2023年のナノボットの未来

概要

自然災害の後、瓦礫の下に閉じ込められていると想像してみてください。その後、コックローチが岩の下から這い出てきます。数分後、瓦礫が取り除かれ、あなたは安全に引き上げられます。ちょっと待って - コックローチがあなたの命を救ったのでしょうか？ まさにそうではありません。日本の研究者が実際にサイボーグコックローチを作成して地震の後の瓦礫の下に閉じ込められた生存者を見つけるために使用している一方で、私たちが話しているのはそれではありません。私たちはマイクロボットについて話しています - 人間が到達できない場所に到達するために、虫などの小さな生物の動きを模倣するように設計された小型ロボットです。これは、検索と救助から検査、さらには宇宙探査まで、あらゆることに使用されます。

マイクロボットは最も一般的には、疾患の監視と治療のための診断および標的治療法を開発するためにバイオテクノロジー業界で使用されています。しかし、それらは環境モニタリング、土壌修復、農業研究、ジェットエンジンの検査、検索と救助にも使用されています。それだけでなく - この技術は過去数年間で急速に進歩しており、これからさらに多くのことに使用される予定です。このレポートでは、小型ロボットがどのように動作し、何ができるのか、そしてこの技術でこれから解放される最も信じられないほどの機会について説明します。

今日の小型ロボットができること

自動車の組み立てラインで使用される巨大なロボットアームは皆さんがよく知っていると思います。それに対して、小型ロボットは産業用途には不適切で、柔軟性に欠けるおもちゃであるという誤解があります。しかし、多くの産業製造業者は、自動車の電子制御ユニット、携帯電話、医療機器、プリント基板、注射器の大量生産と組み立てに小型ロボットを使用しています。

ベンチトップロボットは、編み物、機械の手入れ、部品供給、テスト、検査作業に使用され、組み立てラインで接着剤を塗布したり、ネジを締めたり、部品をはんだ付けしたりします。これらの小型ロボットは、リーチが500ミリメートル以下で、ペイロード容量が3キログラム以下のものとして一般的に分類されます。ベンチトップユニットの一つは、高さがわずか12インチで、ベースは手のひらサイズ、重さは5キログラム以下です。もう一つは、8.5 x 11インチの紙のサイズです。

そして、MiGriBot - ミニチュア化されたグリッパーロボットがあります。MiGriBotは世界最速のマイクロボットで、マイクロメートルの精度でマイクロオブジェクトを720回/分で掴んで移動させることができます。それはメートルの百万分の一です。これらのMiGriBotsは、近いうちにマイクロファクトリーのミニ組み立てラインの作成に使用される予定です。彼らはスマートフォン、コンピュータ、あるいはナノセンサーのようなナノテクノロジーのマイクロエレクトロニクスを組み立てます。これらのセンサーは有毒化学物質やがん細胞を検出することができます。そして、巨大なアームを必要とせずにマイクロテクノロジーを大量生産する能力は、大規模な電力消費を削減する可能性があります。

もしMiGriBotが小さいと思っていたら… Peakyをご覧ください - これまでで最も小さいリモートコントロール式の歩行ロボットです。 Peakyはノミよりも小さく、幅は半ミリメートルしかありません。Peakytoeカニをモデルに開発され、曲がったり、這ったり、ねじったり、跳ねたりすることができます。これらのマイクロボットは、小さな構造物を修復したり、微小な機械を組み立てることを目的としています。しかし、まだ産業規模には達していません。このサイズのロボットを動力供給することは問題になることがあります。Peakyの場合、バッテリーは必要ありません。レーザービームが当たると変形し、再形成する形状記憶合金を使用して動きを作り出します。

同じチームは、甲虫、コオロギ、インチワームに触発されたミリメートルサイズのロボット、および翼付きマイクロチップ。 このチップは、砂粒の大きさで、世界で最も小さい人工飛行構造物となりました。これらの微小な、センサー搭載の、太陽エネルギーで動くデバイスは、タンポポの種を模倣して風に吹かれて飛びます。1ミリグラムのタンポポの種の30倍の重さでありながら、適度な風でフットボールフィールドの長さを移動し、最大60メートル離れた場所にデータを共有することができます。そのワイヤレスセンサーは、農場や森林全体での温度や湿度の変化を監視したり、温室効果ガスの排出や空気中の病原体を追跡することができます。

