silników molekularnych do powierzchni. Wykazano, że te prymitywne nanomaszyny wykonują ruchy przypominające maszyny, gdy są ograniczone do powierzchni makroskopowego materiału. Silniki zakotwiczone na powierzchni mogą być potencjalnie wykorzystywane do przemieszczania i pozycjonowania materiałów w skali nano na powierzchni w sposób podobny do przenośnika taśmowego.
Nanomontaż pozycyjny
Nanofactory Collaboration, założona przez Roberta Freitasa i Ralpha Merkle'a w 2000 roku i skupiająca 23 badaczy z 10 organizacji i 4 krajów, koncentruje się na opracowaniu praktycznego programu badawczego ukierunkowanego na rozwój mechanosyntezy diamentów z kontrolą położenia oraz nanofabryki diamentów , która miałaby zdolność budowania diamentoidalne nanoroboty medyczne.
Biohybrydy
Powstająca dziedzina systemów biohybrydowych łączy biologiczne i syntetyczne elementy konstrukcyjne do zastosowań biomedycznych lub robotycznych. Elementy składowe systemów bionanoelektromechanicznych (BioNEMS) mają nanoskalowe rozmiary, np. DNA, białka czy nanostrukturalne części mechaniczne. E-rezystencja tiol-enu umożliwia bezpośrednie zapisywanie cech w nanoskali, a następnie funkcjonalizację natywnie reaktywnej powierzchni rezystancji za pomocą biomolekuł. Inne podejścia wykorzystują biodegradowalny materiał przyczepiony do cząstek magnetycznych, które umożliwiają prowadzenie ich po ciele.
Na bazie bakterii
Podejście to proponuje wykorzystanie mikroorganizmów biologicznych, takich jak bakteria Escherichia coli i Salmonella typhimurium . Tak więc model wykorzystuje wici do celów napędowych. Pola elektromagnetyczne zwykle sterują ruchem tego rodzaju zintegrowanego urządzenia biologicznego. Chemicy z University of Nebraska stworzyli miernik wilgotności, łącząc bakterię z krzemowym chipem komputerowym.
Wirusowe
Retrowirusy można przeszkolić, aby przyczepiały się do komórek i zastępowały DNA . Przechodzą przez proces zwany odwrotną transkrypcją, aby dostarczyć genetyczne opakowanie w wektorze . Zwykle tymi urządzeniami są geny Pol-Gag wirusa dla systemu Capsid i Delivery. Proces ten nazywany jest retrowirusową terapią genową , mającą zdolność do przebudowy komórkowego DNA za pomocą wektorów wirusowych . Podejście to pojawiło się w postaci genów retrowirusowych , adenowirusowych i lentiwirusowych . Te wektory terapii genowej były używane u kotów do wysyłania genów do organizmu zmodyfikowanego genetycznie (GMO), powodując, że wykazuje on tę cechę.
drukowanie 3d
Druk 3D to proces, w którym trójwymiarowa struktura jest budowana poprzez różne procesy wytwarzania przyrostowego. Druk 3D w nanoskali obejmuje wiele takich samych procesów, zastosowanych na znacznie mniejszą skalę. Aby wydrukować strukturę w skali 5-400 µm, należy znacznie poprawić precyzję maszyny drukującej 3D. Dwuetapowy proces drukowania 3D, wykorzystujący metodę druku 3D i laserowo trawionych płyt, został włączony jako technika ulepszania. Aby być bardziej precyzyjnym w nanoskali, proces drukowania 3D wykorzystuje laserową maszynę do trawienia, która wytrawia szczegóły potrzebne do segmentów nanorobotów na każdej płycie. Płytka jest następnie przenoszona do drukarki 3D, która wypełnia wytrawione obszary pożądaną nanocząstką. Proces drukowania 3D jest powtarzany, aż nanorobot zostanie zbudowany od dołu do góry.
