Stellen Sie sich vor, Sie sind nach einer Naturkatastrophe unter Trümmern eingeklemmt, bis eine Kakerlake unter einem Stein hervorkriecht. Minuten später werden die Trümmer entfernt und Sie werden in Sicherheit gebracht. Warte eine Minute - hat eine Kakerlake Ihr Leben gerettet? Nicht ganz. Während Forscher in Japan tatsächlich kybernetische Kakerlaken erschaffen haben, um Überlebende zu finden, die nach Erdbeben unter Trümmern eingeklemmt sind, sprechen wir hier nicht davon. Wir sprechen von Mikrorobotern - winzigen Robotern, die entwickelt wurden, um die Bewegungen kleiner Kreaturen wie Insekten zu replizieren, um Räume zu erreichen, die Menschen nicht erreichen können, für alles von Such- und Rettungsaktionen bis hin zu Inspektionen und sogar Weltraumforschung.
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Mikroroboter werden am häufigsten in der Biotechnologieindustrie eingesetzt, um diagnostische und gezielte Therapeutika zur Überwachung und Behandlung von Krankheiten zu entwickeln. Sie wurden jedoch auch für Umweltüberwachung, Bodensanierung, landwirtschaftliche Forschung, Inspektion von Strahltriebwerken und Such- und Rettungsaktionen eingesetzt. Nicht nur das - sie werden bald für eine Menge weiterer Dinge eingesetzt werden, da diese Technologie in den letzten Jahren rapide vorangeschritten ist. In diesem Bericht gehen wir darauf ein, wie kleine Roboter funktionieren und was sie leisten können, und decken dann die unglaublichen Möglichkeiten auf, die mit dieser Technologie freigesetzt werden sollen.
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Jeder kennt diese riesigen Roboterarme, die in Automobilfertigungslinien verwendet werden, um Autos herzustellen. Im Gegensatz dazu gibt es den Mythos, dass kleine Roboter nichtindustrielle, unflexible Spielzeuge sind. Aber viele Industriehersteller verwenden kleine Roboter zur Massenproduktion und Montage von elektronischen Steuergeräten für Automobile, Mobiltelefone, medizinische Geräte, gedruckte Schaltkreise und Spritzen.
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Tischroboter werden für Strick-, Maschinenbedienungs-, Teilezuführungs-, Test- und Inspektionsaufgaben eingesetzt und können Klebstoffe abgeben, Schrauben polieren und festziehen und Teile auf Montagelinien löten. Diese kleinen Roboter werden in der Regel nach ihrer Reichweite von 500 Millimetern oder weniger und einer Tragfähigkeit von unter 3 Kilogramm klassifiziert. Eine Tischplatteinheit ist nur 12 Zoll hoch, hat eine Basis in der Größe der Handfläche und wiegt weniger als 5 Kilogramm. Eine andere ist die Größe eines 8,5 x 11 Zoll großen Blattes Papier.
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Dann gibt es den MiGriBot - den Miniaturized Gripper Robot. MiGriBot ist der weltweit schnellste Mikroroboter. Er kann ein Mikroobjekt 720 Mal pro Minute mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer greifen und bewegen. Das ist ein Millionstel Meter. Diese MiGriBots werden bald verwendet werden, um Mini-Montagelinien für Mikrofabriken zu erstellen. Sie werden Mikroelektronik für Smartphones, Computer oder sogar Nanotechnologie wie Nanosensoren montieren, um giftige Chemikalien oder Krebszellen zu erkennen. Und die Fähigkeit, Mikrotechnologie en masse ohne die Notwendigkeit von riesigen Armen zu produzieren, könnte den Stromverbrauch massiv reduzieren.
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Wenn Sie dachten, MiGriBot wäre klein... Treffen Sie Peaky - den kleinsten ferngesteuerten Gehroboter, der jemals geschaffen wurde. Mit nur einem halben Millimeter Breite ist Peaky kleiner als ein Floh. Nach einem Peekytoe-Krabben entwickelt, kann er sich biegen, kriechen, drehen und springen. Diese Mikroroboter sind dazu bestimmt, kleine Strukturen zu reparieren oder winzige Maschinen zu montieren. Aber sie sind noch lange nicht industriell einsetzbar. Die Energieversorgung von Robotern dieser Größe kann ein Problem sein. Im Fall von Peaky sind keine Batterien erforderlich. Er verwendet eine Formgedächtnislegierung, die sich verformt und wieder formt, wenn ein Laserstrahl auf sie trifft, um Bewegung zu erzeugen.
