Nanorobotik

"Nanobots" omdirigerar hit. För albumet They Might Be Giants, se Nanobots (album) .

Kinesin använder proteindomändynamik på nanoskala för att gå längs en mikrotubuli .

Nanoidrobotik , eller kort sagt nanorobotik eller nanobotik , är ett framväxande teknologifält som skapar maskiner eller robotar vars komponenter är på eller nära skalan av en nanometer (10 ⁻⁹ meter). Närmare bestämt hänvisar nanorobotik (till skillnad från mikrorobotik ) till den nanotekniska ingenjörsdisciplinen att designa och bygga nanorobotar med enheter som sträcker sig i storlek från 0,1 till 10 mikrometer och konstruerade av nanoskala eller molekylära komponenter. Termerna nanobot , nanoid , nanite , nanomachine och nanomite har också använts för att beskriva sådana enheter som för närvarande är under forskning och utveckling.

Nanomaskiner befinner sig till stor del i forsknings- och utvecklingsfasen , men vissa primitiva molekylära maskiner och nanomotorer har testats. Ett exempel är en sensor med en omkopplare med en diameter på cirka 1,5 nanometer, som kan räkna specifika molekyler i det kemiska provet. De första användbara tillämpningarna av nanomaskiner kan vara inom nanomedicin . Till exempel biologiska maskiner användas för att identifiera och förstöra cancerceller. En annan potentiell tillämpning är detektering av giftiga kemikalier och mätning av deras koncentrationer i miljön. Rice University har demonstrerat en bil med en molekyl som utvecklats genom en kemisk process och inkluderar Buckminsterfullerenes (buckyballs) för hjul. Den aktiveras genom att kontrollera omgivningstemperaturen och genom att placera en skanningstunnelmikroskopspets .

En annan definition är en robot som tillåter exakt interaktion med objekt i nanoskala, eller kan manipulera med upplösning i nanoskala . Sådana anordningar är mer relaterade till mikroskopi eller skanningsprobmikroskopi , istället för beskrivningen av nanorobotar som molekylära maskiner . Med hjälp av mikroskopidefinitionen kan även en stor apparat som ett atomkraftmikroskop betraktas som ett nanorobotinstrument när det är konfigurerat för att utföra nanomanipulation. För denna synvinkel kan makroskaliga robotar eller mikrorobotar som kan röra sig med nanoskala precision också betraktas som nanorobotar.

Nanorobotteori

En ribosom är en biologisk maskin .

Enligt Richard Feynman var det hans tidigare doktorand och samarbetspartner Albert Hibbs som ursprungligen föreslog honom (cirka 1959) idén om en medicinsk användning av Feynmans teoretiska mikromaskiner (se biologisk maskin ). Hibbs föreslog att vissa reparationsmaskiner en dag skulle kunna reduceras i storlek till den grad att det i teorin skulle vara möjligt att (som Feynman uttryckte det) " svälja kirurgen ". Idén införlivades i Feynmans fallstudie 1959 essä There's Plenty of Room at the Bottom .

Eftersom nanorobotar skulle vara mikroskopiska till storleken skulle det förmodligen vara nödvändigt för mycket stora antal av dem att arbeta tillsammans för att utföra mikroskopiska och makroskopiska uppgifter. Dessa nanorobotsvärmar, både de som inte kan replikera (som i bruksdimma ) och de som kan replikera obegränsat i den naturliga miljön (som i grå smuts och syntetisk biologi ), finns i många science fiction-berättelser, som Borg nano -prober i Star Trek och The Outer Limits -avsnittet " The New Breed" . Vissa förespråkare av nanorobotik, som en reaktion på de gråa goo -scenarier som de tidigare hjälpt till att sprida, har åsikten att nanorobotar som kan replikera utanför en begränsad fabriksmiljö inte utgör en nödvändig del av en påstådd produktiv nanoteknik, och att processen med självreplikation, om den någonsin skulle utvecklas, kunde göras i sig säker. De hävdar vidare att deras nuvarande planer för att utveckla och använda molekylär tillverkning i själva verket inte inkluderar replikatorer för fritt födosök.

