Nanorobotikk er feltet for nye teknologier som lager maskiner eller roboter hvis komponenter er på eller nær nanometerskalaen (10 −9 meter). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Mer spesifikt refererer nanorobotikk til nanoteknologisk konstruksjon av design og konstruksjon av nanoroboter , disse enhetene har en størrelse på omtrent 0,1 til 10 mikrometer og er bygget med nanoskala eller molekylære komponenter. [ 4] [ 5 ] Navnene på nanoboter,nanoider,nanitter,nanomaskinerellernanomitterhar også blitt bruktfor å beskrive disse enhetene som for tiden er i forsknings- og utviklingsfasen. [ 6 ] [ 7 ]
De fleste nanomaskiner er i forsknings- og utviklingsfasen, [ 8 ] men noen primitive molekylære maskiner og nanomotorer er allerede testet . Et eksempel på dette er en sensor som har en bryter på omtrent 1,5 nanometer bred, som er i stand til å telle spesifikke molekyler i en kjemisk prøve. De første nyttige bruksområdene til nanomaskiner kan være innen medisinsk teknologi, [ 9 ] hvor disse enhetene kan brukes til å identifisere og ødelegge kreftceller . [ 10 ] [ 11 ] En annen potensiell anvendelse er påvisning av giftige kjemikalier og måling av deres konsentrasjoner i miljøet. Rice University har demonstrert en bil med ett molekyl utviklet gjennom en kjemisk prosess som inkluderer bruk av buckyballs som hjul. Den utføres ved å kontrollere omgivelsestemperaturen og plassere spissen av et skanningstunnelmikroskop .
En annen definisjon sier at det er en robot som tillater presise interaksjoner med objekter på nanometerstørrelse, eller kan manipulere med nanometeroppløsning. Slike enheter er nærmere beslektet med mikroskopi eller skanningsprobemikroskopi , i stedet for å beskrive nanoroboter som en molekylær maskin. Etter definisjonen av mikroskopi kan selv store apparater som et atomkraftmikroskop betraktes som nanorobotiske instrumenter når de er konfigurert til å utføre nanomanipulasjoner. Fra dette perspektivet kan roboter i makroskala eller mikroroboter som kan bevege seg med nanometerpresisjon også betraktes som nanoroboter.
I følge Richard Feynman var det hans tidligere doktorgradsstudent og samarbeidspartner Albert Hibbs som opprinnelig foreslo for ham rundt 1959 ideen om en medisinsk bruk for Feynmans teoretiske mikromaskiner (se nanoteknologi ). Hibbs foreslo at visse typer reparasjonsmaskiner en dag kunne minityriseres til det punktet at det teoretisk sett kunne være som å "svelge legen", som Feynman sa det. Ideen ble innlemmet i Feynmans essay fra 1959 There 's Plenty of Room at the Bottom [ 12 ]
Siden nanorobotene ville være mikroskopiske i størrelse, vil et svært stort antall slike enheter sannsynligvis trenge å samarbeide for å utføre mikroskopiske og makroskopiske oppgaver. Disse svermene av nanoroboter, både de som ikke er i stand til selvreplikasjon (som i en nyttig tåke ) og de som er i stand til selvreplikering uten begrensninger i det naturlige miljøet (som i en grå pest eller nylig i en sky av ildfluer og tar på seg mennesker former), vises i mange science fiction-historier , som Borg nanoprobes i Star Trek , i TV-serien The Outer Limits episode A New Race , og i Revolution (TV-serie) , hvor de først vises som konsentrater i kapsler for helbredende formål. (Sesong 1) og da som en allvitende masse med egne planer og evne til å anta forskjellige former, inkludert det menneskelige (sesong 2).
Noen tilhengere av nanorobotikk, som reagerer på noen grå pest -relaterte skrekkscenarier som de selv i utgangspunktet var med på å popularisere, har den oppfatningen at nanoroboter som er i stand til å replikere utenfor et begrenset fabrikkmiljø, ikke nødvendigvis starter fra en nanoteknologi med produksjonsintensjoner, og at selvreplikeringsprosessen , hvis den noen gang kunne utvikles, kan utformes for å være iboende trygg . De sørger for at deres nåværende planer om å utvikle og bruke molekylær produksjon ikke inkluderer replikatorer som er gratis. [ 13 ] [ 14 ]
De mest detaljerte teoretiske diskusjonene om nanorobotikk, inkludert spesifikke design om emner som sensorer, kommunikasjonstransport, navigasjon, manipulasjon, bevegelse og innebygd databehandling, har blitt presentert i den medisinske konteksten av nanomedisin av Robert Freitas . Noen av disse diskusjonene forblir på generalitetsnivå uten mulighet for å produsere dem og nærmer seg ikke nivået for detaljert ingeniørarbeid.