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Das gleiche Team hat millimetergroße Roboter geschaffen, die von Käfern, Grillen und Raupen inspiriert sind, sowie einen geflügelten Mikrochip. Dieser Chip wurde zur kleinsten fliegenden von Menschen geschaffenen Struktur in der Größe eines Sandkorns. Diese winzigen, sensorbeladenen, solarbetriebenen Geräte imitieren Pusteblumen, die vom Wind verweht werden. Obwohl sie 30x so schwer sind wie eine 1-Milligramm-Pusteblume, können sie bei mäßigem Wind die Länge eines Fußballfeldes zurücklegen und dann Daten bis zu 60 Meter weit teilen. Ihre drahtlosen Sensoren können Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen über Farmen oder Wälder hinweg überwachen oder die Luftverschmutzung wie Treibhausgasemissionen oder luftgetragene Krankheiten verfolgen.
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Viele Mikroroboter-Ersteller verwenden Biomimetik, um Mikroroboter zu gestalten, die nach Komponenten mit Abmessungen kleiner als ein Millimeter und größer als ein Mikrometer klassifiziert sind, nach Insekten, einigen der kleinsten Organismen in unserer Welt. Dieser springende Bugbot soll Strukturprüfungen durchführen oder Wasserproben nehmen, wo nur Käfer hinkommen können. Ein anderer Bot imitiert die Fähigkeit von Tieren, Federfüße zu verwenden, um sich im Flug zu stabilisieren.
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Kleine, selbstnavigierende Drohnen sollen wie Bienen denken und sich bewegen, um Blumen zu bestäuben. Der autonome RoboBee wird gefährliche Umgebungen erkunden, Such- und Rettungsaktionen durchführen und genau wie sein natürliches Vorbild in der Landwirtschaft helfen. Wissenschaftler planen, den RoboFly einzusetzen, um Gaslecks zu finden oder Energie aus Radiofrequenzen zu gewinnen.
Jenseits der Landwirtschaft umfassen potenzielle Anwendungen von insekteninspirierten Bots die Fertigung, Überwachung und Verteidigung. Der Black Hornet Nano Hubschrauber wiegt nur 16 Gramm, ist vier Zoll lang und ist darauf ausgelegt, Stürme zu überstehen. Derzeit mit einem Preis von 200.000 Dollar, wird er vom Militär für Situationsbewusstsein und zur Erkennung potenzieller Bedrohungen auf dem Schlachtfeld eingesetzt. Die US-Marine hat die Gecko Robotics Phased Array Roboterplattform, die in 3D-Räumen krabbelt, um Schäden an Stellen zu inspizieren, die Seeleute nicht erreichen können. Beide könnten bald durch noch kleinere Roboter ersetzt werden.
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Letztes Jahr haben Forscher vom MIT und Harvard winzige, agile Drohnen geschaffen, die sich wie echte Insekten bewegen. Die Forscher haben künstliche Muskeln für diese Luftroboter geschaffen, die 20 Sekunden lang schweben können und weniger als ein Viertel eines Pennys wiegen. Forscher haben zuvor autonome Unterwasserforscher, die zusammenarbeiten und in Schwärmen kommunizieren. Jüngste Tests verwendeten Vibrationen, um zu beeinflussen, wie sich Hunderte und Tausende von Mikroboter-Kollektiven bewegen, die wie ein wörtlicher Schwarmgeist operieren.
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Damit all diese Roboter autonom arbeiten können, benötigen sie Computer-Vision-Tools zum Sehen. LiDar, das zur Steuerung einiger selbstfahrender Autos verwendet wird, basiert auf großen, klobigen Sensoren. Auch diese sind kleiner geworden. Das kleinste und leichteste Scan-LiDar, das verfügbar ist, nennt sich SF45 und wurde an einen winzigen Drohnen-Rover angebracht. Aber dies muss noch weiter verkleinert werden, um von Mikrobotern verwendet werden zu können.
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Kleiner als Mikroboter sind Nanobots, deren Teile kleiner als ein Mikrometer im Nanometerbereich sind. Nanomaterialien wurden für Medikamentenabgabe, Elektronik, Brennstoff- und Solarzellen entwickelt und könnten eines Tages für die Raumfahrt verwendet werden - aber dazu später mehr.
