Nanobotarnas framtid år 2023

Sammanfattning

Föreställ dig att vara fast under rasmassor efter en naturkatastrof tills en kackerlacka kravlar in under en sten. Några minuter senare tas rasmassorna bort, och du dras till säkerhet. Vänta en minut - räddade en kackerlacka ditt liv? Inte riktigt. Medan forskare i Japan faktiskt har skapat cyborg-kackerlackor för att hjälpa till att hitta överlevande som är fast under rasmassor efter jordbävningar, är det inte det vi pratar om. Vi pratar om mikrobotar - små robotar designade för att replicera rörelserna av små varelser som insekter för att nå utrymmen som människor inte kan för allt från sök- och räddningsinsatser till inspektion till och med rymdforskning.

Mikrobotar används mest i bioteknikindustrin för att utveckla diagnostiska och riktade terapeutiska lösningar för att övervaka och behandla sjukdomar. Men de har också använts för miljöövervakning, markrening, jordbruksforskning, inspektion av jetmotorer och sök- och räddningsinsatser. Inte bara det - de kommer att användas för en massa mer saker eftersom denna teknik har avancerat snabbt under de senaste åren. I denna rapport täcker vi hur små robotar fungerar och vad de kan göra, och sedan täcker vi de mest otroliga möjligheter som kommer att låsas upp med denna teknologi.

Vad små robotar kan göra idag

Alla känner till de stora robotarmarna som används på bilmonteringslinjer för att tillverka bilar. I kontrast till detta finns det en myt om att små robotar är icke-industriella, oflexibla leksaker. Men många industriella tillverkare använder små robotar för att massproducera och montera elektroniska styrenheter för bilar, mobiltelefoner, medicinska enheter, tryckta kretskort och sprutor.

Bänktoppsrobotar används för stickning, maskinpassning, matning av delar, test och inspektionsuppgifter, och kan dispensera lim, polera och dra åt skruvar och löda delar på monteringslinjer. Dessa små robotar klassificeras vanligtvis efter deras räckvidd på 500 millimeter eller mindre med en lastkapacitet under 3 kilogram. En bänktoppsenhet är bara 12 tum hög, med en bas stor som handflatan och väger mindre än 5 kilogram. En annan är storleken på ett 8,5 x 11 pappersark.

Sedan finns det MiGriBot - den miniatyriserade griproboten. MiGriBot är världens snabbaste mikro-robot. Den kan greppa och flytta ett mikro-objekt 720 gånger per minut med en noggrannhet på en mikrometer. Det är en miljondel av en meter. Dessa MiGriBots kommer snart att användas för att skapa mini monteringslinjer för mikrofabriker.De kommer att montera mikroelektronik för smartphones, datorer eller till och med nanoteknik som nanosensorer för att upptäcka giftiga kemikalier eller cancerceller. Och förmågan att producera mikroteknologi i massor utan behov av stora armar kan minska elektriciteten i stor skala.

Nu om du trodde att MiGriBot var liten... Träffa peaky - den minsta fjärrstyrda gående roboten som någonsin skapats. Endast en halv millimeter bred, Peaky är mindre än en loppa. Utvecklad efter en peekytoe-krabba, kan den böja sig, krypa, vrida sig och hoppa. Dessa mikrobotar är avsedda att reparera små strukturer eller montera små maskiner. Men de är ännu inte i närheten av industriell skala. Att driva robotar av denna storlek kan vara ett problem. I Peakys fall krävs inga batterier. Den använder en formminneslegering som deformeras och omformas när en laserstråle träffar den för att skapa rörelse.

Samma team skapade millimeterstora robotar inspirerade av skalbaggar, syrsor och tvestjärtar, samt en vingad mikrochip. Denna chip blev världens minsta flygande människoskapade struktur på storleken av ett sandkorn. Dessa små, sensorbärande, solcellsdrivna enheter imiterar maskrosor som blåses av vinden. Även om det är 30 gånger tyngre än en 1-milligram maskros, kan det fortfarande resa längden av en fotbollsplan i en måttlig bris, sedan dela data upp till 60 meter bort. Deras trådlösa sensorer kan övervaka temperatur- och fuktighetsförändringar över gårdar eller skogar eller spåra luftföroreningar som växthusgasutsläpp eller luftburen sjukdom.

Många mikrobotsskapare använder biomimetik för att utforma mikrobotar, klassificerade av komponenter med dimensioner mindre än en millimeter och större än en mikrometer, efter insekter några av de minsta organismerna i vår värld. Denna hoppande buginbot är avsedd att utföra strukturella utvärderingar eller ta vattenprover där endast buggar kan nå. En annan bot imiterar förmågan hos djur att använda fjädringar för att rätta sig i luften.