En detaljerad teoretisk diskussion om nanorobotik, inklusive specifika designfrågor som avkänning, kraftkommunikation, navigering , manipulation, förflyttning och beräkningar ombord, har presenterats i den medicinska kontexten av nanomedicin av Robert Freitas . Några av dessa diskussioner förblir på nivån av obyggbar generalitet och närmar sig inte nivån av detaljerad ingenjörskonst.

Juridiska och etiska konsekvenser

Öppen teknik

Ett dokument med ett förslag om utveckling av nanobioteknik med metoder för öppen designteknik , som i hårdvara med öppen källkod och programvara med öppen källkod, har riktats till FN:s generalförsamling . Enligt dokumentet som skickats till FN , på samma sätt som öppen källkod under de senaste åren har accelererat utvecklingen av datorsystem , borde ett liknande tillvägagångssätt gynna samhället i stort och påskynda utvecklingen av nanorobotik. Användningen av nanobioteknik bör etableras som ett mänskligt arv för kommande generationer och utvecklas som en öppen teknik baserad på etiska metoder för fredliga syften. Öppen teknologi anges som en grundläggande nyckel för ett sådant syfte.

Nanorobotlopp

På samma sätt som teknologisk forskning och utveckling drev rymdkapplöpningen och kärnvapenkapplöpningen pågår en kapplöpning för nanorobotar. Det finns gott om mark som gör att nanorobotar kan inkluderas bland de framväxande teknologierna . Några av anledningarna är att stora företag, som General Electric , Hewlett-Packard , Synopsys , Northrop Grumman och Siemens nyligen har arbetat med utveckling och forskning av nanorobotar; kirurger engagerar sig och börjar föreslå sätt att använda nanorobotar för vanliga medicinska procedurer; universitet och forskningsinstitut beviljades medel av statliga myndigheter på över 2 miljarder USD för forskning som utvecklade nanoenheter för medicin; bankirer investerar också strategiskt i avsikt att i förväg förvärva rättigheter och royalties på framtida kommersialisering av nanorobotar. Vissa aspekter av nanorobottvister och relaterade frågor kopplade till monopol har redan uppstått. Ett stort antal patent har nyligen beviljats ​​på nanorobotar, främst för patentombud, företag som enbart specialiserat sig på att bygga patentportföljer och advokater. Efter en lång rad patent och så småningom rättstvister, se till exempel uppfinningen av radio , eller strömkriget , tenderar framväxande teknikområden att bli ett monopol , som normalt domineras av stora företag.

Tillverkningsmetoder

Att tillverka nanomaskiner sammansatta av molekylära komponenter är en mycket utmanande uppgift. På grund av svårighetsgraden fortsätter många ingenjörer och forskare att samarbeta över multidisciplinära metoder för att uppnå genombrott inom detta nya utvecklingsområde. Därför är det ganska förståeligt vikten av följande distinkta tekniker som för närvarande används för tillverkning av nanorobotar:

Biochip

Huvudartikel: Biochip

Den gemensamma användningen av nanoelektronik , fotolitografi och nya biomaterial ger ett möjligt tillvägagångssätt för tillverkning av nanorobotar för vanliga medicinska användningar, såsom kirurgisk instrumentering, diagnos och läkemedelsleverans. Denna metod för tillverkning i nanoteknisk skala har använts inom elektronikindustrin sedan 2008. Så praktiska nanorobotar bör integreras som nanoelektronikenheter, vilket kommer att möjliggöra teledrift och avancerade möjligheter för medicinsk instrumentering.

Nubots

Huvudartikel: DNA-maskin

En nukleinsyrarobot (nubot) är en organisk molekylär maskin på nanoskala. DNA-struktur kan tillhandahålla medel för att montera 2D och 3D nanomekaniska enheter. DNA-baserade maskiner kan aktiveras med hjälp av små molekyler, proteiner och andra DNA-molekyler. Biologiska kretsgrindar baserade på DNA-material har konstruerats som molekylära maskiner för att möjliggöra in vitro-läkemedelstillförsel för riktade hälsoproblem. Sådana materialbaserade system skulle fungera närmast till smarta biomaterialläkemedelssystemleveranser, samtidigt som de inte tillåter exakt in vivo teleoperation av sådana konstruerade prototyper.