Nanotechnologie wird derzeit in der Bodensanierung eingesetzt, bei der Nanomaterialien direkt in den Boden freigesetzt werden. Nanomaterialien erkennen und behandeln Bodenverschmutzungen und können feste Abfälle stabilisieren sowie Bodenerosion kontrollieren. Jüngste Entwicklungen in der Nanotechnologie haben die Wirksamkeit von Adsorptionsmaterialien erhöht, um neue innovative Systeme zur Verbesserung der Umweltsanierung bereitzustellen. Forscher haben gezeigt, wie winzige selbstfahrende "Nano-Schwimmer" Nanomaterialien selbst freisetzen könnten, um die Sanierung zu verbessern oder Wasserfiltration zu verbessern. Und Forscher haben bereits Nanosysteme und Nanomaterialien entwickelt, um Schadstoffe wie Schwermetalle oder sogar radioaktiven Abfall aus dem Wasser zu entfernen. Forscher haben auch einen Proof of Concept erstellt, um Mikroboter zum Abbau von Mikroplastik aus Trinkwasser oder Abwasser zu verwenden.
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Die Steuerungen, um diese Nanotechnologie autonom arbeiten zu lassen, werden der schwierigste Aspekt der Entwicklung sein. Forscher haben kürzlich den kleinsten laufenden Roboter der Welt geschaffen. In der Breite eines menschlichen Haares laufen sie autonom mit einer an Bord befindlichen Schaltung und ohne externe Steuerungen - eine enorme Leistung. Während sie derzeit noch im Mikromaßstab sind, müssen ähnliche Techniken für Nanobots im Nanomaßstab gedruckt werden.
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Mikro- und Nanotechnologie ist am meisten gefragt für Gesundheitsanwendungen, wo auch Biomimetik angewendet wird. Diese Mikro-Skaloppen, nur einen Bruchteil eines Millimeters groß, sind darauf ausgelegt, den menschlichen Blutkreislauf zu navigieren - und sogar das menschliche Auge. Wissenschaftler haben bereits einen Schwarm mikroskopischer Schwimmroboter dazu gebracht, Pneumonie-Mikroben aus den Lungen von Mäusen zu entfernen.
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Eine entsprechende intravenöse Antibiotika-Injektion müsste 3.000x höher sein, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Dies könnte die Durchdringung von Antibiotika verbessern und mehr Leben retten - da in den USA jährlich eine Million Erwachsene wegen Lungenentzündung ins Krankenhaus eingeliefert und 50.000 sterben. Weltweit tötet Lungenentzündung durchschnittlich 2,5 Millionen Menschen.
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Dieser als Pille eingenommene Nanobot kann Medikamente wie Insulin direkt in den Darm injizieren, wo der Benutzer den Schmerz der Injektion nicht spürt. Die Mikrorobotik hat auch zur Schaffung des kleinsten Herzschrittmachers der Welt geführt. Forscher an der Penn Dental haben Mikroboter verwendet, um schwer erreichbare Bereiche des Wurzelkanals für Biofilme, Medikamentenabgabe oder Entnahme von Diagnoseproben zu behandeln. Formverändernde Mikroboter wurden auch verwendet, um Zähne zu putzen und Zahnseide zu verwenden. Roboter, die 10x kleiner sind als eine rote Blutzelle, könnten bald verwendet werden, um Krebszellen zu bekämpfen, gesteuert durch Ultraschallwellen. Oder Magnete könnten verwendet werden, um Medikamente über Nanostäbe direkt an das Rückenmark zu liefern. Andere Mikroboter können ihre Form ändern und aushärten, um Knochenwachstum zu imitieren.
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Nanobots können auch gezielte Antibiotika über eine gesamte Wunde verteilen, ein großer Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen Antibiotika, die nur Bakterien töten, wo sie lokal verabreicht werden. Diese Technologie könnte verwendet werden, um Bakterien zu bekämpfen, die sich in Knie- oder anderen Gelenkimplantaten verstecken, oder um Nierensteine zu behandeln. Bakterien sind die viertgrößte Todesursache in US-Krankenhäusern und töten schätzungsweise 1,2 Millionen Menschen pro Jahr.