Små, självnavigerande drönare är tänkta att tänka och röra sig som bin för att pollinera blommor. Den självständiga RoboBee kommer att utforska farliga miljöer, utföra sök- och räddningsinsatser och precis som sin naturliga inspiration, hjälpa till med jordbruket. Forskare planerar att använda RoboFly för att hitta gasläckor eller skörda energi från radiofrekvenser.

Utöver jordbruket inkluderar potentiella tillämpningar av insektsinspirerade robotar tillverkning, övervakning och försvar. Black Hornet Nano-helikoptern väger bara 16 gram, är fyra tum lång och är byggd för att klara av stormar. För närvarande prissatt till $200K, militären använder den för situationsmedvetenhet och för att hitta potentiella hot på slagfältet. Den amerikanska flottan har Gecko Robotics Phased Array robotplattform som kryper i 3D-utrymmen för att inspektera skador på platser sjömän inte kan nå. Båda dessa kan snart ersättas med ännu mindre robotar.

Förra året gjorde forskare från MIT och Harvard små, smidiga drönare som manövrerar som faktiska insekter. Forskarna skapade artificiella muskler för dessa flygande robotar att sväva i 20 sekunder och väga mindre än en fjärdedel av ett öre. Forskare har tidigare skapat självständiga undervattensutforskare som arbetar tillsammans och kommunicerar i svärmar. Nyligen tester använde vibrationer för att påverka hur hundratals och tusentals mikrobotkollektiv rör sig, fungerar som ett bokstavligt bikupemind.

För att alla dessa robotar ska kunna fungera självständigt, kommer de att behöva datorseendeverktyg för att se. LiDar, som används för att driva vissa självkörande bilar, förlitar sig på stora, klumpiga sensorer. Detta har också blivit mindre. Den minsta, lättaste skannande LiDar som finns kallas SF45 och har lagts till en liten drönar rover. Men detta kommer att behöva skalas ner ännu mer för att användas av mikrobotar.

Mikrobotar plus nanoteknik lika med... nanobotar!

Mindre än mikrobotar är nanobotar, med delar mindre än en mikrometer i nanometerområdet.Nanomaterial utvecklades för läkemedelsleverans, elektronik, bränsle- och solceller, och kan en dag användas för rymdforskning - men mer om detta senare.

Nanoteknik används för närvarande i marksanering, där nanomaterial släpps direkt i marken. Nanomaterial kan upptäcka och behandla markföroreningar och kan stabilisera fast avfall samt kontrollera markerosion. Nyliga framsteg inom nanoteknik har ökat effektiviteten hos adsorberande material för att tillhandahålla nya innovativa system för att förbättra miljösanering. Forskare har visat hur små självgående "nano-simmare" kan frigöra nanomaterial själva för att förbättra sanering eller vattenfiltrering. Och forskare har redan utvecklat nanosystem och nanomaterial för att ta bort föroreningar som tunga metaller eller till och med radioaktivt avfall från vatten. Forskare har också skapat en bevis på koncept för att använda mikrorobotar för att bryta ner mikroplaster från dricksvatten eller avloppsvatten.

Kontroller för att få denna nanoteknik att fungera autonomt kommer att vara den mest svåra aspekten av utvecklingen. Forskare har nyligen skapat den minsta gående roboten i världen. Bredden av ett mänskligt hår, de går autonomt med en krets ombord och inga externa kontroller - en enorm bedrift. Även om det nu är i mikroskala, kommer liknande tekniker att behöva skrivas ut i nanoskala för nanorobotar.

Den lilla doktorn är inne - små robotar inom medicin

Mikro- och nanoteknik är mest efterfrågade för hälso- och sjukvårdsapplikationer, där biomimetik också tillämpas. Dessa mikroskopiska skalbaggar, bara en bråkdel av en millimeter i storlek, är utformade för att navigera i det mänskliga blodflödet - och till och med det mänskliga ögat. Forskare har redan dirigerat en svärm av mikroskopiska simmande robotar för att rensa ut lunginflammationsmikrober från lungorna på möss.

En motsvarande intravenös antibiotikainjektion skulle behöva vara 3 000 gånger högre för att uppnå samma resultat. Detta kan förbättra antibiotikapenetrationen för att rädda fler liv - eftersom en miljon vuxna i USA läggs in på sjukhus för lunginflammation, och 50 000 dör varje år. Globalt sett dödar lunginflammation 2,5 miljoner människor i genomsnitt varje år.