Ytbundna system

Flera rapporter har visat att syntetiska molekylära motorer fäster på ytor. Dessa primitiva nanomaskiner har visat sig genomgå maskinliknande rörelser när de är begränsade till ytan av ett makroskopiskt material. De ytförankrade motorerna skulle potentiellt kunna användas för att flytta och placera material i nanoskala på en yta på samma sätt som ett transportband.

Positionell nanomontering

Nanofactory Collaboration, som grundades av Robert Freitas och Ralph Merkle 2000 och som involverar 23 forskare från 10 organisationer och 4 länder, fokuserar på att utveckla en praktisk forskningsagenda specifikt inriktad på att utveckla positionsstyrd diamantmekanosyntes och en diamantformad nanofabrik som skulle ha förmågan att bygga diamondoid medicinska nanorobotar.

Biohybrider

Se även: Biohybrid mikrosimmare

Det framväxande området för biohybridsystem kombinerar biologiska och syntetiska strukturella element för biomedicinska eller robotapplikationer. Beståndsdelarna i bio-nanoelektromekaniska system (BioNEMS) är av nanoskala, till exempel DNA, proteiner eller nanostrukturerade mekaniska delar. Tiol-en e-beams resist tillåter direkt skrivning av nanoskala egenskaper, följt av funktionalisering av den naturligt reaktiva resistytan med biomolekyler. Andra tillvägagångssätt använder ett biologiskt nedbrytbart material fäst vid magnetiska partiklar som gör att de kan styras runt i kroppen.

Bakteriebaserad

Se även: Bakteriell motilitet

Detta tillvägagångssätt föreslår användning av biologiska mikroorganismer, som bakterien Escherichia coli och Salmonella typhimurium . Således använder modellen ett flagellum för framdrivningsändamål. Elektromagnetiska fält styr normalt rörelsen hos denna typ av biologiskt integrerad enhet. Kemister vid University of Nebraska har skapat en luftfuktighetsmätare genom att smälta en bakterie till ett datorchip av kisel.

Virusbaserat

Retrovirus kan tränas om för att fästa till celler och ersätta DNA . De går igenom en process som kallas omvänd transkription för att leverera genetisk förpackning i en vektor . Vanligtvis är dessa enheter Pol-Gag- gener av viruset för Capsid- och Delivery-systemet. Denna process kallas retroviral genterapi , med förmågan att omkonstruera cellulärt DNA genom användning av virala vektorer . Detta tillvägagångssätt har dykt upp i form av retrovirala , adenovirala och lentivirala genleveranssystem . Dessa genterapivektorer har använts hos katter för att skicka gener till den genetiskt modifierade organismen (GMO), vilket får den att visa egenskapen.

3d-utskrivning

Huvudartikel: 3D-utskrift

3D-utskrift är den process genom vilken en tredimensionell struktur byggs upp genom de olika processerna för additiv tillverkning. Nanoskala 3D-utskrift involverar många av samma processer, införlivade i mycket mindre skala. För att skriva ut en struktur i skalan 5-400 µm behöver 3D-skrivarens precision förbättras avsevärt. En tvåstegsprocess med 3D-utskrift, med 3D-utskrift och laseretsade plåtmetod, inkorporerades som en förbättringsteknik. För att vara mer exakt i nanoskala använder 3D-utskriftsprocessen en laseretsningsmaskin, som etsar in de detaljer som behövs för segmenten av nanorobotar i varje platta. Plåten överförs sedan till 3D-skrivaren, som fyller de etsade områdena med den önskade nanopartikeln. 3D-utskriftsprocessen upprepas tills nanoroboten är byggd nerifrån och upp.

