Was sind Nanobots? Struktur, Betrieb und Verwendung von Nanobots verstehen (2024)

Mit fortschreitender Technologie werden die Dinge nicht immer größer und besser, sondern auch die Objekte werden kleiner. Tatsächlich ist die Nanotechnologie mit einem Wert von über 1 Billion US-Dollar einer der am schnellsten wachsenden Technologiebereiche und wird im nächsten halben Jahrzehnt voraussichtlich um etwa 17 % wachsen. Nanobots sind ein wichtiger Teil der Nanotechnologie, aber was genau sind sie und wie funktionieren sie? Werfen wir einen genaueren Blick auf Nanobots, um zu verstehen, wie diese transformative Technologie funktioniert und wofür sie verwendet wird.

Was sind Nanobots?

Der Bereich der Nanotechnologie befasst sich mit der Erforschung und Entwicklung von Technologien im Maßstab von etwa einem bis 100 Nanometern. Daher konzentriert sich die Nanorobotik auf die Entwicklung von Robotern dieser Größe. In der Praxis ist es schwierig, etwas zu entwickeln, das nur einen Nanometer groß ist, und die Begriffe „Nanorobotik“ und „Nanobot“ werden häufig verwendet angewandt hin zu Geräten mit einer Größe von etwa 0.1 – 10 Mikrometern, was immer noch recht klein ist.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Begriff „Nanoroboter“ manchmal für Geräte verwendet wird, die mit Objekten im Nanomaßstab interagieren und dabei Gegenstände im Nanomaßstab manipulieren. Auch wenn das Gerät selbst viel größer ist, kann es daher als nanorobotisches Instrument betrachtet werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf Nanoroboter selbst.

Ein Großteil des Gebiets der Nanorobotik und Nanobots befindet sich noch in der theoretischen Phase, wobei sich die Forschung auf die Lösung von Konstruktionsproblemen in einem so kleinen Maßstab konzentriert. Es wurden jedoch einige Prototypen von Nanomaschinen und Nanomotoren entworfen und getestet.

Die meisten derzeit existierenden nanorobotischen Geräte fallen darunter eine von vier Kategorien: Schalter, Motoren, Shuttles und Autos.

Nanoroboterschalter funktionieren, indem sie aufgefordert werden, von einem „Aus“-Zustand in einen „Ein“-Zustand zu wechseln. Umweltfaktoren werden genutzt, um die Form der Maschine zu verändern, ein Prozess, der als Konformationsänderung bezeichnet wird. Die Umgebung wird durch Prozesse wie chemische Reaktionen, UV-Licht und Temperatur verändert, und die nanorobotischen Schalter verändern sich dadurch in verschiedene Formen, die bestimmte Aufgaben erfüllen können.

Nanomotoren sind komplexer als einfache Schalter und nutzen die durch die Konformationsänderung erzeugte Energie, um sich zu bewegen und die Moleküle in der Umgebung zu beeinflussen.

Shuttles sind Nanoroboter, die Chemikalien wie Medikamente in bestimmte Zielregionen transportieren können. Ziel ist es, Shuttles mit Nanorobotermotoren zu kombinieren, damit sich die Shuttles besser durch eine Umgebung bewegen können.

Nanoroboter-„Autos“ sind derzeit die fortschrittlichsten Nanogeräte, die sich auf Anregung chemischer oder elektromagnetischer Katalysatoren selbstständig fortbewegen können. Die Nanomotoren, die Nanoroboterautos antreiben, müssen gesteuert werden, damit das Fahrzeug gesteuert werden kann, und Forscher experimentieren mit verschiedenen Methoden der Nanorobotersteuerung.

Nanorobotikforscher wollen diese verschiedenen Komponenten und Technologien zu Nanomaschinen synthetisieren, die komplexe Aufgaben erledigen können, die von Schwärmen von Nanobots gemeinsam erledigt werden.

Wie entstehen Nanobots?

Das Gebiet der Nanorobotik steht an der Schnittstelle vieler Disziplinen und die Schaffung von Nanobots umfasst die Entwicklung von Sensoren, Aktoren und Motoren. Es muss auch eine physikalische Modellierung durchgeführt werden, und zwar alles im Nanomaßstab. Wie oben erwähnt, werden Nanomanipulationsgeräte verwendet, um diese nanoskaligen Teile zusammenzusetzen und künstliche oder biologische Komponenten zu manipulieren, einschließlich der Manipulation von Zellen und Molekülen.

Nanorobotik-Ingenieure müssen in der Lage sein, eine Vielzahl von Problemen zu lösen. Sie müssen sich mit Fragen der Empfindung, der Kontrollkraft, der Kommunikation und der Wechselwirkungen zwischen anorganischen und organischen Materialien befassen.

