آینده نانو ربات ها در سال 2023

خلاصه

تصور کنید پس از یک حادثه طبیعی زیر آوار فرو رفته باشید تا اینکه یک سوسک از زیر یک سنگ وارد می شود. چند دقیقه بعد، آوار برداشته می شود و شما به ایمنی کشیده می شوید. یک دقیقه صبر کنید - آیا یک سوسک جان شما را نجات داد؟ دقیقاً نه. در حالی که پژوهشگران در ژاپن واقعاً سوسک های سایبورگ ساخته اند تا کمک کنند به زنده ماندگانی که پس از زلزله زیر آوار گیر کرده اند، اما ما در مورد این موضوع صحبت نمی کنیم. ما در مورد میکروبات ها صحبت می کنیم - ربات های کوچکی که طراحی شده اند تا حرکات کوچک موجودات مانند حشرات را تقلید کنند تا به فضاهایی برسند که انسان ها نمی توانند برای همه چیز از جستجو و نجات تا بازرسی و حتی اکتشاف فضایی.

میکروبات ها بیشتر در صنعت بیوتکنولوژی برای توسعه تشخیصی و درمان های هدفمند برای نظارت و درمان بیماری استفاده می شوند. اما آنها برای نظارت بر محیط زیست، تصفیه خاک، تحقیقات کشاورزی، بازرسی موتور جت و جستجو و نجات استفاده شده اند. نه تنها این - آنها در حال حاضر برای استفاده از مقدار زیادی مواد دیگر هستند زیرا این فناوری در چند سال گذشته به سرعت پیشرفت کرده است. در این گزارش، ما نحوه کار کردن ربات های کوچک و آنچه آنها می توانند انجام دهند را پوشش می دهیم، سپس فرصت های بی نظیری را که در حال باز شدن با این فناوری هستند، پوشش می دهیم.

آنچه ربات های کوچک امروز می توانند انجام دهند

همه می دانند که این بازوهای رباتیک بزرگ را که در خطوط مونتاژ خودرو برای ساخت خودروها استفاده می شوند. در مقابل، یک افسانه وجود دارد که ربات های کوچک غیرصنعتی، انعطاف پذیر نیستند. اما تولید کنندگان صنعتی بسیاری از ربات های کوچک برای تولید انبوه و مونتاژ واحدهای کنترل الکترونیکی خودرو، تلفن همراه، دستگاه های پزشکی، بردهای مدار چاپی و سرنگ ها استفاده می کنند.

ربات های میزکار برای بافتن، ماشین کاری، تغذیه قطعات، تست و وظایف بازرسی استفاده می شوند و می توانند چسب، پولیش و پیچ ها را محکم کنند و قطعات را در خطوط مونتاژ جوش بزنند. این ربات های کوچک معمولاً بر اساس دسترسی به 500 میلیمتر یا کمتر با ظرفیت باربری زیر 3 کیلوگرم طبقه بندی می شوند. یک واحد میزکار فقط 12 اینچ قد دارد، با پایه ای به اندازه کف دست شما و وزن کمتر از 5 کیلوگرم. دیگری اندازه یک برگ کاغذ 8.5 در 11 است.

سپس، MiGriBot - ربات گیرنده کوچک وجود دارد. MiGriBot سریع ترین میکروبات جهان است. این می تواند یک میکرو-شیء را 720 بار در دقیقه با دقت یک میکرومتر بگیرد و حرکت کند. این یک میلیونیم متر است. به زودی این MiGriBots برای ایجاد خطوط مونتاژ کوچک برای میکروفکتوری ها استفاده خواهند شد.آنها میکروالکترونیک برای گوشی های هوشمند، کامپیوترها یا حتی نانوتکنولوژی مانند نانوسنسورها برای تشخیص مواد شیمیایی سمی یا سلول های سرطانی را تشکیل خواهند داد. و توانایی تولید میکروتکنولوژی به صورت انبوه بدون نیاز به بازوهای بزرگ می تواند مصرف برق را در مقیاس بزرگی کاهش دهد.

