Nanorobotika - Nanorobotics
| Část série článků o |
| Molekulární nanotechnologie |
|---|
| Část série článků o |
| Nanotechnologie |
|---|
| Dopad a aplikace |
| Nanomateriály |
| Molekulární vlastní montáž |
| Nanoelektronika |
| Nanometrologie |
| Molekulární nanotechnologie |
Nanorobotika je rozvíjející se technologické pole vytvářející stroje nebo roboty, jejichž součásti jsou v měřítku nebo blízko měřítku nanometrů ( 10–9 metrů). Přesněji řečeno, nanorobotika (na rozdíl od mikrorobotiky ) se týká oboru nanotechnologického inženýrství navrhování a stavby nanorobotů , přičemž zařízení mají velikost od 0,1 do 10 mikrometrů a jsou konstruována z nanočástic nebo molekulárních složek. Pojmy Nanobot , nanoid , nanite , nanomachine nebo nanomite byly také použity k popisu takových zařízení v současné době ve výzkumu a vývoji.
Nanostroje jsou z velké části ve fázi výzkumu a vývoje , ale byly testovány některé primitivní molekulární stroje a nanomotory . Příkladem je senzor se spínačem o průměru přibližně 1,5 nanometru, schopný počítat konkrétní molekuly v chemickém vzorku. První užitečné aplikace nanomachinů mohou být v nanomedicíně . Například biologické stroje by mohly být použity k identifikaci a zničení rakovinných buněk. Další potenciální aplikací je detekce toxických chemikálií a měření jejich koncentrací v životním prostředí. Rice University předvedla automobil s jednou molekulou vyvinutý chemickým procesem včetně Buckminsterfullerenes (buckyballs) pro kola. Aktivuje se řízením teploty prostředí a umístěním hrotu skenovacího tunelového mikroskopu .
Další definicí je robot, který umožňuje přesné interakce s objekty v nanoměřítku, nebo může manipulovat s rozlišením v nanoměřítku . Taková zařízení se více týkají mikroskopie nebo mikroskopie skenovací sondy , místo popisu nanorobotů jako molekulárních strojů . Pomocí definice mikroskopie lze i velký aparát, jako je mikroskop atomové síly, považovat za nanorobotický nástroj, když je nakonfigurován k provádění nanomanipulace. Z tohoto hlediska lze za nanoroboty považovat také roboty nebo mikroroboty, které se mohou pohybovat s přesností v nanoměřítku.
Teorie nanorobotiky
Podle Richarda Feynmana to byl jeho bývalý postgraduální student a spolupracovník Albert Hibbs, který mu původně navrhl (kolem roku 1959) myšlenku lékařského využití teoretických mikroautomatů Feynmana (viz biologický stroj ). Hibbs navrhl, aby se některé opravné stroje jednoho dne zmenšily natolik, že by teoreticky bylo možné (jak to řekl Feynman) „ spolknout chirurga “. Tato myšlenka byla začleněna do eseje Feynmana z roku 1959 Ve spodní části je spousta místa .
Protože by nano-roboti měli mikroskopickou velikost, bylo by pravděpodobně nutné, aby jejich velký počet spolupracoval při provádění mikroskopických a makroskopických úkolů. Tyto nano-robotické roje, jak ty, které nejsou schopné replikace (jako v užitkové mlze ), tak ty, které jsou schopné replikovat neomezeně v přirozeném prostředí (jako v šedém goo a syntetické biologii ), se nacházejí v mnoha sci-fi příbězích, jako je Borg nano -sondy v epizodě Star Trek a The Outer Limits " The New Breed ". Někteří zastánci nano-robotiky v reakci na scénáře šedé goo , které dříve pomáhali šířit, zastávají názor, že nano-roboti schopní replikovat se mimo omezené prostředí továrny netvoří nezbytnou součást údajné produktivní nanotechnologie a že proces vlastní replikace, pokud by byl někdy vyvinut, by mohl být ze své podstaty bezpečný. Dále tvrdí, že jejich současné plány na vývoj a používání molekulární výroby ve skutečnosti nezahrnují replikátory volně pasoucí se potravy.
Obsahovat podrobný teoretické diskuse o nanorobot, včetně konkrétních otázkách designu, jako je snímání, napájecí komunikaci, navigaci , manipulace, pohyb, a palubní výpočtu, byla prezentována v lékařském kontextu nanomedicíně ze strany Roberta Freitas . Některé z těchto diskusí zůstávají na úrovni nezastavitelné obecnosti a nepřibližují se úrovni podrobného inženýrství.