Denna nanobot som tas som en tablett kan injicera läkemedel som insulin direkt i tarmen, där användaren inte känner smärtan av injektionen. Mikrobotik har också lett till skapandet av världens minsta pacemaker. Forskare vid Penn Dental har använt mikrobotar för att behandla svåråtkomliga områden av rotkanalen för biofilmer, läkemedelsleverans eller insamling av diagnostiska prover. Formskiftande mikrobotar har också använts för att borsta och tråda tänder. Robotar som är 10 gånger mindre än en röd blodcell kan snart användas för att bekämpa cancerceller, styrd av ultraljudsvågor. Eller magneter kan användas för att leverera medicin via nanostavar direkt till ryggmärgen. Andra mikrobotar kan ändra form och hårdna för att härma benets tillväxt.

Nanobotar kan också sprida riktade antibiotika genom hela ett sår, en stor förbättring jämfört med typiska antibiotika som bara dödar bakterier där de lokalt administreras. Denna teknik kan användas för att bekämpa bakterier som gömmer sig i knä- eller andra ledimplantat eller för att behandla njurstenar. Bakterier är den fjärde största dödsorsaken på amerikanska sjukhus och dödar cirka 1,2 miljoner människor per år.

Mikrobotar har tagit formen av allt från magnetiskt slem till pasta för att navigera genom den mänskliga kroppen och hämta objekt inuti. Så småningom kan dessa mikrobotar samlas i svärmar för att leverera läkemedel eller avblockera artärer. Ett företag, Bionaut Labs, planerar kliniska prövningar inom två år för sina mikrobotar som injiceras i kroppen och styrs av magneter för att behandla medfödda hjärnmissbildningar och tumörer. Det är inte bara människor som mikrobotar kan läka. Liknande tillämpningar kan användas för att skapa nanorobotar som läker sig själva. Forskare har skapat nanorobotar som självreparerar sig när de bryts isär och reparerar kretsar när de blir skadade, som de som används för att driva elbilsbatterier.

Framtida möjligheter med mikrobotar

Den nästa medicinska gränsen för mikrobotar kommer att vara små biohybridrobotar, fjärrstyrda för att utföra högprecisions biokemiska operationer. De kommer inte att vara större än en biologisk cell, eller ännu mindre, för att resa genom cirkulationssystemet, den idealiska leveransrutten. Biohybrid nanobotar kan så småningom ta bort blodproppar från hjärnan utan kirurgi, leverera läkemedel direkt till organ, eller assistera med befruktning. [text]Nanomedicin är särskilt inriktad på lokaliserade terapier för att bekämpa cancer, och mycket framsteg har gjorts. Forskare har nyligen testat magneter för att leverera cancerdödande mikrobotar direkt till tumörer. Nanobotar kan så småningom förbättra CRISPR också.Nyligen finansiering för CRISPR-baserade metoder för att upptäcka och behandla sepsis inkluderade hybrid bio-organiska nanobot applikationer. Det finns till och med en bevis på koncept mikrobot som skulle kunna bioprinta friska celler direkt inuti den mänskliga kroppen, där vi behöver dem för att växa eller läka - som att reparera gastriska sår. Det antas för närvarande att biohybrid nanobots som dessa kan börja bo i våra kroppar senast 2030.

Den mest avlägsna nanobot-applikationen är rymdutforskning, eftersom många rymdorganisationer har olika typer och stadier av planer i verk för att lägga till nanosensorer och nanorobotar för att förbättra prestanda för rymdskepp, rymddräkter och rymdrovers. Till exempel, kolnanorör kan göra mer lättviktiga rymdskepp, rymdhissar, eller solsegel. Lager av bio-nano robotar till rymddräkter kan självreparera skador, försegla punkteringar, eller till och med tillhandahålla läkemedel direkt till astronauter under medicinska nödsituationer.

Rymdorganisationer kan också använda nanosensorer för att söka efter väsentliga kemikalier som vatten på planeter som Mars, eller övervaka spårnivåer av skadliga kemikalier som en del av ett skepps livsstödssystem. Forskare kan också skapa nanoskepp (eller nanoprob) för att utforska universum. NASA hade planer på en autonom nanoteknologisk svärm känd som ANTS, och mer nyligen tilldelades SWIM-konceptet $600,000 i finansiering. SWIM kan potentiellt ersätta NASA:s Ingenuity-helikopter för att informera rovers om deras miljö, utrusta varje robot i svärmen med egna framdrivnings- och kommunikationssystem. NASA meddelade också planer för sitt "starchip"-projekt 2016, men kollisioner med gas och damm som flyter i rymden skulle vara tillräckligt för att vara katastrofala för hantverken, så det är fortfarande under utveckling.

Med accelererande exponentiella framsteg inom AI, är det tänkbart att tekniken för att skicka dessa självreplikerande nanosonder till rymden kan vara redo vid 2050. Men vi låter Michio Kaku ha det sista ordet om detta.