Samtidig bruk av nanoelektronikk , fotolitografi og nye biomaterialer gir en mulig tilnærming til fremstilling av nanoroboter for vanlige medisinske applikasjoner, som for kirurgiske instrumenter, diagnostikk og medikamentlevering. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] For tiden brukes denne metoden for produksjon av nanoteknologi i elektronikkindustrien. [ 18 ] På denne måten kunne praktiske nanoroboter integreres som nanoelektroniske enheter, noe som muliggjør teleoperasjon og andre avanserte muligheter for medisinske instrumenter. [ 19 ] [ 20 ]
Nubot er en forkortelse for "nukleinsyrerobot" (på spansk: Nukleinsyrerobot). Nuboter er molekylære organiske maskiner i nanostørrelse. [ 21 ] Strukturen til [DNA] kan gi midler til å sette sammen to- og tredimensjonale nanomekaniske enheter. DNA-baserte maskiner kan aktiveres ved hjelp av små molekyler, proteiner og andre DNA-molekyler. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] Biologiske kretsporter basert på DNA-materialer har blitt fremstilt som molekylære maskiner som gjør det mulig å sette inn medikamenter in vitro for spesifikke helseproblemer. [ 25 ] Slike materialbaserte systemer vil fungere mer beslektet med biomaterials smarte medikamentleveringssystemer, [ 26 ] men tillater ikke presis in vivo teleoperasjon av slike prototypesystemer.
Nanofactory-samarbeidet, [ 27 ] grunnlagt av Robert Freitas og Ralph Merkle i 2000 og involverer 23 forskere fra 10 organisasjoner og 4 land, fokuserer på å utvikle en praktisk forskningsagenda [ 28 ] spesielt rettet mot utviklingen av posisjonskontrollert diamantoid mekanosyntese , og en nanofabrikk som ville ha muligheten til å produsere medisinske nanoroboter med en diamantformet struktur .
Denne tilnærmingen foreslår bruk av biologiske mikroorganismer , slik som bakterien Escherichia coli . [ 29 ] Dermed bruker denne modellen en flagell som fremdriftsmetode, typisk ved bruk av elektromagnetiske felt for å kontrollere bevegelsen til denne klassen av innebygde biologiske enheter. [ 30 ]
Et dokument med et forslag [ 31 ] for utvikling av nanobioteknologi ved bruk av åpne teknologiske tilnærminger er sendt til FNs generalforsamling . I følge dette dokumentet, på samme måte som Open Source -bevegelsen har akselerert utviklingen av datasystemer de siste årene , bør en lignende tilnærming gagne samfunnet for det meste og akselerere utviklingen av nanorobotikk. Bruk av nanobioteknologi bør erklæres som en verdensarv for fremtidige generasjoner, og utvikles som en åpen teknologi basert på etisk praksis for fredelige formål . Åpen teknologi har blitt erklært å være en grunnleggende nøkkel til dette formålet.
På samme måte som den teknologiske utviklingen hadde romkappløpet og atomvåpenkappløpet , har nanoteknologi et nanorobotkappløp. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] Det er mange grunner til å inkludere nanoroboter blant nye teknologier . [ 37 ] Noen av disse årsakene er: store selskaper , som General Electric , Hewlett-Packard og Northrop Grumman , har nylig jobbet med forskning og utvikling av nanoroboter; [ 38 ] [ 39 ] Kirurger blir involvert og begynner å foreslå måter å bruke nanoroboter for vanlige medisinske prosedyrer; [ 40 ] Universiteter og forskningsinstitutter har mottatt midler fra offentlige etater på over 2 milliarder USD for forskning og utvikling av medisinske nanoenheter; [ 41 ] [ 42 ] Banker utfører også strategisk forskning med ideen om å forhåndskjøpe rettighetene og lisensene for fremtidig kommersialisering av nanoroboter. [ 43 ] Rettstvister og spørsmål knyttet til monopolet til nanorobotteknologi har allerede oppstått. [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] Et stort antall patenter knyttet til nanorobotikk har nylig blitt gitt , hovedsakelig til patentagenter, til selskaper som kun spesialiserer seg på å bygge patentporteføljer, og til advokater . Etter en lang rekke patenter og søksmål (se for eksempel oppfinnelsen av radio eller strømkrigen ), har fremvoksende teknologiske felt en tendens til å bli monopoler , vanligvis dominert av store selskaper. [ 47 ]
Potensielle bruksområder for nanorobotikk i medisin inkluderer foreløpig diagnostikk og medikamentdosering for å målrette kreft , [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] biomedisinsk instrumentering, [ 51 ] kirurgi , [ 52 ] [ 53 ] farmakokinetikk , [ 54 ] 5 diabetesovervåking [ 54 ] [ 56 ] [ 57 ] og helsevesen.