Právní a etické důsledky
Otevřená technologie
Dokument s návrhem na vývoj nanobiotech využívající metody otevřeného designu , jako v hardwaru s otevřeným zdrojovým kódem a v softwaru s otevřeným zdrojovým kódem , byl adresován Valnému shromáždění OSN . Podle dokumentu zaslaného OSN stejným způsobem, jakým open source v posledních letech urychlil vývoj počítačových systémů, by podobný přístup měl být přínosem pro společnost jako celek a urychlit rozvoj nanorobotiky. Využití nanobiotechnologie by mělo být stanoveno jako lidské dědictví pro příští generace a rozvíjeno jako otevřená technologie založená na etických postupech pro mírové účely. Otevřená technologie je pro tento cíl uváděna jako základní klíč.
Závod nanorobotů
Stejným způsobem, jakým technologický výzkum a vývoj řídil vesmírné závody a závody jaderných zbraní , probíhá závod o nanoroboty. Existuje spousta půdy, která umožňuje začlenit nanoroboty mezi nově vznikající technologie . Některé z důvodů jsou ty, že velké korporace, jako jsou General Electric , Hewlett-Packard , Synopsys , Northrop Grumman a Siemens , v poslední době pracují na vývoji a výzkumu nanorobotů; chirurgové se zapojují a začínají navrhovat způsoby aplikace nanorobotů pro běžné lékařské postupy; univerzitám a výzkumným ústavům byly vládními agenturami poskytnuty finanční prostředky přesahující 2 miliardy dolarů na výzkum vyvíjející nanozařízení pro medicínu; bankéři také strategicky investují se záměrem předem získat práva a licenční poplatky na budoucí komercializaci nanorobotů. Některé aspekty sporů o nanoroboty a související problémy spojené s monopolem již vyvstaly. V nedávné době bylo uděleno velké množství patentů na nanoroboty, většinou pro patentové zástupce, společnosti specializující se výhradně na budování patentových portfolií a právníky. Po dlouhé sérii patentů a případně soudních sporů, viz například vynález rádia nebo válka proudů , se rozvíjející se technologické oblasti stávají spíše monopolem , kterému běžně dominují velké korporace.
Výrobní přístupy
Výroba nanostrojů sestavených z molekulárních složek je velmi náročný úkol. Vzhledem k obtížnosti mnoho inženýrů a vědců nadále spolupracuje napříč multidisciplinárními přístupy, aby dosáhlo průlomů v této nové oblasti vývoje. Je tedy zcela pochopitelné, jak důležité jsou v současnosti při výrobě nanorobotů následující odlišné techniky:
Biočip
Společné využívání nanoelektroniky , fotolitografie a nových biomateriálů poskytuje možný přístup k výrobě nanorobotů pro běžné lékařské použití, jako je chirurgická instrumentace, diagnostika a podávání léků. Tato metoda výroby v nanotechnologickém měřítku se používá v elektronickém průmyslu od roku 2008. Praktické nanoroboty by proto měly být integrovány jako nanoelektronická zařízení, která umožní dálkové ovládání a pokročilé možnosti lékařské instrumentace.
Nubots
Robot nukleová kyselina (nubot) je organická molekulární stroj v řádu nanometrů. Struktura DNA může poskytnout prostředky pro sestavení 2D a 3D nanomechanických zařízení. Stroje založené na DNA lze aktivovat pomocí malých molekul, proteinů a dalších molekul DNA. Brány biologického okruhu založené na materiálech DNA byly zkonstruovány jako molekulární stroje, které umožňují in vitro dodávání léčiv pro cílené zdravotní problémy. Takové systémy založené na materiálech by fungovaly nejblíže k inteligentnímu dodávání systému léčiv z biomateriálu, aniž by umožňovaly přesnou in vivo teleoperaci takto upravených prototypů.
Povrchově vázané systémy
Několik zpráv prokázalo připojení syntetických molekulárních motorů k povrchům. Bylo prokázáno, že tyto primitivní nanomachiny podléhají strojním pohybům, když jsou omezeny na povrch makroskopického materiálu. Motory ukotvené na povrchu by mohly být potenciálně použity k pohybu a umístění materiálů v nanoměřítku na povrchu způsobem dopravního pásu.
Poziční nano montáž
Nanofactory Collaboration, založená Robertem Freitasem a Ralphem Merklem v roce 2000 a zahrnující 23 výzkumných pracovníků z 10 organizací a 4 zemí, se zaměřuje na rozvoj praktického výzkumného programu, konkrétně zaměřeného na rozvoj pozičně řízené diamantové mechanosyntézy a diamantoidní nanofactory, která by měla schopnost budovat diamantoidní lékařští nanoroboti.
