¿Qué es la nanorobótica?

"Nanorobot" es una tecnología emergente en ingeniería robótica. El desarrollo de nanorobots pertenece a la categoría de "Nanotecnología molecular (MNT)", que se basa en principios biológicos a nivel molecular. y fabricar "dispositivos moleculares funcionales" que puedan operar en el nanoespacio.

La idea de los nanorobots es aplicar principios biológicos a escala nanométrica, descubrir nuevos fenómenos y desarrollar robots moleculares programables. La biología sintética rediseña las redes de señalización celular y regulación genética y desarrolla computadoras biológicas o robots celulares "en el cuerpo" o "húmedos", creando así otra forma de tecnología nanorobótica.

Fue el físico teórico ganador del Premio Nobel Richard Feynman quien propuso por primera vez la idea de la nanotecnología en 1959. Fue pionero en la idea de utilizar microrobots para tratar enfermedades. En sus palabras, "tragándose al cirujano". En un discurso titulado "Hay mucho espacio en el fondo de la materia", Richard Feynman propuso que en el futuro los humanos podrán construir una micromáquina del tamaño de una molécula, que pueda utilizar moléculas o incluso átomos individuales como Los bloques de construcción en espacios muy pequeños construyen materia, lo que significa que los humanos pueden fabricar cualquier cosa en el espacio más bajo. A partir de moléculas y átomos, cambiar y organizar las moléculas es el objetivo de los químicos y biólogos. Esto hará que el proceso de producción sea muy sencillo, y sólo será necesario recombinar la gran cantidad de moléculas obtenidas para formar objetos útiles.

En su discurso de 1959 "Hay mucho espacio en el fondo", propuso la idea de la nanotecnología. Aunque no utilizó la palabra "nano", en realidad expuso los conceptos básicos de la nanotecnología. ?[1]?

En 1990, el profesor Zhou Haizhong, un famoso erudito chino, predijo en el artículo "Sobre los robots" que a mediados del siglo XXI, los nanorobots cambiarán por completo el trabajo y el estilo de vida humanos.

El 1 de julio de 2010, el derrame de petróleo del "Deepwater Horizon" en el Golfo de México llegó a la costa de Gulfport, Mississippi, EE. UU. Los nanorobots son mucho más eficientes que los métodos tradicionales para responder a desastres ambientales como los derrames de petróleo. ?[1]?

Visión Académica

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La visión de la nanobiología es aplicar principios biológicos a nanoescala para descubrir nuevos fenómenos, desarrollando programas programables. Robots moleculares, también conocidos como nanorobots. El contenido involucrado se puede resumir en los siguientes cuatro aspectos:

Comprender la estructura fina de las macromoléculas biológicas y su relación con la función a nanoescala.

Obtener información sobre la vida a nanoescala, por ejemplo, utilizando microscopía de efecto túnel para obtener información estructural de las membranas y superficies celulares.

Desarrollo de nanorobots. Los nanorobots son el contenido más atractivo en nanobiología. Los nanorobots de primera generación son una combinación orgánica de sistemas biológicos y sistemas mecánicos que pueden inyectarse en los vasos sanguíneos humanos para exámenes de salud y tratamiento de enfermedades. También se puede utilizar para reparar órganos humanos, realizar cirugía plástica, eliminar ADN dañino de genes o instalar ADN normal en genes para permitir que el cuerpo funcione normalmente. La segunda generación de nanorobots se ensambla directamente a partir de átomos o moléculas en dispositivos moleculares a nanoescala con funciones específicas. La tercera generación de nanorobots contendrá nanocomputadoras, un dispositivo que puede mantener un diálogo entre humanos y máquinas.

