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什么是纳米机器人?了解纳米机器人的结构,操作和用途

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随着技术的进步,事物并不总是变得越来越好,物体也越来越小。实际上,纳米技术是增长最快的技术领域之一,价值超过1万亿美元,并且预计在下一个五年中将增长约17%。 纳米机器人 是纳米技术领域的重要组成部分,但是它们究竟是什么?它们如何运作?让我们仔细看一下纳米机器人,以了解这种变革性技术的工作原理及其用途。

什么是纳米机器人?

纳米技术领域涉及约1至100纳米规模的技术的研究和开发。因此,nanorobotics专注于创建这种大小的机器人。在实践中,很难制造出大小只有1纳米的东西,并且经常使用术语“ nanorobotics”和“ nanobot” 已应用 到大约0.1的设备–尺寸为10微米,仍然很小。

需要特别注意的是,“ nanorobot”一词有时用于与纳米级物体互动,操纵纳米级物品的设备。因此,即使设备本身很大,也可以认为是纳米机器人设备。本文将重点介绍纳米级机器人本身。

纳米机器人和纳米机器人的许多领域仍处于理论阶段,研究的重点是解决如此小的规模的建筑问题。但是,已经设计和测试了一些原型纳米机和纳米电机。

当前大多数现有的纳米机器人设备都属于 四个类别之一:开关,马达,穿梭车和汽车。

纳米机器人开关通过提示从“关闭”状态切换到“开启”状态来进行操作。环境因素用于使机器改变形状,这一过程称为构象改变。使用化学反应,紫外线和温度等过程可改变环境,结果纳米机器人开关转变为不同形式,能够完成特定任务。

纳米马达比简单的开关要复杂得多,它们利用构象变化效应产生的能量来移动并影响周围环境中的分子。

航天飞机是纳米机器人,能够将化学药品(例如药物)运输到特定的目标区域。目标是将航天飞机与纳米机器人电机结合在一起,以使航天飞机能够在环境中进行更大程度的移动。

纳米机器人“汽车”是目前最先进的纳米设备,能够在化学或电磁催化剂的提示下独立移动。为了操纵车辆,需要控制驱动纳米机器人汽车的纳米马达,研究人员正在尝试各种纳米机器人控制方法。

纳米机器人研究人员的目标是将这些不同的组件和技术合成到纳米机器中,这些纳米机器可以完成复杂的任务,这是由众多纳米机器人共同努力完成的。

Photo: Photo: ” Comparison of the sizes of nanomaterials with those of other common materials.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (//en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

纳米机器人是如何创建的?

纳米机器人领域处于许多学科的十字路口,纳米机器人的创建涉及传感器,致动器和电机的创建。物理建模也必须完成,所有这些都必须在纳米级完成。如上所述,纳米操纵装置用于组装这些纳米级零件并操纵人造或生物成分,包括操纵细胞和分子。

纳米机器人工程师必须能够解决许多问题。他们必须解决与无机材料和有机材料之间的感觉,控制力,通讯以及相互作用有关的问题。

纳米机器人的大小大致可与生物细胞媲美,因此,未来的纳米机器人可用于医学和环境保护/修复等学科。今天存在的大多数“纳米机器人”只是特定的分子,已被操纵以完成某些任务。 

复杂的纳米机器人实质上就是简单的分子,它们结合在一起并通过化学过程进行操纵。例如,一些纳米机器人 由DNA组成, 和他们 运输分子货物。

纳米机器人如何运作?

鉴于纳米机器人仍然具有很强的理论性质,有关纳米机器人如何运行的问题可以通过预测而不是事实陈述来回答。纳米机器人的第一个主要用途可能是在医疗领域,遍及人体并完成诸如诊断疾病,监测生命体征和进行治疗等任务。这些纳米机器人将需要能够绕着人体导航并在血管等组织中移动。

导航

在纳米机器人导航方面,纳米机器人研究人员和工程师正在研究多种技术。导航的一种方法是利用超声波信号进行检测和部署。纳米机器人可以发出超声信号,可以追踪超声信号以定位纳米机器人的位置,然后可以使用指导其运动的特殊工具将机器人引导到特定区域。磁共振成像(MRI)设备也可用于跟踪纳米机器人的位置,并且 MRI的早期实验 已证明该技术可用于检测甚至操纵纳米机器人。检测和操纵纳米机器人的其他方法包括使用X射线,微波和无线电波。目前,我们在纳米尺度上对这些波的控制还相当有限,因此必须发明利用这些波的新方法。