Biohybridy
Rozvíjející se oblast biohybridních systémů kombinuje biologické a syntetické strukturní prvky pro biomedicínské nebo robotické aplikace. Konstituující prvky bio-nanoelektromechanických systémů (BioNEMS) mají velikost v nanoměřítku, například DNA, proteiny nebo nanostrukturované mechanické části. Thiol-ene e-beams resist allow the direct write of nanoscale features, followed by the functionalization of the natively reactive surface surface with biomolecules. Jiné přístupy používají biologicky rozložitelný materiál připojený k magnetickým částicím, které jim umožňují vedení kolem těla.
Na bázi bakterií
Tento přístup navrhuje použití biologických mikroorganismů, jako jsou bakterie Escherichia coli a Salmonella typhimurium . Model tedy pro účely pohonu používá bičík. Elektromagnetická pole normálně řídí pohyb tohoto druhu biologicky integrovaného zařízení. Chemici z University of Nebraska vytvořili měřič vlhkosti fúzí bakterie s křemíkovým počítačovým čipem.
Virus-based
Retroviry lze přeškolit, aby se připojily k buňkám a nahradily DNA . Procházejí procesem zvaným reverzní transkripce, aby doručili genetické balení ve vektoru . Obvykle jsou tato zařízení Pol - Gag geny z viru pro kapsidy a dodávka systému. Tento proces se nazývá retrovirová genová terapie , která má schopnost přetvořit buněčnou DNA pomocí virových vektorů . Tento přístup se objevil ve formě retrovirových , adenovirových a lentivirových systémů pro dodávání genů . Tyto vektory pro genovou terapii byly použity u koček k odeslání genů do geneticky modifikovaného organismu (GMO), což způsobilo, že vykazoval rys.
3D tisk
3D tisk je proces, při kterém se pomocí různých procesů aditivní výroby vytváří trojrozměrná struktura. Nanoscale 3D tisk zahrnuje mnoho ze stejného procesu, začleněného v mnohem menším měřítku. Chcete-li vytisknout strukturu v měřítku 5-400 µm, je třeba výrazně zlepšit přesnost 3D tiskového stroje. Jako vylepšovací technika byl začleněn dvoustupňový proces 3D tisku pomocí metody 3D tisku a laserem leptaných desek. Abychom byli přesnější v nanoměřítku, proces 3D tisku používá laserový leptací stroj, který do každé desky vyleptá detaily potřebné pro segmenty nanorobotů. Deska se poté přenese do 3D tiskárny, která vyplní leptané oblasti požadovanou nanočásticí. Proces 3D tisku se opakuje, dokud není nanorobot postaven zdola nahoru. Tento proces 3D tisku má mnoho výhod. Za prvé, zvyšuje celkovou přesnost tiskového procesu. Za druhé, má potenciál vytvářet funkční segmenty nanorobota. 3D tiskárna používá tekutou pryskyřici, která je zaostřena přesně na správných místech zaostřeným laserovým paprskem. Ohnisko laserového paprsku je provázeno pryskyřicí pohyblivými zrcadly a zanechává za sebou tvrzenou linii pevného polymeru, širokou jen několik set nanometrů. Toto jemné rozlišení umožňuje vytváření složitě strukturovaných soch drobných jako zrnko písku. Tento proces probíhá pomocí fotoaktivních pryskyřic, které jsou vytvrzeny laserem v extrémně malém měřítku, aby se vytvořila struktura. Tento proces je díky standardům 3D tisku v nanoměřítku rychlý. Extrémně malé funkce lze provádět pomocí technologie 3D mikro-výroby používané při fotonové fotopolymerizaci s více fotony. Tento přístup využívá zaostřený laser ke sledování požadovaného 3D objektu do bloku gelu. Vzhledem k nelineární povaze excitace fotografií je gel vytvrzován na pevnou látku pouze v místech, kde byl laser zaostřen, zatímco zbývající gel je poté odplaven. Snadno se vyrábí velikosti objektů pod 100 nm, stejně jako složité struktury s pohyblivými a vzájemně propojenými částmi.
Potenciální využití
Nanomedicína
Potenciální využití nanorobotiky v medicíně zahrnuje včasnou diagnostiku a cílené dodávání léčiv pro rakovinu , biomedicínské přístroje, chirurgii , farmakokinetiku , sledování diabetu a zdravotní péči.
V takových plánech se od budoucí lékařské nanotechnologie očekává, že bude využívat nanoroboty injekčně podávané pacientovi k výkonu práce na buněčné úrovni. Takové nanoroboty určené pro použití v medicíně by se neměly replikovat, protože replikace by zbytečně zvýšila složitost zařízení, snížila spolehlivost a zasahovala do lékařské mise.