Ten proces drukowania 3D ma wiele zalet. Po pierwsze, zwiększa ogólną dokładność procesu drukowania. [ potrzebne źródło ] Po drugie, ma potencjał tworzenia funkcjonalnych segmentów nanorobota. Drukarka 3D wykorzystuje płynną żywicę, która jest utwardzana dokładnie w odpowiednich miejscach przez skupioną wiązkę lasera. Ognisko wiązki laserowej jest prowadzone przez żywicę za pomocą ruchomych luster i pozostawia utwardzoną linię litego polimeru o szerokości zaledwie kilkuset nanometrów. Ta precyzyjna rozdzielczość umożliwia tworzenie skomplikowanych rzeźb, tak małych jak ziarnko piasku. Proces ten odbywa się przy użyciu fotoaktywnych żywic, które są utwardzane laserem w bardzo małej skali, aby stworzyć strukturę. Ten proces jest szybki jak na standardy druku 3D w nanoskali. Ultramałe elementy można tworzyć za pomocą techniki mikrowytwarzania 3D stosowanej w fotopolimeryzacji wielofotonowej. To podejście wykorzystuje skupiony laser do śledzenia pożądanego obiektu 3D w bloku żelu. Ze względu na nieliniowy charakter fotowzbudzenia, żel utwardza się do postaci stałej tylko w miejscach skupienia lasera, podczas gdy pozostały żel jest wypłukiwany. Łatwo wytwarzane są elementy o rozmiarach poniżej 100 nm, a także złożone struktury z ruchomymi i zazębionymi częściami.
Wyzwania w projektowaniu nanorobotów
Istnieje wiele wyzwań i problemów, które należy rozwiązać podczas projektowania i budowy nanoskalowych maszyn z ruchomymi częściami. Najbardziej oczywistą jest potrzeba opracowania bardzo precyzyjnych narzędzi i technik manipulacyjnych zdolnych do składania pojedynczych nanostruktur z dużą precyzją w działające urządzenie. Mniej oczywiste wyzwanie wiąże się z osobliwościami adhezji i tarcia w nanoskali. Niemożliwe jest sprowadzenie istniejącego projektu makroskopowego urządzenia z ruchomymi częściami do nanoskali. Takie podejście nie zadziała ze względu na wysoką energię powierzchniową nanostruktur, co oznacza, że wszystkie stykające się części będą się sklejać zgodnie z zasadą minimalizacji energii. Przyczepność i tarcie statyczne między częściami mogą łatwo przekroczyć wytrzymałość materiałów, więc części pękną, zanim zaczną się przesuwać względem siebie. Prowadzi to do konieczności projektowania konstrukcji ruchomych o minimalnej powierzchni styku [].
Pomimo szybkiego rozwoju nanorobotów, większości nanorobotów zaprojektowanych do dostarczania leków , „jest jeszcze długa droga do ich komercjalizacji i zastosowań klinicznych”.
Potencjalne zastosowania
Nanomedycyna
Potencjalne zastosowania nanorobotyki w medycynie obejmują wczesną diagnozę i ukierunkowane dostarczanie leków na raka , oprzyrządowanie biomedyczne, chirurgię , farmakokinetykę , monitorowanie cukrzycy i opiekę zdrowotną.
W takich planach oczekuje się, że przyszła nanotechnologia medyczna będzie wykorzystywać nanoroboty wstrzykiwane pacjentowi do wykonywania pracy na poziomie komórkowym. Takie nanoroboty przeznaczone do użytku w medycynie nie powinny się replikować, ponieważ replikacja niepotrzebnie zwiększałaby złożoność urządzenia, zmniejszała niezawodność i zakłócała misję medyczną.
Nanotechnologia zapewnia szeroką gamę nowych technologii do opracowywania niestandardowych środków w celu optymalizacji dostarczania leków farmaceutycznych . Obecnie szkodliwe skutki uboczne terapii, takich jak chemioterapia , są zwykle wynikiem metod dostarczania leków, które nie określają dokładnie ich zamierzonych komórek docelowych. Naukowcom z Harvardu i MIT udało się jednak przyczepić do nanocząstek specjalne nici RNA o średnicy prawie 10 nm, wypełniając je lekiem stosowanym w chemioterapii. Te nici RNA są przyciągane do komórek rakowych . Kiedy nanocząsteczka napotyka komórkę rakową, przylega do niej i uwalnia lek do komórki rakowej. Ta ukierunkowana metoda dostarczania leków ma ogromny potencjał w leczeniu pacjentów z rakiem przy jednoczesnym uniknięciu negatywnych skutków (powszechnie związanych z niewłaściwym dostarczaniem leków). Pierwszą demonstrację działania nanomotorów w organizmach żywych przeprowadzono w 2014 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Nanokapsuły kierowane przez MRI są jednym z potencjalnych prekursorów nanorobotów.