多くのマイクロボットの製作者は、バイオミメティクスを用いて、ミリメートルより小さく、マイクロメートルより大きい部品で分類されるマイクロボットを、私たちの世界で最も小さい生物の一部である昆虫の形にスタイリングします。このジャンピングバグボットは、昆虫だけが到達できる場所で構造評価を行ったり、水のサンプルを取ったりすることを目的としています。別のボットは、動物がバネ尾を使って空中で自分を正す能力を模倣しています。

小さく、自己航行するドローンは、花を受粉させるために蜂のように考え、動くことを目指しています。自律型のRoboBeeは、危険な環境を探索し、捜索救助を行い、自然のインスピレーションと同様に、農業を支援します。科学者たちは、ガス漏れを見つけたり、無線周波数からエネルギーを収集したりするためにRoboFlyを使用する計画です。

農業を超えて、昆虫に触発されたボットの潜在的な応用範囲には、製造、監視、防衛が含まれます。Black Hornet Nanoヘリコプターは重さがわずか16グラム、長さが4インチで、嵐に耐えるように作られています。現在の価格は$200Kで、軍はこれを使用して状況認識を行い、戦場での潜在的な脅威を見つけます。米海軍は、3D空間を這い回って船員が到達できない場所の損傷を検査するGecko Robotics Phased Arrayロボットプラットフォームを持っています。これらの両方は、近いうちにさらに小さなロボットに置き換えられる可能性があります。

昨年、MITとハーバードの研究者たちは実際の虫のように機動する小さくて敏捷なドローンです。研究者たちは、これらの空中ロボットが20秒間ホバリングし、ペニーの4分の1以下の重さである人工筋肉を作り出しました。以前には、スワームで連携し通信する自律的な水中探査ロボットが作られました。最近のテストでは、振動を利用して数百、数千のマイクロボット集団の動きを操作し、文字通りのハイブマインドのように動作します。

これらすべてのロボットが自律的に動作するためには、コンピュータビジョンツールが必要です。一部の自動運転車に使用されているLiDarは、大きくてかさばるセンサーに依存しています。これも小型化されてきました。最小で最輕量のスキャニングLiDarは SF45と呼ばれ、小型のドローンローバーに追加されました。しかし、これはマイクロボットに使用するためにさらに小型化する必要があります。

マイクロボットプラスナノテクノロジーは... ナノボット！

マイクロボットよりも小さいのがナノボットで、部品はナノメーター範囲のマイクロメーターよりも小さいです。ナノマテリアルは、薬物送達、電子機器、燃料および太陽電池のために開発され、いつか宇宙探査に使用される可能性があります - しかし、これについては後ほど詳しく説明します。

現在、ナノテクノロジーは土壌修復に使用されており、ナノマテリアルが直接土壌に放出されます。 ナノマテリアルは土壌汚染物質を検出し、処理し、固形廃棄物を安定化させ、土壌侵食を制御することができます。 ナノテクの最近の開発により、吸着材の効果が向上し、環境修復を改善する新しい革新的なシステムが提供されています。 研究者は、微小な自己推進型の"ナノスイマー"が修復を改善したり、水のろ過を改善するためにナノマテリアルを自己放出できる方法を示しています。 また、研究者はすでに、水から重金属や放射性廃棄物を除去するためのナノシステムとナノマテリアルを開発しています。 研究者はまた、証明の概念は、飲料水や廃水から微細プラスチックを分解するためにマイクロボットを使用することです。

このナノテクノロジーを自動的に動作させる制御は、開発の最も困難な側面となるでしょう。研究者たちは最近、世界最小の歩行ロボットを作りました。人間の髪の毛の幅で、オンボードの回路と外部制御なしで自動的に歩きます - これは大きな偉業です。現在はマイクロスケールですが、ナノボットには同様の技術がナノスケールで印刷する必要があります。

小さな医者がいます - 医療分野の小さなボット

マイクロおよびナノテクノロジーは、バイオミメティクスも適用される医療応用で最も需要があります。これらのマイクロスコープは、ミリメートルの一部の大きさで、人間の血流や人間の目を航行するように設計されています。科学者たちはすでに、マウスの肺から肺炎微生物を除去するために微細な泳ぎロボットの群れを指向しました。

同等の静脈内抗生物質注射は、同じ結果を得るためには3,000倍高くなければならない。これにより、抗生物質の浸透が改善され、より多くの命が救われる可能性があります - アメリカでは毎年100万人の成人が肺炎で入院し、50,000人が死亡しています。世界的には、肺炎は平均で250万人を死に至らせます。