Nanotechnologie poskytuje širokou škálu nových technologií pro vývoj přizpůsobených prostředků pro optimalizaci dodávky farmaceutických léčiv . V současné době jsou škodlivé vedlejší účinky léčby, jako je chemoterapie, obvykle výsledkem metod podávání léků, které přesně neurčují zamýšlené cílové buňky. Výzkumníci z Harvardu a MIT však dokázali k nanočásticím připojit speciální vlákna RNA o průměru téměř 10 nm a naplnit je chemoterapeutickým lékem. Tato vlákna RNA jsou přitahována k rakovinným buňkám . Když nanočástice narazí na rakovinnou buňku, přilne k ní a uvolní léčivo do rakovinné buňky. Tato směrovaná metoda podávání léčiva má velký potenciál pro léčbu pacientů s rakovinou a zároveň se vyhýbá negativním účinkům (obvykle spojeným s nesprávným podáváním léků). První demonstrace nanomotorů působících v živých organismech byla provedena v roce 2014 na Kalifornské univerzitě v San Diegu. MRI-vedené nanokapsle jsou jedním potenciálem předchůdce nanorobotů.
Další užitečnou aplikací nanorobotů je pomoc při opravě tkáňových buněk vedle bílých krvinek . Nábor zánětlivých buněk nebo bílých krvinek (které zahrnují neutrofilní granulocyty , lymfocyty , monocyty a žírné buňky ) do postižené oblasti je první reakcí tkání na poranění. Kvůli své malé velikosti se nanoroboti mohli přichytit na povrch naverbovaných bílých krvinek, protlačit se skrz stěny cév a dorazit na místo poranění, kde mohou pomoci v procesu opravy tkáně. Některé látky by mohly být případně použity k urychlení obnovy.
Věda za tímto mechanismem je poměrně složitá. Průchod buněk krevním endotelem , proces známý jako transmigrace, je mechanismus zahrnující zapojení receptorů buněčného povrchu na molekuly adheze, vyvíjení aktivní síly a dilataci stěn cév a fyzickou deformaci migrujících buněk. Připojením se k migrujícím zánětlivým buňkám mohou roboti ve skutečnosti „stopovat“ krevní cévy a obejít tak potřebu vlastního složitého transmigračního mechanismu.
Jak 2016, ve Spojených státech, Food and Drug Administration (FDA) reguluje nanotechnologie na základě velikosti.
Byly také vyvinuty nanokompozitní částice, které jsou dálkově ovládány elektromagnetickým polem . Tuto sérii nanorobotů, které jsou nyní zapsány v Guinnessově knize rekordů , lze použít k interakci s biologickými buňkami . Vědci naznačují, že tuto technologii lze použít k léčbě rakoviny .
Kulturní reference
Nanité jsou postavy v televizním pořadu Mystery Science Theatre 3000 . Jsou to samoreplikační organismy vytvořené biologickým inženýrstvím, které pracují na lodi a sídlí v počítačových systémech SOL. Poprvé se objevili v sezóně 8. Nanity jsou použity v řadě epizod série Netflix „Cestovatelé“. Budou naprogramováni a vstříknuti zraněným osobám k provedení oprav. První vystoupení v sezóně 1
Nanity také figurují v expanzi Rise of Iron 2016 pro Destiny, ve které je jako zbraň použita samoreplikující se nanotechnologie SIVA.
Nanity (častěji označované jako Nanomachines) jsou často zmiňovány v sérii „Metal Gear“ společnosti Konami, která se používá k posílení a regulaci schopností a tělesných funkcí.
Ve franšízových televizních pořadech Star Treku hrají naniti důležitou zápletku. Počínaje „ Evolution “ ve třetí sezóně The Next Generation , Borg Nanoprobes plní funkci udržování kybernetických systémů Borg a také opravu poškození organických částí Borgů. V případě potřeby generují uvnitř Borgů novou technologii a chrání je před mnoha formami nemocí.
Nanoroboti hrají roli ve videohře Deus Ex, která je základem technologie nano-augmentace, která dává vylepšeným lidem nadlidské schopnosti.
Nanity jsou také zmíněny v knižní sérii Arc of a Scythe od Neala Shustermana a používají se k hojení všech nefatálních zranění, k regulaci tělesných funkcí a k výraznému zmírnění bolesti.
Viz také
Reference
Další čtení
- Haken, Hermann ; Paul, Levi (2012). Synergetická činidla. Od systémů s více roboty po molekulární robotiku . Weinheim: Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-41166-5.