Denna 3D-utskriftsprocess har många fördelar. För det första ökar det den övergripande noggrannheten i utskriftsprocessen. För det andra har den potentialen att skapa funktionella segment av en nanorobot. 3D-skrivaren använder ett flytande harts, som härdas på exakt rätt ställen av en fokuserad laserstråle. Laserstrålens brännpunkt styrs genom hartset av rörliga speglar och lämnar efter sig en härdad linje av solid polymer, bara några hundra nanometer bred. Denna fina upplösning möjliggör skapandet av intrikat strukturerade skulpturer så små som ett sandkorn. Denna process sker genom att använda fotoaktiva hartser, som härdas av lasern i extremt liten skala för att skapa strukturen. Denna process är snabb enligt 3D-utskriftsstandarder i nanoskala. Ultrasmå funktioner kan göras med 3D-mikrotillverkningstekniken som används vid multifotonfotopolymerisation. Detta tillvägagångssätt använder en fokuserad laser för att spåra det önskade 3D-objektet till ett gelblock. På grund av den olinjära naturen hos fotoexcitation härdas gelén till en fast substans endast på de ställen där lasern fokuserades medan den återstående gelén sedan tvättas bort. Funktionsstorlekar på under 100 nm produceras lätt, liksom komplexa strukturer med rörliga och sammankopplade delar.

Utmaningar med att designa nanorobotar

Det finns ett antal utmaningar och problem som bör åtgärdas när man designar och bygger maskiner i nanoskala med rörliga delar. Det mest uppenbara är behovet av att utveckla mycket fina verktyg och manipulationstekniker som kan sätta ihop individuella nanostrukturer med hög precision till operativ enhet. Mindre uppenbar utmaning är relaterad till särdragen av vidhäftning och friktion på nanoskala. Det är omöjligt att ta befintlig design av makroskopisk enhet med rörliga delar och bara reducera den till nanoskala. Ett sådant tillvägagångssätt kommer inte att fungera på grund av hög ytenergi hos nanostrukturer, vilket innebär att alla kontaktande delar kommer att hålla ihop enligt energiminimeringsprincipen. Vidhäftningen och den statiska friktionen mellan delar kan lätt överstiga materialstyrkan, så delarna kommer att gå sönder innan de börjar röra sig i förhållande till varandra. Detta leder till behovet av att designa rörliga strukturer med minimal kontaktyta [].

Trots den snabba utvecklingen av nanorobotar, de flesta av de nanorobotar som är designade för läkemedelsleveransändamål , är det "fortfarande en lång väg kvar att gå innan deras kommersialisering och kliniska tillämpningar kan uppnås."

Potentiella användningsområden

Se även: Tillämpningar av nanoteknik

Nanomedicin

Huvudartikel: Nanomedicin

Potentiella användningsområden för nanorobotik inom medicin inkluderar tidig diagnos och riktad läkemedelsleverans för cancer , biomedicinsk instrumentering, kirurgi , farmakokinetik , övervakning av diabetes och hälsovård.

I sådana planer förväntas framtida medicinsk nanoteknik använda nanorobotar som injiceras i patienten för att utföra arbete på cellnivå. Sådana nanorobotar avsedda för användning inom medicin bör vara icke-replikerande, eftersom replikering i onödan skulle öka enhetens komplexitet, minska tillförlitligheten och störa det medicinska uppdraget.

Nanoteknik tillhandahåller ett brett utbud av nya teknologier för att utveckla skräddarsydda metoder för att optimera leveransen av farmaceutiska läkemedel . Idag är skadliga biverkningar av behandlingar som kemoterapi vanligtvis ett resultat av läkemedelstillförselmetoder som inte preciserar deras avsedda målceller. Forskare vid Harvard och MIT har dock kunnat fästa speciella RNA- strängar, som mäter nästan 10 nm i diameter, till nanopartiklar och fyllt dem med ett kemoterapiläkemedel. Dessa RNA-strängar attraheras av cancerceller . När nanopartikeln möter en cancercell fäster den vid den och släpper ut läkemedlet i cancercellen. Denna riktade metod för läkemedelstillförsel har stor potential för att behandla cancerpatienter samtidigt som man undviker negativa effekter (vanligen förknippad med felaktig läkemedelstillförsel). Den första demonstrationen av nanomotorer som verkar i levande organismer genomfördes 2014 vid University of California, San Diego. MRT-styrda nanokapslar är en potentiell föregångare till nanorobotar.

