Przyszłość nanobotów w 2023 roku

Streszczenie

Wyobraź sobie, że jesteś uwięziony pod gruzami po katastrofie naturalnej, aż do momentu, gdy pod skałą przeciska się karaluch. Kilka minut później, gruzy są usuwane, a ty jesteś wyciągany na bezpieczne miejsce. Czy to karaluch uratował twoje życie? Nie do końca. Chociaż naukowcy w Japonii rzeczywiście stworzyli cyborg-karaluchy, które pomagają odnaleźć ocalałych uwięzionych pod gruzami po trzęsieniach ziemi, to nie o tym mówimy. Mówimy o mikrobotach - miniaturowych robotach zaprojektowanych do naśladowania ruchów małych stworzeń, takich jak owady, aby dotrzeć do miejsc, do których ludzie nie mogą, zarówno w celach poszukiwawczo-ratowniczych, jak i inspekcyjnych, a nawet eksploracji kosmicznej.

Mikroboty są najczęściej używane w przemyśle biotechnologicznym do opracowywania diagnostyki i terapii ukierunkowanych na monitorowanie i leczenie chorób. Ale były również wykorzystywane do monitorowania środowiska, rekultywacji gleb, badań rolniczych, inspekcji silników odrzutowych i działań poszukiwawczo-ratowniczych. Co więcej - wkrótce będą wykorzystywane do wielu innych zadań, ponieważ ta technologia szybko się rozwija. W tym raporcie omawiamy, jak działają małe roboty, co mogą zrobić, a następnie omawiamy najbardziej niesamowite możliwości, które mają szansę zostać odkryte dzięki tej technologii.

Co mogą zrobić dzisiaj małe roboty

Każdy zna te olbrzymie roboty wykorzystywane na liniach montażowych samochodów do ich produkcji. W przeciwieństwie do nich, istnieje mit, że małe roboty są nieprzemysłowe, nieelastyczne zabawki. Jednak wielu producentów przemysłowych wykorzystuje małe roboty do masowej produkcji i montażu jednostek sterujących elektroniką samochodową, telefonów komórkowych, urządzeń medycznych, drukowanych płyt obwodów i strzykawek.

Roboty stołowe są używane do dziergania, obsługi maszyn, podawania części, testów i zadań inspekcyjnych, a także do dozowania klejów, polerowania i dokręcania śrub oraz lutowania części na liniach montażowych. Te małe roboty są zwykle klasyfikowane ze względu na ich zasięg do 500 milimetrów lub mniej i zdolność do przenoszenia ładunku poniżej 3 kilogramów. Jeden model stołowy ma tylko 12 cali wysokości, bazę wielkości dłoni i waży mniej niż 5 kilogramów. Inny ma rozmiar arkusza papieru 8,5 na 11 cali.

Następnie mamy MiGriBot - Miniaturyzowany Robot Chwytakowy. MiGriBot to najszybszy na świecie mikrobot. Potrafi chwycić i przemieścić mikroobiekt 720 razy na minutę z dokładnością do mikrometra. To milionowa część metra. Te MiGriBoty wkrótce będą wykorzystywane do tworzenia mini linii montażowych dla mikrofabryk.Będą montować mikroelektronikę dla smartfonów, komputerów, a nawet nanotechnologię, taką jak nanocząsteczki do wykrywania toksycznych substancji chemicznych lub komórek rakowych. A zdolność masowej produkcji mikrotechnologii bez potrzeby wielkich ramion mogłaby znacznie zmniejszyć zużycie energii elektrycznej.

Jeśli myślałeś, że MiGriBot jest mały... Poznaj peaky - najmniejszego zdalnie sterowanego chodzącego robota, jaki kiedykolwiek stworzono. Szerokość Peaky wynosi tylko pół milimetra, jest mniejszy niż pchła. Zainspirowany krabem peekytoe, potrafi się zginać, pełzać, skręcać i skakać. Te mikroboty są przeznaczone do naprawy małych struktur lub montażu drobnych maszyn. Ale jeszcze daleko im do skali przemysłowej. Zasilanie robotów tej wielkości może być problemem. W przypadku Peaky nie są wymagane baterie. Wykorzystuje on stop pamięci kształtu, który deformuje się i przywraca do pierwotnego kształtu pod wpływem uderzenia wiązki laserowej, co powoduje ruch.