上述导航和检测系统是外部方法,依赖于使用工具移动纳米机器人。通过增加板载传感器,纳米机器人可以更加自主。例如,纳米机器人上包含的化学传感器可以使机器人扫描周围的环境,并遵循某些化学标记物到达目标区域。

功率

在为纳米机器人提供动力时,还有各种各样的 研究人员正在探索电源解决方案。 为纳米机器人供电的解决方案包括外部电源和板载/内部电源。

内部电源解决方案包括发电机和电容器。纳米机器人上的发电机可以利用血液中发现的电解质来产生能量,或者甚至可以利用周围的血液作为化学催化剂为纳米机器人供电,当与纳米机器人携带的化学物质结合时,纳米机器人就可以产生能量。电容器的工作方式类似于电池,其存储电能可用于推动纳米机器人。甚至还考虑了其​​他选择,例如微型核动力源。

就外部电源而言,难以置信的细细电线可以将纳米机器人束缚在外部电源上。这样的导线可以由微型光纤电缆制成,沿着导线发送光脉冲,并在纳米机器人内部产生实际的电。

其他外部电源解决方案包括磁场或超声信号。纳米机器人可以使用一种称为压电膜的东西,该膜能够收集超声波并将其转换为电能。磁场可用于催化纳米机器人板上包含的闭合导电回路内的电流。另外,磁场还可以用于控制纳米机器人的方向。

运动

解决问题 纳米机器人运动 需要一些创造性的解决方案。不受束缚的纳米机器人,或者不仅仅是在环境中自由浮动的纳米机器人,都需要采用某种方法移动到目标位置。推进系统将需要强大而稳定,能够推动纳米机器人抵抗其周围环境中的电流,例如血液流动。被研究的推进解决方案通常是受自然界启发的,研究人员正在研究显微镜生物如何在其环境中移动。例如,微生物经常使用鞭子状的长尾巴鞭毛来推动自身,或者使用许多纤细的,似头发的四肢毛被称为纤毛。

研究人员也在尝试使机器人小型化 臂状附件 可以让机器人游泳,抓握和爬行。目前,这些附件通过人体外部的磁场来控制,因为磁力促使机器人的手臂振动。这种运动方法的另一个好处是,它的能量来自外部来源。为了使它真正适用于纳米机器人,需要将该技术做得更小。

还有其他更具创造性的推进策略也正在研究中。例如,一些研究人员建议使用电容器来设计电磁泵,以将导电流体吸入并射出。 像喷气机,推动纳米机器人前进。

不管最终使用纳米机器人,它们都必须解决上述问题,处理导航,运动和动力。

纳米机器人有什么用?

如前所述,纳米机器人的最初用途 可能会在 医疗领域。纳米机器人可以用来监视对身体的损害,甚至有可能促进这种损害的修复。未来的纳米机器人可以将药物直接递送给需要它们的细胞。当前,药物通过口服或静脉内递送,并且它们扩散到全身而不是仅仅击中目标区域,从而引起副作用。配备传感器的纳米机器人可以很容易地用于监视细胞区域的变化,并在损坏或故障的第一个迹象时报告变化。

我们离这些假设的应用还有很长的路要走,但是一直在进步。例如,2017年的科学家 创建了针对癌细胞的纳米机器人 并用小型钻头攻击他们,杀死他们。今年,ITMO大学的一组研究人员设计了一种由DNA片段组成的纳米机器人, 能够破坏致病的RNA链。 基于DNA的纳米机器人目前也具有运输分子货物的能力。纳米机器人由三个不同的DNA部分组成,用DNA“腿”操纵,并使用“臂”携带特定分子。

除医学应用外,还正在进行有关使用纳米机器人进行环境清洁和修复的研究。纳米机器人可能会被用来清除 有毒重金属塑料制品 来自水体。纳米机器人可以携带使有毒物质结合在一起时呈惰性的化合物,也可以通过相似的过程降解塑料废物。还正在研究使用纳米机器人来促进超小型计算机芯片和处理器的生产,主要是使用纳米机器人来生产微型计算机电路。

专门从事以下工作的Blogger和程序员 机器学习 深度学习 话题。 Daniel希望帮助他人将AI的力量用于社会公益。