Se utilizan ajustes a escala nanométrica para matar células cancerosas mutadas. A través de una guía láser externa, se utilizan cálculos precisos para encontrar células cancerosas con radiación excesiva. Se utiliza tecnología avanzada de lisis celular biológica para disolver células potencialmente enfermas en sustancias químicas. elementos moleculares: Después de una verificación precisa mediante un sistema sensor específico, los componentes celulares se introducen con éxito en las células sanas, completando la conversión de las células necróticas en células sanas exitosas. ?[2]?

Principios técnicos

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El surgimiento de la nanobiología es inseparable de la invención de SPM y su aplicación en las ciencias biológicas abiertas. Los procesos vitales son los procesos físicos y químicos más complejos que se conocen.

A diferencia de la macrobiología, la nanobiología observa los fenómenos de la vida desde una perspectiva microscópica y tiene como objetivo manipular y modificar moléculas. La nanobiología ha logrado resultados gratificantes en poco tiempo de desarrollo. Los científicos biológicos han propuesto muchas ideas nuevas y desafiantes en el campo de la nanobiología. Las técnicas de procesamiento nanobiológico pueden aprender de las células biológicas.

De hecho, cada célula es un ejemplo vivo de la aplicación de la nanotecnología: las células no sólo convierten el combustible en energía, sino que también construyen y activan proteínas y enzimas basándose en la información almacenada en el ADN, al interactuar con Al recombinar el ADN de diferentes especies, los ingenieros genéticos han aprendido a construir nuevas nanoherramientas, como el uso de células bacterianas para producir hormonas médicas. Basándose en los principios de la patología molecular, los científicos han desarrollado una variedad de nanorobots que pueden ingresar al mundo microscópico del cuerpo humano y caminar. Se espera que se utilicen para eliminar sustancias nocivas, reparar genes dañados, activar la energía celular y mantener al ser humano. salud y prolongar la vida humana. Los nanorobots médicos todavía se encuentran en la etapa experimental. ?[3]?

Campos de aplicación

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Las ideas de aplicación audaces de la nanotecnología también incluyen: el uso de nanomáquinas para organizar los átomos de carbono obtenidos uno por uno levántese y conviértase en diamantes exquisitos; vuelva a descomponer las moléculas de dióxido en sus componentes originales; coloque una herramienta de nanocrucero en la sangre humana, que puede buscar automáticamente el colesterol depositado en las paredes de las venas y luego descomponerlas una por una. En el futuro, las nanomáquinas podrán convertir los recortes de hierba en pan... En un sentido completo, cada objeto real en el mundo, ya sea una computadora o un queso, está hecho de moléculas;

En En teoría, las nanomáquinas podrían construir cualquier cosa.

Diagrama esquemático de la estructura del nanorobot

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Por supuesto, no existe un equivalente desde la teoría hasta la aplicación real, pero los expertos en nanomaquinaria sí lo han hecho. demostrado que la realización de aplicaciones de la nanotecnología son posibles. Con la ayuda de microscopios de efecto túnel, los expertos en nanomaquinaria han podido organizar átomos individuales en estructuras nunca vistas en la naturaleza. Además, los expertos en nanomaquinaria han diseñado pequeños engranajes y motores fabricados a partir de unas pocas moléculas. (Estos engranajes y motores no deben confundirse con los fabricados con millones de moléculas y construidos con tecnología convencional, y estas máquinas serán demasiado grandes para compararlas con las que se construirán en el futuro).

Dentro de 25 años, los nanotecnólogos esperan hacer realidad estas ideas que existen en las vitrinas científicas y crear nanomáquinas reales que funcionen. Estas nanomáquinas tienen pequeños "dedos" que pueden manejar con delicadeza varias moléculas; tienen pequeñas "computadoras" que dirigen los "dedos" sobre cómo operar. Los "dedos" pueden estar hechos de nanotubos de carbono, que son 100 veces más resistentes que el acero y una cincuentamilésima parte del grosor de un cabello humano. Las "computadoras" podrían estar hechas de nanotubos de carbono, que sirven como transistores y como cables que los conectan. Las "computadoras" también podrían estar hechas de ADN, y los nanobots armados con el software adecuado y suficiente destreza pueden construir cualquier sustancia.