Ten sam zespół stworzył roboty o wielkości milimetra, inspirowane chrząszczami, świerszczami i gąsienicami, a także skrzydlaty mikroczip. Ten czip stał się najmniejszą latającą strukturą stworzoną przez człowieka na świecie o wielkości ziarenka piasku. Te maleńkie, wyposażone w sensory, zasilane energią słoneczną urządzenia naśladują dmuchawce roznoszone przez wiatr. Mimo że są 30 razy cięższe od 1-miligramowego dmuchawca, mogą podróżować na odległość boiska do piłki nożnej przy umiarkowanym wietrze, a następnie przesyłać dane na odległość do 60 metrów. Ich bezprzewodowe sensory mogą monitorować zmiany temperatury i wilgotności na farmach lub w lasach lub śledzić zanieczyszczenie powietrza, takie jak emisje gazów cieplarnianych lub choroby przenoszone drogą powietrzną.

Wielu twórców mikrobotów korzysta z biomimikry do stylizacji mikrobotów, które są klasyfikowane według komponentów o wymiarach mniejszych niż milimetr i większych niż mikrometr, na podobieństwo owadów, które są jednymi z najmniejszych organizmów na naszej planecie. Ten skaczący robak-bot ma służyć do oceny strukturalnej lub pobierania próbek wody tam, gdzie mogą dotrzeć tylko owady. Inny bot naśladuje zdolność zwierząt do korzystania z pchełek do samoczynnego wyprostowania się w powietrzu.

Małe, samonawigujące się drony mają myśleć i poruszać się jak pszczoły, aby zapylać kwiaty. Autonomiczny RoboBee będzie badał niebezpieczne środowiska, przeprowadzał akcje poszukiwawczo-ratownicze i, podobnie jak jego naturalna inspiracja, wspomagał rolnictwo. Naukowcy planują używać RoboFly do wykrywania wycieków gazu lub zbierania energii z częstotliwości radiowych.

Poza rolnictwem, potencjalne zastosowania botów inspirowanych owadami obejmują produkcję, nadzór i obronę. Czarny Nano Helikopter Hornet waży tylko 16 gramów, ma cztery cale długości i jest zbudowany, aby wytrzymać burze. Obecnie wyceniony na 200 tys. dolarów, wojsko używa go do świadomości sytuacyjnej i wykrywania potencjalnych zagrożeń na polu bitwy. Marynarka Wojenna USA posiada robotyczną platformę Gecko Robotics Phased Array, która porusza się w przestrzeniach 3D, aby sprawdzać uszkodzenia w miejscach, do których marynarze nie mogą dotrzeć. Oba te urządzenia mogą wkrótce zostać zastąpione jeszcze mniejszymi robotami.

W zeszłym roku badacze z MIT i Harvardu stworzyli małe, zwinne drony, które manewrują jak prawdziwe owady. Badacze stworzyli dla tych latających robotów sztuczne mięśnie, które pozwalają im unosić się w powietrzu przez 20 sekund i ważą mniej niż jedna czwarta pensa. Wcześniej badacze stworzyli autonomiczne podwodne eksploratory, które współpracują i komunikują się w rojach. W ostatnich testach wykorzystano wibracje do wpływania na ruch setek i tysięcy mikrobotów, działających jak dosłowny rojowy umysł.

Aby wszystkie te roboty mogły działać autonomicznie, będą potrzebować narzędzi do widzenia komputerowego. LiDar, używany do zasilania niektórych samochodów autonomicznych, polega na dużych, niezgrabnych czujnikach. Te również stały się mniejsze. Najmniejszy, najlżejszy skanujący LiDar dostępny nazywa się SF45 i został dodany do małego drona. Ale to będzie musiało być jeszcze bardziej zminiaturyzowane, aby mogły z niego korzystać mikroboty.

Mikroboty plus nanotechnologia równa się... nanoboty!

Mniejsze od mikrobotów są nanoboty, z częściami mniejszymi niż mikrometr w zakresie nanometrów.Nanomateriały zostały opracowane do dostarczania leków, elektroniki, ogniw paliwowych i solarnych, a kiedyś mogą być wykorzystane do eksploracji kosmosu - ale o tym więcej później.