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Mikroboter haben die Form von allem, von magnetischem Schleim bis zu Pasta, angenommen, um den menschlichen Körper zu navigieren und Objekte zu holen, sobald sie sich im Inneren befinden. Schließlich könnten diese Mikroboter zu Schwärmen zusammengebaut werden, um Medikamente zu liefern oder Arterien zu entblocken. Ein Unternehmen, Bionaut Labs, plant klinische Studien innerhalb von zwei Jahren für seine Mikroboter, die in den Körper injiziert und von Magneten zur Behandlung angeborener Gehirnfehlbildungen und Tumoren geleitet werden. Es sind nicht nur Menschen, die Mikroboter heilen könnten. Ähnliche Anwendungen könnten verwendet werden, um Nanoroboter zu schaffen, die sich selbst heilen. Forscher haben Nanobots entwickelt, die selbst reparieren, wenn sie auseinanderbrechen und Schaltkreise reparieren, wenn sie beschädigt werden, wie diejenigen, die zur Stromversorgung von Elektroauto-Batterien verwendet werden.
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Die nächste medizinische Grenze für Mikroroboter werden winzige biohybride Roboter sein, die ferngesteuert hochpräzise biochemische Operationen durchführen können. Sie werden nicht größer sein als eine biologische Zelle, oder sogar kleiner, um durch das Kreislaufsystem zu reisen, die ideale Lieferstrecke. Biohybride Nanobots könnten schließlich Blutgerinnsel aus dem Gehirn entfernen ohne Operation, Medikamente direkt zu Organen liefern oder bei der Befruchtung helfen. [text]Die Nanomedizin konzentriert sich besonders auf lokalisierte Therapien zur Bekämpfung von Krebs, und es wurden bereits viele Fortschritte erzielt. Wissenschaftler haben zuletzt Magnete getestet, um krebstötende Mikroroboter direkt zu Tumoren zu liefern. Nanobots könnten schließlich auch CRISPR verbessern. Jüngste Finanzierungen für CRISPR-basierte Ansätze zur Erkennung und Behandlung von Sepsis beinhalteten hybride bio-anorganische Nanobot-Anwendungen. Es gibt sogar einen Nachweis eines Mikroroboters, der gesunde Zellen direkt im menschlichen Körper bioprinten könnte, wo wir sie zum Wachsen oder Heilen benötigen - wie zur Reparatur von Magenwunden. Es wird derzeit angenommen, dass biohybride Nanobots wie diese ab 2030 in unseren Körpern leben könnten.
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Die fernste Anwendung von Nanobots ist die Raumfahrt, da viele Raumfahrtagenturen verschiedene Arten und Stadien von Plänen in Arbeit haben, um Nanosensoren und Nanoroboter hinzuzufügen, um die Leistung von Raumschiffen, Raumanzügen und Raumfahrzeugen zu verbessern. Zum Beispiel könnten Kohlenstoffnanoröhren leichtere Raumschiffe, Weltraumaufzüge oder Sonnensegel ermöglichen. Schichten von Bio-Nano-Robotern zu Raumanzügen könnten Schäden selbst reparieren, Durchstiche versiegeln oder sogar Astronauten direkt Medikamente während medizinischer Notfälle liefern.
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Raumfahrtagenturen könnten auch Nanosensoren verwenden, um Planeten wie den Mars nach essentiellen Chemikalien wie Wasser zu durchsuchen, oder Spuren von schädlichen Chemikalien als Teil eines Schiffes Lebenserhaltungssystem zu überwachen. Wissenschaftler könnten auch Nanoschiffe (oder Nanosonden) erstellen, um das Universum zu erkunden. Die NASA hatte Pläne für einen autonomen Nanotechnologie-Schwarm bekannt als ANTS, und kürzlich wurde dem SWIM-Konzept eine Finanzierung von 600.000 Dollar gewährt. SWIM könnte möglicherweise den Ingenuity-Hubschrauber der NASA ersetzen, um Rover über ihre Umgebung zu informieren, indem jedem Roboter im Schwarm sein eigenes Antriebs- und Kommunikationssystem zur Verfügung gestellt wird. Die NASA kündigte auch Pläne für ihr "Starchip"-Projekt im Jahr 2016 an, aber Kollisionen mit Gas und Staub, die im Weltraum schweben, würden ausreichen, um für die Handwerke katastrophal zu sein, daher ist es noch in Arbeit.
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Mit beschleunigenden exponentiellen Fortschritten in der KI ist es denkbar, dass die Technologie, um diese selbstreplizierenden Nanosonden ins All zu schicken, bis 2050 bereit sein könnte. Aber wir lassen Michio Kaku das letzte Wort dazu haben.