Los nanorobots deben utilizar una gran cantidad de nanomáquinas para realizar cualquier tarea, incluida replicarse a sí mismos. Puede que haya millones de nanorobots en la sangre; es posible que se necesiten billones de nanorobots en cada sitio de desechos tóxicos; para construir un automóvil se pueden necesitar decenas de miles de millones de nanorobots para funcionar simultáneamente. Sin embargo, ninguna línea de producción puede producir cantidades tan enormes de nanorobots.

Sin embargo, a los ojos de los nanocientíficos, las nanomáquinas pueden hacer esto. Diseñaron los nanobots para hacer dos cosas: realizar sus tareas principales y crear réplicas perfectas de ellos mismos. Si el primer nanobot puede hacer dos copias, cada una de las cuales puede hacer dos copias de sí mismo, pronto podrían estar disponibles billones de nanobots.

Pero ¿qué pasa si los nanobots se olvidan de dejar de replicarse? Si, sin alguna señal de parada incorporada, el nanorobot se olvida de dejar de replicarse, las posibles consecuencias de tal desastre serían incalculables.

Los nanorobots se replican rápidamente en el cuerpo humano y pueden llenar los tejidos normales más rápido de lo que se propaga el cáncer; un robot loco que elabora alimentos puede convertir toda la biosfera de la Tierra en un queso gigante.

Los nanotecnólogos no rehuyen el peligro, pero creen que pueden controlar los desastres. Un enfoque consiste en diseñar un programa de software que haga que los nanobots se autodestruyan después de replicarse durante varias generaciones. Otro enfoque es diseñar un robot que se reproduzca sólo en condiciones específicas, como cuando hay sustancias químicas tóxicas presentes en concentraciones más altas o dentro de un rango estrecho de temperatura y humedad.

Al igual que la propagación de virus informáticos, todos los esfuerzos anteriores no pueden evitar que aquellos con malas intenciones liberen deliberadamente algún tipo de nanobots como armas dañinas. De hecho, algunos críticos sugieren que la nanotecnología puede hacer más daño que bien. Sin embargo, estos beneficios por sí solos ya son demasiado tentadores. La nanotecnología seguramente superará a las computadoras electrónicas y a la medicina genética y se convertirá en la dirección del desarrollo tecnológico del nuevo siglo. El mundo podría necesitar un sistema inmunológico nanotecnológico, en el que los policías nanorobots luchen constantemente contra robots con intenciones maliciosas en el mundo microscópico.

Aplicaciones chinas

Los chinos también pueden jugar con átomos como si fueran piezas de ajedrez. El periodista se enteró por la Academia de Ciencias de China que el Instituto de Automatización de Shenyang de la Academia de Ciencias de China desarrolló con éxito un prototipo de sistema robótico capaz de operar a nanoescala, y que pasó la aceptación del grupo nacional de expertos en robots inteligentes "863" en el campo de la automatización. En una demostración, investigadores del Instituto de Automatización de Shenyang operaron un "robot de micromanipulación nano" para tallar claramente las tres letras inglesas "SIA" (la abreviatura del Instituto de Automatización de Shenyang) en un área de 1×2 micrones en un silicio. sustrato; otra demostración mostró que sobre un sustrato de silicio de 5 × 5 micrones, el operador movió con precisión un nanotubo de carbono de 4 micrones de largo y 100 nanómetros de espesor hacia una ranura tallada.