このナノボットは、錠剤として摂取することで、ユーザーが注射の痛みを感じない腸に直接インスリンなどの薬を注入することができます。 マイクロボティクスはまた、世界最小のペースメーカーの創造にもつながりました。Penn Dentalの研究者たちは、バイオフィルム、薬物の投与、診断サンプルの回収など、根管の手が届きにくい部分を治療するためにマイクロボットを使用しました。形状変化するマイクロボットは、歯を磨き、フロスするためにも使用されました。赤血球よりも10倍小さいロボットは、がん細胞と戦うために、超音波波によって制御されるようになるでしょう。または、マグネットを使用してナノロッドを介して薬を直接脊髄に運ぶことができます。他のマイクロボットは形状を変えて硬化し、骨の成長を模倣することができます。

ナノボットはまた、全体の傷に対して抗生物質を広範囲に広げることができ、これは局所的に投与されるだけの典型的な抗生物質と比べて大きな改善です。この技術は、膝や他の関節インプラントに隠れているバクテリアと戦うためや、腎臓結石を治療するために使用することができます。バクテリアは、米国の病院で死因の第4位であり、年間約120万人を死に至らせます。

マイクロボットは、磁性スライムからパスタのような形状をしたロボットが、人体内を移動し、内部で物体を取り出すことができます。最終的には、これらのマイクロボットはスワームに組み立てられ、薬物を運んだり、動脈を開放したりすることができます。Bionaut Labsという会社は、体内に注入され、磁石で誘導されるマイクロボットを用いて先天性脳奇形や腫瘍を治療するための臨床試験を2年以内に計画しています。マイクロボットが治療できるのは人間だけではありません。同様の応用が、自己修復するナノロボットの作成にも使用される可能性があります。研究者たちは、壊れた部分を自己修復し、電気自動車のバッテリーを動力とする回路が損傷した場合には回路を修復するナノボットを作り出しました。

マイクロボットの未来の機会

次のマイクロボット医療のフロンティアは、微小なバイオハイブリッドロボットで、高精度の生化学的操作を遠隔操作で行うことができます。これらは生物学的な細胞と同じ大きさ、またはそれよりも小さいで、循環系を通じて移動するのに理想的な配送ルートとなります。バイオハイブリッドナノボットは最終的に、脳から血栓を除去したり、手術なしで、直接臓器に薬物を届けたり、受精を助けたりすることができるでしょう。 [text]ナノ医療は特に、がんと戦うための局所療法に焦点を当てており、多くの進歩が遂げられています。最近の科学者たちは、がんを殺すマイクロボットを直接腫瘍に届けるために磁石をテストしました。ナノボットは最終的に、CRISPRを強化することもできるでしょう。最近のCRISPRベースのセプシス検出および治療への資金提供には、ハイブリッド生物無機ナノボットの応用が含まれています。さらに、健康な細胞を人体内で直接生物印刷できるコンセプト証明のマイクロボットも存在します。これは、胃の傷を修復するなど、成長や治癒が必要な場所で使用することができます。現在、このような生物ハイブリッドナノボットが最も早くて2030年には私たちの体内に生息し始めると考えられています。

最も先進的なナノボットの応用は宇宙探査で、多くの宇宙機関が宇宙船、宇宙服、宇宙ローバーの性能を向上させるために、さまざまなタイプと段階の計画を進行中です。例えば、カーボンナノチューブを使用すると、より軽量な宇宙船、宇宙エレベーター、またはソーラーセイルを作ることができます。[/link] バイオナノロボットの層がスペーススーツに適用されると、ダメージの自己修復、穴の封鎖、または医療緊急時に直接宇宙飛行士に薬を提供することさえ可能になるかもしれません。

宇宙機関はまた、ナノセンサーを使用して、水のような必要な化学物質を探したり、船の生命維持システムの一部として有害な化学物質の微量を監視したりすることができます。科学者はまた、宇宙を探索するためのナノシップ（またはナノプローブ）を作成することもできます。NASAは自律的なナノテクノロジースウォームANTSとして知られるものの計画を持っていましたが、最近ではSWIMコンセプトが60万ドルの資金を獲得しました。SWIMは潜在的にNASAのIngenuityヘリコプターを置き換えることができ、スワーム内の各ロボットに独自の推進システムと通信システムを装備することで、ローバーに環境情報を提供します。NASAはまた、2016年に"starchip"プロジェクトの計画を発表しましたが、宇宙に漂うガスや塵との衝突は、クラフトにとって壊滅的な影響を及ぼす可能性があるため、まだ進行中です。

AIの指数関数的な進歩が加速しているため、これらの自己複製型のナノプローブを宇宙に送る技術が2050年までに準備できると考えられます。しかし、この件については、最後の言葉をミチオ・カクに任せましょう。