Die Größe eines Nanobots ist in etwa mit der von biologischen Zellen vergleichbar, und aus diesem Grund könnten zukünftige Nanobots in Disziplinen wie der Medizin und dem Umweltschutz/der Umweltsanierung eingesetzt werden. Die meisten heute existierenden „Nanobots“ sind lediglich spezifische Moleküle, die manipuliert wurden, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen.

Komplexe Nanobots sind im Wesentlichen nur einfache Moleküle, die durch chemische Prozesse zusammengefügt und manipuliert werden. Einige Nanobots sind es zum Beispiel bestehend aus DNA, Und sie Transport molekularer Fracht.

Wie funktionieren Nanobots?

Angesichts des immer noch stark theoretischen Charakters von Nanobots werden Fragen zur Funktionsweise von Nanobots eher mit Vorhersagen als mit Tatsachenbehauptungen beantwortet. Es ist wahrscheinlich, dass die ersten großen Einsatzmöglichkeiten für Nanobots im medizinischen Bereich liegen werden, wo sie sich durch den menschlichen Körper bewegen und Aufgaben wie die Diagnose von Krankheiten, die Überwachung von Vitalwerten und die Verabreichung von Behandlungen erfüllen. Diese Nanobots müssen in der Lage sein, sich im menschlichen Körper zurechtzufinden und sich durch Gewebe wie Blutgefäße zu bewegen.

Menü

Im Hinblick auf die Nanobot-Navigation gibt es eine Vielzahl von Techniken, die Nanobot-Forscher und -Ingenieure untersuchen. Eine Navigationsmethode ist die Nutzung von Ultraschallsignalen zur Erkennung und Bereitstellung. Ein Nanobot könnte Ultraschallsignale aussenden, die verfolgt werden könnten, um die Position der Nanobots zu lokalisieren, und die Roboter könnten dann mithilfe eines speziellen Werkzeugs, das ihre Bewegung steuert, zu bestimmten Bereichen geführt werden. Geräte zur Magnetresonanztomographie (MRT) könnten auch eingesetzt werden, um die Position von Nanobots zu verfolgen frühe Experimente mit MRTs haben gezeigt, dass die Technologie zum Erkennen und sogar Manövrieren von Nanobots eingesetzt werden kann. Andere Methoden zur Erkennung und Steuerung von Nanobots umfassen den Einsatz von Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen. Derzeit ist unsere Kontrolle über diese Wellen im Nanomaßstab ziemlich begrenzt, daher müssten neue Methoden zur Nutzung dieser Wellen erfunden werden.

Bei den oben beschriebenen Navigations- und Erkennungssystemen handelt es sich um externe Methoden, die auf dem Einsatz von Werkzeugen zur Bewegung der Nanobots beruhen. Durch die Hinzufügung integrierter Sensoren könnten die Nanobots autonomer sein. Chemische Sensoren an Bord von Nanobots könnten es dem Roboter beispielsweise ermöglichen, die Umgebung zu scannen und bestimmten chemischen Markern zu einer Zielregion zu folgen.

Power

Wenn es um den Antrieb der Nanobots geht, gibt es auch eine Vielzahl von Energielösungen, die von Forschern erforscht werden. Zu den Lösungen für die Stromversorgung von Nanobots gehören externe Stromquellen und integrierte/interne Stromquellen.

Zu den internen Stromversorgungslösungen gehören Generatoren und Kondensatoren. Generatoren an Bord des Nanobots könnten die im Blut enthaltenen Elektrolyte nutzen, um Energie zu erzeugen, oder Nanobots könnten sogar angetrieben werden, indem sie das umgebende Blut als chemischen Katalysator nutzen, der in Kombination mit einer Chemikalie, die der Nanobot mit sich führt, Energie erzeugt. Kondensatoren funktionieren ähnlich wie Batterien und speichern elektrische Energie, die zum Antrieb des Nanobots verwendet werden könnte. Es wurden sogar andere Optionen wie winzige Atomkraftwerke in Betracht gezogen.

Was externe Stromquellen betrifft, könnten unglaublich kleine, dünne Drähte die Nanobots an eine externe Stromquelle binden. Solche Drähte könnten aus Miniatur-Glasfaserkabeln bestehen, die Lichtimpulse durch die Drähte senden und dafür sorgen, dass der eigentliche Strom im Nanobot erzeugt wird.

Andere externe Energielösungen umfassen Magnetfelder oder Ultraschallsignale. Nanobots könnten eine sogenannte piezoelektrische Membran verwenden, die Ultraschallwellen sammeln und in elektrische Energie umwandeln kann. Mithilfe von Magnetfeldern können elektrische Ströme innerhalb einer geschlossenen leitenden Schleife an Bord des Nanobots katalysiert werden. Als Bonus könnte das Magnetfeld auch zur Steuerung der Richtung des Nanobots genutzt werden.