Los caracteres tallados por el robot de nano-micromanipulación sobre un sustrato de 10×10 micras

La prueba mostró que durante la operación de grabado, el robot de nano-micromanipulación fue capaz para grabar caracteres en un ancho de 512 píxeles en el área de visualización, el error de posicionamiento repetido es inferior a 5 píxeles y la precisión alcanza más de 1 en la operación de nanotubos de carbono en movimiento, la precisión de posicionamiento repetido alcanza los 30 nanómetros; Prueba de posicionamiento basada en señales de tráfico, el error de posicionamiento es inferior a 4 nanómetros. Los expertos explican que 1 nanómetro son 10^-9 metros, lo que equivale aproximadamente a la longitud de 10 átomos de argón dispuestos en línea recta. Las operaciones a nanoescala, denominadas "nanomicrooperaciones", son una parte importante de la nanotecnología. Su objetivo es mover, dar forma, caracterizar y ensamblar nanomateriales a nanoescala según los deseos humanos. La nanomicromanipulación comenzó en la década de 1980. En 1989, los científicos de IBM utilizaron un microscopio de efecto túnel (STM) para manipular 35 átomos de xenón para deletrear las letras I-B-M en la superficie del níquel metálico, lo que se convirtió en una noticia que conmocionó al mundo. micromanipulación. Desde entonces, la tecnología de nanomanipulación se ha convertido en una importante dirección de desarrollo estratégico, que ha atraído a varios países para realizar investigaciones. Según los investigadores del proyecto, este sistema robótico ha logrado muchos avances e innovaciones en términos de métodos de modelado de sistemas a nanoescala, adquisición y percepción de fuerzas nanoscópicas tridimensionales, y análisis y compensación de errores, todos los cuales han alcanzado los niveles más avanzados del mundo. nivel. Según los informes, este tipo de robot de nanomicrooperación puede utilizarse ampliamente en campos como la investigación experimental en nanociencia, la bioingeniería y la investigación experimental médica, la investigación científica en micronano y la enseñanza. Por ejemplo, en el campo de la investigación biológica, los robots de nanomicromanipulación se pueden utilizar para completar la operación de corte de cromosomas celulares; también pueden realizar investigaciones experimentales de detección bioquímica y pruebas patológicas y fisiológicas a nivel molecular o de ADN. Además, este tipo de robot también tiene buenas perspectivas de aplicación en el ensamblaje y procesamiento de nanodispositivos en la industria de circuitos integrados. Por ejemplo, puede usarse para manipular nanopartículas, ensamblar dispositivos micro/nanoelectrónicos e incluso nanopartículas complejas. -circuitos. Esto significa que en el futuro los ordenadores y electrodomésticos fabricados con circuitos nanométricos podrán ser "tan pequeños como se quiera" e incluso podrán "colocarse entre los dientes". Los robots también podrán penetrar en el cuerpo humano para desbloquear los vasos sanguíneos; pacientes, o completar tareas que son imposibles de realizar para las personas por sí solas en el mundo microscópico invisible a simple vista.

Aplicaciones extranjeras

En el éxito de taquilla estadounidense de ciencia ficción "Amazing Voyage", los científicos inyectaron personas más pequeñas y naves espaciales en el cuerpo humano, lo que permitió a estos "visitantes" reducidos observar directamente a la organización. y funcionamiento de diversos órganos del cuerpo humano. Sin embargo, en realidad, los científicos han desarrollado una variedad de nanorobots que pueden ingresar al cuerpo humano basándose en los principios de la patología molecular y se espera que se utilicen para mantener la salud humana.

Aún en fase experimental, que van desde unos pocos milímetros de longitud hasta unas pocas micras de diámetro; pero ¿es seguro que en los próximos años los nanorobots provocarán una revolución médica?[4] .

Muchos ingenieros, científicos y médicos creen que los nanorobots médicos tienen un potencial ilimitado, el más probable entre ellos: tratar la aterosclerosis, combatir el cáncer, eliminar coágulos de sangre, limpiar heridas y ayudar a la coagulación de la sangre, eliminar parásitos, tratar la gota, triturar cálculos renales, inseminación artificial y activar la energía celular, para que las personas no sólo se mantengan sanas, sino que también prolonguen su vida útil.