Fremtidig medisinsk nanoteknologi forventes å bruke nanoroboter injisert i pasienten for å fungere på cellenivå. Medisinske nanoroboter bør være ikke-replikerende, ettersom replikering uønsket vil øke kompleksiteten deres og forstyrre deres medisinske oppdrag.
Nanoteknologi omfatter et bredt spekter av nye teknologier for utvikling av skreddersydde løsninger som optimerer administrasjonen av farmasøytiske produkter . Foreløpig er de skadelige bivirkningene av behandlinger som kjemoterapi ofte et resultat av medikamentleveringsmetoder som er unøyaktige når det gjelder å identifisere målceller. [ 58 ] Forskere ved Harvard University og Massachusetts Institute of Technology har imidlertid vært i stand til å lime spesielle RNA -tråder , omtrent 10 nm i diameter, til nanopartikler fylt med legemidler som brukes i kjemoterapi. Disse RNA-trådene tiltrekkes av kreftceller . Når nanopartikkelen finner en kreftcelle, fester den seg til den, og frigjør stoffet inne i cellen. [ 59 ] Denne direkte metoden for medikamentadministrasjon har stort potensiale for behandling av kreftpasienter, og unngår de negative effektene som vanligvis er forbundet med feil administrering. [ 60 ]
En annen nyttig anvendelse av nanoroboter er å hjelpe til med reparasjon av vevsceller ved å assosiere dem med hvite blodceller . [ 61 ] Rekruttering av inflammatoriske celler eller hvite blodceller (inkludert nøytrofiler , lymfocytter , monocytter og mastceller ) til det berørte området er den første reaksjonen på vevsskade. [ 62 ] På grunn av den lille størrelsen på nanorobotene kunne de feste seg til overflaten av rekrutterte hvite blodceller, for å infiltrere gjennom blodåreveggene og nå sårstedet, hvor de kan hjelpe til med reparasjonsprosessen. stoffer for å fremskynde utvinningen.
Vitenskapen bak denne mekanismen er ganske kompleks. Passasjen av celler gjennom endotelet , en prosess kjent som transmigrering , er en mekanisme som inkluderer møtet av reseptorer på celleoverflaten med adhesjonsmolekyler, virkningen av aktiv kraft og utvidelsen av karveggene., og en fysisk deformasjon. av de migrerende cellene. Ved å feste seg til migrerende inflammatoriske celler , kan robotene effektivt "ri" gjennom blodårene, og dermed unngå behovet for å implementere en egen kompleks transmigrasjonsmekanisme. [ 61 ]
For tiden regulerer USAs Food and Drug Administration ( FDA) nanoteknologi etter størrelse. [ 63 ] FDA regulerer også hva som virker med kjemiske midler som et medikament , og hva som fungerer med fysiske midler som en enhet. [ 64 ] Enkeltmolekyler kan også brukes som Turing-maskiner , i likhet med deres større papir-motstykker, som er i stand til å fungere som generelle datamaskiner og utøve fysiske (eller kjemiske) krefter som et resultat av disse beregningsoperasjonene. Sikkerhetssystemer utvikles slik at hvis en medikamentmengde ved et uhell frigjøres, vil enten lasten være inert eller et annet medikament frigjøres for å motvirke den første. Under slike omstendigheter vil de toksikologiske testene bli kombinert med validering [{programvare]]. Med nye fremskritt innen nanoteknologi blir disse små enhetene skapt med evnen til å selvregulere og være "smartere" enn tidligere generasjoner. Ettersom nanoteknologi blir mer kompleks, oppstår et spørsmål, hvordan vil reguleringsorganer skille et stoff fra en enhet? [ 64 ] Legemiddelmolekyler må gjennomgå en langsommere og dyrere testprosess enn enheter (for eksempel preklinisk toksikologisk testing), og reguleringsveiene for utstyr er enklere enn for legemidler. Kanskje intelligens, hvis de er smarte nok, en dag vil være måten å klassifisere en enkeltmolekylær nanomaskinenhet . Enheter blir generelt godkjent raskere enn legemidler, så enhetsklassifisering kan være fordelaktig for pasienter og produsenter.