En annan användbar tillämpning av nanorobotar är att hjälpa till med reparation av vävnadsceller tillsammans med vita blodkroppar . Att rekrytera inflammatoriska celler eller vita blodkroppar (som inkluderar neutrofila granulocyter , lymfocyter , monocyter och mastceller ) till det drabbade området är det första svaret från vävnader på skada. På grund av sin ringa storlek kan nanorobotar fästa sig på ytan av rekryterade vita blodkroppar, för att pressa sig ut genom blodkärlens väggar och komma fram till skadeplatsen, där de kan hjälpa till med vävnadsreparationsprocessen. Vissa ämnen kan möjligen användas för att påskynda återhämtningen.

Vetenskapen bakom denna mekanism är ganska komplex. Passage av celler genom blodendotelet , en process som kallas transmigration, är en mekanism som involverar engagemang av cellytreceptorer till adhesionsmolekyler, aktiv kraftansträngning och utvidgning av kärlväggarna och fysisk deformation av de migrerande cellerna. Genom att fästa sig vid migrerande inflammatoriska celler kan robotarna i själva verket "haka en tur" över blodkärlen och kringgå behovet av en egen komplex transmigreringsmekanism.

Från och med 2016, i USA, reglerar Food and Drug Administration (FDA) nanoteknik utifrån storlek.

Nanokompositpartiklar som fjärrstyrs av ett elektromagnetiskt fält utvecklades också. Denna serie av nanorobotar som nu är inskrivna i Guinness World Records , kan användas för att interagera med de biologiska cellerna . Forskare föreslår att denna teknik kan användas för behandling av cancer .

Kulturella referenser

Naniterna är karaktärer i TV-programmet Mystery Science Theatre 3000 . De är självreplikerande, biokonstruerade organismer som arbetar på fartyget och finns i SOL:s datorsystem. De gjorde sitt första framträdande i säsong 8. Nanites används i ett antal avsnitt i Netflix-serien "Travelers". De programmeras och injiceras i skadade personer för att utföra reparationer. Första framträdande i säsong 1

Nanites är också med i Rise of Iron 2016-expansionen för Destiny där SIVA, en självreplikerande nanoteknik används som ett vapen.

Naniter (kallas oftare för nanomaskiner) refereras ofta till i Konamis "Metal Gear"-serie som används för att förbättra och reglera förmågor och kroppsfunktioner.

I Star Trek -serien spelar TV-program naniter en viktig handlingsanordning. Från och med " Evolution " i den tredje säsongen av The Next Generation , utför Borg Nanoprobes funktionen att underhålla Borgs cybernetiska system, såväl som att reparera skador på de organiska delarna av en Borg. De genererar ny teknologi inuti en Borg vid behov, samt skyddar dem från många former av sjukdomar.

Nanites spelar en roll i videospelet Deus Ex, som är grunden för nano-augmentationsteknologin som ger förstärkta människor övermänskliga förmågor.

Naniter nämns också i bokserien Arc of a Scythe av Neal Shusterman och används för att läka alla icke-dödliga skador, reglera kroppsfunktioner och avsevärt minska smärta.

Nanites är också en integrerad del av Stargate SG1 och Stargate Atlantis, där gråa goo- scenarier skildras.

Se även

• Mikrosimmare
• Molekylär maskin
• Nanoelektromekaniska system
• Nanomotorer

Vidare läsning

•   Haken, Hermann ; Paul, Levi (2012). Synergetiska medel. Från multirobotsystem till molekylär robotik . Weinheim: Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-41166-5 .

externa länkar

• A Review in Nanorobotics – US Department of Energy