Nanotechnologia jest obecnie wykorzystywana w rekultywacji gleb, gdzie nanomateriały są wprowadzane bezpośrednio do gleby. Nanomateriały wykrywają i neutralizują zanieczyszczenia gleby, mogą stabilizować odpady stałe oraz kontrolować erozję gleby. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii zwiększyły skuteczność materiałów adsorpcyjnych, dostarczając nowych innowacyjnych systemów do poprawy rekultywacji środowiska. Badacze pokazali, jak malutkie samonapędzane "nano-pływaki" mogą samodzielnie uwalniać nanomateriały, aby poprawić rekultywację lub filtrację wody. A badacze już opracowali nanosystemy i nanomateriały do usuwania zanieczyszczeń, takich jak ciężkie metale czy nawet odpady radioaktywne z wody. Badacze stworzyli również dowód koncepcji do wykorzystania mikrobotów do rozkładania mikroplastików z wody pitnej lub ścieków.

Kontrola, aby ta nanotechnologia działała autonomicznie będzie najbardziej trudnym aspektem rozwoju. Niedawno badacze stworzyli najmniejszego chodzącego robota na świecie. Szerokość włosa ludzkiego, chodzą samodzielnie z obwodem na pokładzie i bez zewnętrznych kontroli - ogromny wyczyn. Chociaż teraz są w skali mikro, podobne techniki będą musiały być drukowane w skali nano dla nanobotów.

Mały lekarz jest na miejscu - małe boty w medycynie

Mikro- i nanotechnologia jest najbardziej pożądana w zastosowaniach medycznych, gdzie stosuje się również biomimetykę. Te mikroskopijne przegrzebki, o wielkości ułamka milimetra, są zaprojektowane do nawigacji w ludzkim krwioobiegu - a nawet w ludzkim oku. Naukowcy już skierowali rój mikroskopijnych pływających robotów do usunięcia mikrobów zapalenia płuc z płuc myszy.

Równoważny dożylne podanie antybiotyku musiałoby być 3,000 razy wyższe, aby osiągnąć ten sam efekt. Mogłoby to poprawić penetrację antybiotyków i uratować więcej żyć - rocznie hospitalizowanych jest w USA milion dorosłych z powodu zapalenia płuc, a 50,000 umiera. Na świecie zapalenie płuc zabija średnio 2,5 miliona osób.

Ten nanobot, przyjmowany w formie tabletki, może podawać leki, takie jak insulina, bezpośrednio do jelita, gdzie użytkownik nie odczuwa bólu zastrzyku. Mikrobotyka doprowadziła również do stworzenia najmniejszego na świecie rozrusznika serca. Badacze z Penn Dental używali mikrobotów do leczenia trudno dostępnych obszarów kanału korzenia dla biofilmów, dostarczania leków lub pobierania próbek diagnostycznych. Zmieniające kształt mikroboty były również używane do mycia i czyszczenia zębów. Roboty 10x mniejsze niż czerwona komórka krwi mogą wkrótce mogą być wykorzystywane do walki z komórkami nowotworowymi, sterowane falami ultradźwiękowymi. Można również wykorzystać magnesy do dostarczania leków za pomocą nanoprętów bezpośrednio do rdzenia kręgowego. Inne mikroboty mogą zmieniać kształt i twardnieć, aby naśladować wzrost kości.

Nanoboty mogą również rozprowadzać celowane antybiotyki na całej powierzchni rany, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu do typowych antybiotyków, które zabijają bakterie tylko tam, gdzie są lokalnie podawane. Ta technologia mogłaby być wykorzystana do walki z bakteriami ukrywającymi się w implantach stawów kolanowych lub innych, lub do leczenia kamieni nerkowych. Bakterie są czwartą najczęstszą przyczyną zgonów w szpitalach w USA i zabijają około 1,2 miliona osób rocznie.