Locomotion

Bewältigung des Problems von Fortbewegung von Nanobots erfordert einige erfinderische Lösungen. Nanobots, die nicht angebunden sind oder sich nicht einfach frei in ihrer Umgebung bewegen, müssen über eine Möglichkeit verfügen, sich zu ihren Zielorten zu bewegen. Das Antriebssystem muss leistungsstark und stabil sein und in der Lage sein, den Nanobot gegen Strömungen in seiner Umgebung, wie etwa den Blutfluss, anzutreiben. Die untersuchten Antriebslösungen sind oft von der Natur inspiriert, wobei Forscher untersuchen, wie sich Mikroskoporganismen durch ihre Umgebung bewegen. Beispielsweise verwenden Mikroorganismen häufig lange, peitschenartige Schwänze, sogenannte Flagellen, um sich fortzubewegen, oder sie verwenden eine Reihe winziger, haarähnlicher Gliedmaßen, sogenannte Flimmerhärchen.

Forscher experimentieren auch damit, Roboter klein zu machen armartige Anhängsel Dadurch könnte der Roboter schwimmen, greifen und kriechen. Derzeit werden diese Anhängsel über Magnetfelder außerhalb des Körpers gesteuert, da die Magnetkraft die Arme des Roboters in Schwingungen versetzt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Fortbewegungsmethode besteht darin, dass die Energie dafür von einer externen Quelle stammt. Diese Technologie müsste noch kleiner gemacht werden, um sie für echte Nanobots nutzbar zu machen.

Es werden auch andere, einfallsreichere Antriebsstrategien untersucht. Einige Forscher haben beispielsweise vorgeschlagen, Kondensatoren zu verwenden, um eine elektromagnetische Pumpe zu konstruieren, die leitfähige Flüssigkeiten ansaugt und wieder herausschießt wie ein Jet, was den Nanobot vorwärts treibt.

Unabhängig von der letztendlichen Anwendung von Nanobots müssen sie die oben beschriebenen Probleme lösen, indem sie Navigation, Fortbewegung und Energie handhaben.

Wofür werden Nanobots verwendet?

Wie bereits erwähnt, die ersten Einsatzmöglichkeiten für Nanobots wird wahrscheinlich drin sein den medizinischen Bereich. Nanobots könnten zur Überwachung von Schäden am Körper eingesetzt werden und möglicherweise sogar die Reparatur dieser Schäden erleichtern. Zukünftige Nanobots könnten Medikamente direkt an die Zellen liefern, die sie benötigen. Derzeit werden Medikamente oral oder intravenös verabreicht und verteilen sich im ganzen Körper, anstatt nur die Zielregionen zu treffen, was zu Nebenwirkungen führt. Mit Sensoren ausgestattete Nanobots könnten problemlos zur Überwachung von Veränderungen in Zellregionen eingesetzt werden und Veränderungen beim ersten Anzeichen einer Beschädigung oder Fehlfunktion melden.

Von diesen hypothetischen Anwendungen sind wir noch weit entfernt, aber es gibt immer noch Fortschritte. Als Beispiel im Jahr 2017 Wissenschaftler schufen Nanobots, die auf Krebszellen abzielten und griff sie mit einem miniaturisierten Bohrer an und tötete sie. In diesem Jahr entwarf eine Gruppe von Forschern der ITMO-Universität einen Nanobot, der aus DNA-Fragmenten besteht. ist in der Lage, pathogene RNA-Stränge zu zerstören. DNA-basierte Nanobots sind derzeit auch in der Lage, molekulare Fracht zu transportieren. Der Nanobot besteht aus drei verschiedenen DNA-Abschnitten, manövriert mit einem DNA-„Bein“ und transportiert bestimmte Moleküle mit Hilfe eines „Arms“.

Über medizinische Anwendungen hinaus wird der Einsatz von Nanobots zur Umweltsanierung und -sanierung erforscht. Nanobots könnten möglicherweise zur Entfernung eingesetzt werden giftige Schwermetalle und Kunststoffe aus Gewässern. Die Nanobots könnten Verbindungen tragen, die in Kombination giftige Substanzen inaktiv machen, oder sie könnten durch ähnliche Prozesse zum Abbau von Plastikmüll verwendet werden. Es wird auch an der Verwendung von Nanobots geforscht, um die Herstellung extrem kleiner Computerchips und Prozessoren zu erleichtern, wobei Nanobots im Wesentlichen zur Herstellung von Computerschaltkreisen im Mikromaßstab eingesetzt werden.