حالا اگر فکر می کردید MiGriBot کوچک است... با peaky - کوچکترین ربات قابل کنترل از راه دور ساخته شده تا کنون آشنا شوید. فقط نیم میلیمتر عرض دارد، Peaky کوچکتر از یک کک است. این ربات بعد از یک خرچنگ peekytoe توسعه یافته است، می تواند خم شود، خزیده، چرخیده و پریده. این میکروبات ها قصد دارند تعمیر ساختمان های کوچک یا ماشین های کوچک را تشکیل دهند. اما هنوز در مقیاس صنعتی نیستند. تامین انرژی برای ربات های این اندازه می تواند مشکل باشد. در مورد Peaky، نیازی به باتری نیست. از آلیاژ حافظه شکل استفاده می کند که با ضربه پرتو لیزر تغییر شکل می دهد و بازسازی می کند تا حرکت ایجاد کند.

همان تیم ربات هایی به اندازه میلیمتری الهام گرفته از سوسک ها، جیرجیرک ها و کرم های اینچی را ایجاد کرد، همچنین یک میکروچیپ بالدار. این چیپ تبدیل شد به کوچکترین ساختار پروازی ساخته شده توسط انسان به اندازه یک دانه شن. این دستگاه های کوچک، حامل سنسور، با انرژی خورشیدی شبیه به داندلیون ها که توسط باد می پرند. در حالی که 30 برابر سنگین تر از یک داندلیون 1 میلی گرمی است، باز هم می تواند طول یک زمین فوتبال را در نسیم متوسط سفر کند، سپس داده ها را تا فاصله 60 متری ارسال کند. سنسورهای بی سیم آن می توانند تغییرات دما و رطوبت را در سراسر مزارع یا جنگل ها ردیابی کنند یا آلودگی هوا مانند انتشار گازهای گلخانه ای یا بیماری های هوابرد را ردیابی کنند.

بسیاری از سازندگان میکروبات از biomimicry استفاده می کنند برای طراحی میکروبات ها، که با ابعاد کوچکتر از یک میلیمتر و بزرگتر از یک میکرومتر طبقه بندی می شوند، بعد از حشرات که برخی از کوچکترین موجودات در دنیای ما هستند. این bugbot پرشی قرار است ارزیابی های ساختمانی انجام دهد یا نمونه های آب بگیرد که فقط حشرات می توانند به آنجا برسند.یک ربات دیگر توانایی حیوانات را در استفاده از پرش‌های بهاری برای تصحیح خود در هنگام پرواز را تقلید می‌کند.

پهپادهای کوچک خودراهبر قرار است مانند زنبورها فکر و حرکت کنند تا گل‌ها را گرده‌افشانی کنند. RoboBee خودکار قرار است محیط‌های خطرناک را کاوش کند، در عملیات جستجو و نجات شرکت کند و مانند الهام‌بخش طبیعی خود، در کشاورزی کمک کند. دانشمندان قصد دارند RoboFly را برای یافتن نشت گاز یا برداشت انرژی از فرکانس‌های رادیویی استفاده کنند.

فراتر از کشاورزی، کاربردهای بالقوه ربات‌های الهام‌گرفته از حشرات شامل ساخت و ساز، نظارت و دفاع است. هلیکوپتر نانویی Black Hornet فقط 16 گرم وزن دارد، چهار اینچ طول دارد و برای مقاومت در برابر طوفان‌ها ساخته شده است. در حال حاضر با قیمت 200 هزار دلار، نیروی دریایی آن را برای آگاهی از وضعیت و یافتن تهدیدات بالقوه در میدان نبرد استفاده می‌کند. نیروی دریایی آمریکا پلتفرم رباتیکی Gecko Robotics Phased Array را دارد که در فضاهای سه بعدی می‌خزد تا خسارت‌هایی را که دریانوردان نمی‌توانند به آن‌ها برسند، بررسی کند. هر دوی این‌ها ممکن است به زودی توسط ربات‌های کوچکتر جایگزین شوند.