Innym użytecznym zastosowaniem nanorobotów jest pomoc w naprawie komórek tkankowych obok białych krwinek . Rekrutacja komórek zapalnych lub białych krwinek (w tym granulocytów obojętnochłonnych , limfocytów , monocytów i komórek tucznych ) do dotkniętego obszaru jest pierwszą odpowiedzią tkanek na uszkodzenie. Ze względu na swoje małe rozmiary nanoroboty mogły przyczepiać się do powierzchni rekrutowanych białych krwinek, aby przecisnąć się przez ściany naczyń krwionośnych i docierają do miejsca urazu, gdzie mogą pomóc w procesie naprawy tkanek. W celu przyspieszenia regeneracji można by ewentualnie zastosować pewne substancje.
Nauka stojąca za tym mechanizmem jest dość złożona. Przejście komórek przez śródbłonek krwi , proces znany jako transmigracja, jest mechanizmem obejmującym zaangażowanie receptorów powierzchniowych komórki w cząsteczki adhezyjne, działanie siły czynnej i rozszerzenie ścian naczynia oraz fizyczne odkształcenie migrujących komórek. Przyczepiając się do migrujących zapalnych , roboty mogą w efekcie „złapać się na przejażdżkę” przez naczynia krwionośne, omijając potrzebę własnego złożonego mechanizmu transmigracji.
Od 2016 roku w Stanach Zjednoczonych Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) reguluje nanotechnologię na podstawie wielkości.
Opracowano również cząsteczki nanokompozytu, które są zdalnie sterowane za pomocą pola elektromagnetycznego . Ta seria nanorobotów, które są obecnie wpisane do Księgi Rekordów Guinnessa , może być używana do interakcji z komórkami biologicznymi . Naukowcy sugerują, że tę technologię można wykorzystać do leczenia raka .
Odniesienia kulturowe
Nanity to postacie z programu telewizyjnego Mystery Science Theatre 3000 . To samoreplikujące się, bioinżynieryjne organizmy, które pracują na statku i rezydują w systemach komputerowych SOL. Po raz pierwszy pojawili się w sezonie 8. Nanity są używane w wielu odcinkach serialu Netflix „Travelers”. Można je zaprogramować i wstrzyknąć rannym osobom w celu naprawy. Pierwszy występ w sezonie 1
Nanity pojawiają się również w rozszerzeniu Rise of Iron 2016 do Destiny, w którym SIVA, samoreplikująca się nanotechnologia, jest używana jako broń.
Nanity (określane częściej jako nanomaszyny) są często wymieniane w serii „Metal Gear” firmy Konami, używanej do wzmacniania i regulowania zdolności i funkcji ciała.
W programach telewizyjnych z serii Star Trek nanity odgrywają ważną rolę w fabule. Począwszy od „ Ewolucji ” w trzecim sezonie The Next Generation , Borg Nanoprobes pełnią funkcję konserwacji systemów cybernetycznych Borg, a także naprawiają uszkodzenia organicznych części Borga. W razie potrzeby wytwarzają nową technologię wewnątrz Borg, a także chronią ich przed wieloma formami chorób.
Nanity odgrywają rolę w grze wideo Deus Ex , będąc podstawą technologii nano-augmentacji, która daje ulepszonym ludziom nadludzkie zdolności.
Nanity są również wspomniane w serii książek Arc of a Scythe autorstwa Neala Shustermana i są używane do leczenia wszystkich nieśmiertelnych obrażeń, regulowania funkcji organizmu i znacznego zmniejszania bólu.
Nanity są również integralną częścią Stargate SG1 i Stargate Atlantis, gdzie przedstawione są scenariusze szarej mazi .
Zobacz też
Dalsza lektura
- Haken, Hermann ; Paweł, Lewi (2012). Agenci synergiczni. Od systemów wielorobotowych do robotyki molekularnej . Weinheim: Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-41166-5 .
Linki zewnętrzne
| Główne artykuły |  |
|
|---|---|---|
| typy | ||
| Klasyfikacje | ||
| Lokomocja | ||
| Badania | ||
| Powiązany | ||