Mikroboty przybrały formę wszystkiego, od magnetycznego śluzu do makaron do nawigacji w ciele człowieka i odzyskiwania obiektów po ich wprowadzeniu. Ostatecznie, te mikroboty mogłyby być zgromadzone w roje w celu dostarczania leków lub odblokowywania tętnic. Jedna z firm, Bionaut Labs, planuje kliniczne próby w ciągu dwóch lat dla swoich mikrobotów wprowadzanych do organizmu i kierowanych magnesami w celu leczenia wrodzonych malformacji mózgu i guzów. To nie tylko ludzie mogą być leczeni mikrobotami. Podobne zastosowania mogłyby być wykorzystane do tworzenia nanobotów, które same się leczą. Badacze stworzyli nanoboty, które samoczynnie naprawiają się, gdy są rozbite i naprawiają obwody, gdy ulegają uszkodzeniu, takie jak te używane do zasilania baterii samochodów elektrycznych.

Przyszłe możliwości mikrobotów

Następnym medycznym kierunkiem dla mikrobotów będą malutkie biohybrydowe roboty, zdalnie sterowane do wykonania precyzyjnych operacji biochemicznych. Będą nie większe niż biologiczna komórka, lub jeszcze mniejsze, aby podróżować przez układ krążenia, idealną trasę dostawy. Biohybrydowe nanoboty mogą ostatecznie usuwać skrzepy krwi z mózgu bez operacji, dostarczać leki bezpośrednio do organów, lub pomagać w zapłodnieniu. [text]Nanomedycyna skupia się szczególnie na lokalnych terapiach do walki z rakiem, a dużo postępów już poczyniono. Naukowcy ostatnio testowali magnesy do dostarczania mikrobotów zabijających raka bezpośrednio do guzów. Nanoboty mogłyby ostatecznie wzmocnić CRISPR również.Niedawne finansowanie podejść opartych na CRISPR do wykrywania i leczenia sepsy obejmowało zastosowania hybrydowych nanobotów bio-nieorganicznych. Istnieje nawet dowód koncepcji mikrobotu, który mógłby bioprintować zdrowe komórki bezpośrednio wewnątrz ludzkiego ciała, tam gdzie potrzebujemy ich do wzrostu lub gojenia - na przykład do naprawy ran żołądkowych. Obecnie uważa się, że biohybrydowe nanoboty tego typu mogą zacząć zamieszkiwać nasze ciała najwcześniej do 2030 roku.

Najbardziej odległym zastosowaniem nanobotów jest eksploracja kosmiczna, ponieważ wiele agencji kosmicznych ma różne typy i etapy planów w toku w celu dodania nanocząstek i nanorobotów do poprawy wydajności statków kosmicznych, skafandrów i łazików kosmicznych. Na przykład, nanorurki węglowe mogłyby tworzyć lżejsze statki kosmiczne, winda kosmiczne, lub żagle słoneczne.[/link] Warstwy bio-nanorobotów do skafandrów kosmicznych mogłyby samodzielnie naprawiać uszkodzenia, zamykać przebicia, a nawet dostarczać leki astronautom bezpośrednio podczas nagłych sytuacji medycznych.

Agencje kosmiczne mogłyby również korzystać z nanocząsteczek do poszukiwania na planetach, takich jak Mars, niezbędnych substancji chemicznych, takich jak woda, lub monitorować śladowe ilości szkodliwych substancji chemicznych jako część systemu podtrzymywania życia statku. Naukowcy mogliby również tworzyć nanostatki (lub nanoprobki) do eksploracji wszechświata. NASA miała plany na autonomiczny roj nanotechnologiczny znany jako ANTS, a niedawno koncept SWIM otrzymał dofinansowanie w wysokości 600 000 dolarów. SWIM mógłby potencjalnie zastąpić śmigłowiec Ingenuity NASA, informując łaziki o swoim otoczeniu, wyposażając każdego robota w roju w własne systemy napędowe i komunikacyjne. NASA ogłosiła również plany dotyczące swojego projektu "starchip" w 2016 roku, ale kolizje z gazem i pyłem unoszącym się w przestrzeni kosmicznej byłyby wystarczające, aby były katastrofalne dla statków, więc nadal jest w trakcie realizacji.

Biorąc pod uwagę przyspieszający postęp w dziedzinie sztucznej inteligencji, jest możliwe, że technologia umożliwiająca wysyłanie tych samoreplikujących się nanosond w przestrzeń kosmiczną będzie gotowa do 2050 roku. Ale pozwólmy, że ostatnie słowo na ten temat wypowie Michio Kaku.