سال گذشته، پژوهشگران MIT و هاروارد پهپادهای کوچک و چابک را ساختند که مانند حشرات واقعی منوور می‌کنند. پژوهشگران عضلات مصنوعی برای این ربات‌های هوایی ایجاد کردند تا بتوانند برای 20 ثانیه در هوا معلق بمانند و کمتر از یک چهارم یک پنی وزن داشته باشند. پژوهشگران قبلا کاوشگران زیر آب خودکار را ایجاد کردند که با هم کار می‌کنند و در گروه‌هایی ارتباط برقرار می‌کنند. آزمایش‌های اخیر از ارتعاشات استفاده کردند تا تأثیر گذاری بر حرکت صدها و هزاران مجموعه میکروبات را تحت تأثیر قرار دهند، مانند یک ذهن کندویی واقعی.

برای اینکه تمام این ربات‌ها به صورت خودکار کار کنند، آن‌ها نیاز به ابزارهای دید کامپیوتری دارند تا ببینند. LiDar، که برخی از خودروهای خودران را تأمین می‌کند، به حسگرهای بزرگ و سنگین اتکا می‌کند. این هم کوچکتر شده است. کوچکترین و سبک‌ترین LiDar اسکن کننده موجود SF45 نام دارد و به یک روبات کوچک اضافه شده است. اما این نیاز به کوچک‌تر شدن حتی بیشتری دارد تا توسط میکروبات‌ها استفاده شود.

میکروبات‌ها به علاوه نانوتکنولوژی برابر با...نانوبات!

کوچکتر از میکروبات ها نانوبات ها هستند، با قطعاتی کوچکتر از یک میکرومتر در محدوده نانومتر. نانومتریال ها برای تحویل دارو، الکترونیک، سلول های سوختی و خورشیدی توسعه یافته اند و ممکن است روزی برای اکتشاف فضا استفاده شوند - اما بیشتر در این مورد بعدا صحبت خواهیم کرد.

نانوتکنولوژی در حال حاضر در تصفیه خاک استفاده می شود، جایی که نانومتریال ها مستقیماً در خاک رها می شوند. نانومتریال ها آلاینده های خاک را تشخیص می دهند و درمان می کنند و می توانند زباله های جامد را پایدار کنند و همچنین فرسایش خاک را کنترل کنند. توسعه های اخیر در نانوتکنولوژی اثربخشی مواد جاذب را افزایش داده است تا سیستم های نوآورانه جدیدی را برای بهبود تصفیه محیط زیست فراهم کند. پژوهشگران نشان داده اند که چگونه "نانو شناگران" خودرو می توانند خود نانومتریال ها را برای بهبود تصفیه یا فیلتراسیون آب رها کنند. و پژوهشگران در حال حاضر نانوسیستم ها و نانومتریال ها را برای حذف آلاینده هایی مانند فلزات سنگین یا حتی پسماندهای رادیواکتیو از آب توسعه داده اند. پژوهشگران همچنین مفهوم اثبات را برای استفاده از میکروبات ها برای تجزیه میکروپلاستیک ها از آب آشامیدنی یا فاضلاب ایجاد کرده اند.

کنترل ها برای اینکه این نانوتکنولوژی به صورت خودکار کار کند، سخت ترین جنبه توسعه خواهد بود. پژوهشگران اخیرا کوچکترین ربات راه روی جهان را ایجاد کردند. به عرض موی انسان، آنها با یک مدار روی برد و بدون کنترل های خارجی به صورت خودکار راه می روند - یک دستاورد بزرگ. در حالی که در حال حاضر در مقیاس میکرو است، تکنیک های مشابه باید در مقیاس نانو برای نانوبات ها چاپ شوند.

دکتر کوچک در حال حاضر - ربات های کوچک در پزشکی

میکرو و نانوتکنولوژی بیشترین تقاضا را برای کاربردهای بهداشتی و درمانی دارد، جایی که بیومیمیکری نیز اعمال می شود. این میکرو-صدف ها، فقط یک قسمت اندکی از یک میلیمتر در اندازه، برای ناوبری در جریان خون انسان - و حتی چشم انسان طراحی شده اند.دانشمندان قبلاً یک گروه از ربات‌های میکروسکوپی شنا را برای پاک کردن میکروب‌های ذات الریه از ریه‌های موش‌ها هدایت کردند.

یک تزریق وریدی معادل آنتی‌بیوتیک باید 3000 برابر بیشتر باشد تا همان نتیجه را بدست آورد. این می‌تواند نفوذ آنتی‌بیوتیک را برای نجات بیشتری از زندگی‌ها بهبود بخشد - زیرا یک میلیون بزرگسال در آمریکا برای درمان ذات الریه بستری می‌شوند و سالانه 50,000 نفر می‌میرند. در سراسر جهان، ذات الریه به طور متوسط 2.5 میلیون نفر را می‌کشد.[text] [text]این نانوبات که به صورت قرص مصرف می‌شود می‌تواند داروها را تزریق کند مانند انسولین مستقیماً به روده که کاربر درد تزریق را حس نمی‌کند. میکروباتیک همچنین منجر به ایجاد کوچکترین پیس میکر جهان شده است. پژوهشگران در Penn Dental از میکروبات‌ها استفاده کرده‌اند برای درمان مناطق دشوار دسترس ریشه دندان برای بیوفیلم‌ها، تحویل دارو، یا بازیابی نمونه‌های تشخیصی. میکروبات‌های تغییر شکل دهنده نیز استفاده شده‌اند برای مسواک زدن و نخ دندان. ربات‌هایی که 10 برابر کوچکتر از یک سلول خون قرمز هستند ممکن است به زودی استفاده شوند برای مبارزه با سلول‌های سرطانی، کنترل شده توسط امواج فراصوت. یا مغناطیس می‌تواند برای تحویل دارو از طریق نانورادها مستقیماً به نخاع استفاده شود. دیگر میکروبات‌ها می‌توانند شکل خود را تغییر دهند و سخت شوند تا رویش استخوان را تقلید کنند.[text] [text]نانوبات‌ها همچنین می‌توانند آنتی‌بیوتیک‌های هدفمند را در کل زخم پخش کنند، یک بهبود عمده نسبت به آنتی‌بیوتیک‌های معمولی که فقط باکتری‌ها را در محل مدیریت محلی می‌کشند. این فناوری می‌تواند برای مبارزه با باکتری‌ها مخفی در زانو یا سایر ایمپلنت‌های مفصل یا برای درمان سنگ کلیه استفاده شود. باکتری چهارمین علت مرگ در بیمارستان‌های آمریکا است و تقریباً 1.2 میلیون نفر را در سال می‌کشد.

میکروبات‌ها شکل‌های مختلفی از جمله لجن مغناطیسی تا پاستا را برای حرکت در بدن انسان و بازیابی اشیاء درون آن اتخاذ کرده‌اند. در نهایت، این میکروبات‌ها می‌توانند به صورت دسته‌هایی تشکیل شوند تا داروها را تحویل دهند یا شریان‌های مسدود را باز کنند. یک شرکت به نام Bionaut Labs، برنامه‌هایی برای آزمایشات بالینی در طی دو سال آینده برای میکروبات‌هایی که در بدن تزریق می‌شوند و توسط مغناطیس‌ها برای درمان عیوب مادرزادی مغز و تومورها هدایت می‌شوند، دارد. این فقط انسان‌ها نیستند که میکروبات‌ها می‌توانند آن‌ها را درمان کنند. کاربردهای مشابهی می‌توانند برای ایجاد نانوروبات‌هایی که خود را درمان می‌کنند، استفاده شود. پژوهشگران نانوبات‌هایی را ساخته‌اند که خودتعمیری می‌کنند وقتی از هم شکسته می‌شوند و مدارها را تعمیر می‌کنند وقتی آسیب می‌بینند، مانند آن‌هایی که برای تغذیه باتری‌های ماشین الکتریکی استفاده می‌شوند.

فرصت‌های آینده میکروبات‌ها

مرز بعدی پزشکی میکروبات خواهد بود روبات‌های بیوهیبرید کوچک، که با دستگاه‌های راه دور کنترل می‌شوند تا عملیات بیوشیمیایی با دقت بالا انجام دهند. آن‌ها نه بزرگتر از یک سلول زیستی خواهند بود، یا حتی کوچکتر، برای سفر در سیستم گردش خون، مسیر تحویل ایده‌آل. نانوبات‌های بیوهیبرید در نهایت می‌توانند خونریزی‌های مغزی را بدون جراحی، داروها را مستقیما به ارگان‌ها تحویل دهند یا در فرایند لقاح کمک کنند. [text]نانوپزشکی به خصوص درمان‌های محلی برای مبارزه با سرطان تمرکز دارد و پیشرفت‌های زیادی صورت گرفته است. دانشمندان اخیرا مغناطیس‌ها را برای تحویل میکروبات‌های کشنده سرطان را مستقیماً به تومورها ارسال کنند. نانوبات‌ها در نهایت می‌توانند CRISPR را تقویت کنند نیز. سرمایه‌گذاری اخیر برای رویکردهای مبتنی بر CRISPR برای تشخیص و درمان سپسیس شامل کاربردهای نانوبات بیو-معدنی ترکیبی بود. حتی یک میکروبات مفهوم اثبات شده وجود دارد که می‌تواند سلول‌های سالم را مستقیماً درون بدن انسان چاپ کند، جایی که ما نیاز به رشد یا درمان آنها داریم - مانند ترمیم زخم‌های معده. در حال حاضر باور می‌شود که نانوبات‌های بیوهیبریدی مانند این می‌توانند از سال 2030 به زودترین تاریخ در بدن‌های ما ساکن شوند.

کاربرد دورترین نانوبات کاوش فضایی است، زیرا بسیاری از سازمان‌های فضایی انواع و مراحل مختلفی از برنامه‌ها در کار دارند برای افزودن نانوسنسورها و نانوروبات‌ها برای بهبود عملکرد سفینه‌های فضایی، لباس‌های فضایی و روبات‌های فضایی. به عنوان مثال، نانوتیوب‌های کربن می‌توانند سفینه‌های فضایی سبک‌تری بسازند، آسانسورهای فضایی، یا بادبان‌های خورشیدی. لایه‌های بیو-نانو روبات‌ها به لباس‌های فضایی می‌توانند خود را تعمیر کنند، سوراخ‌ها را ببندند، یا حتی داروها را مستقیماً به فضانوردان تحویل دهند در طول اورژانس‌های پزشکی.

سازمان‌های فضایی همچنین می‌توانند از نانوسنسورها برای جستجوی سیارات مانند مریخ برای مواد شیمیایی ضروری مانند آب استفاده کنند، یا سطوح ردیابی مواد شیمیایی مضر را به عنوان بخشی از سیستم حمایت از زندگی کشتی نظارت کنند. دانشمندان همچنین می‌توانند نانوکشتی‌ها (یا نانوپروب‌ها) را برای کاوش حتی جهان هستی ایجاد کنند. ناسا برنامه‌هایی برای یک اسطول نانوتکنولوژی خودکار معروف به ANTS داشت، و اخیراً، مفهوم SWIM با سرمایه‌گذاری 600,000 دلار جایزه گرفت. SWIM می‌تواند به احتمال زیاد هلیکوپتر Ingenuity ناسا را جایگزین کند تا در مورد محیط خود به روبات‌ها اطلاع دهد، هر روبات در این اسطول را با سیستم‌های پیشرفته خود و سیستم‌های ارتباطی مسلح کند. ناسا همچنین در سال 2016 برنامه‌هایی برای پروژه "starchip" خود اعلام کرد، اما برخورد با گاز و گرد و خاک شناور در فضا می تواند برای سفینه ها کارداکلی باشد، بنابراین هنوز در حال پیشرفت است.

با پیشرفت های تسارعی در هوش مصنوعی، امکان دارد تکنولوژی ارسال این نانوپروب های خودکپی بردار به فضا تا سال 2050 آماده شود. اما ما اجازه می دهیم Michio Kaku در مورد این موضوع کلمه آخر را بگوید.