مستقبل النانوبوتات في 2023

الملخص

تخيل أنك محاصر تحت الأنقاض بعد كارثة طبيعية حتى يزحف الصرصور من تحت صخرة. بعد دقائق، يتم إزالة الأنقاض، وأنت تتم سحبك إلى الأمان. انتظر دقيقة - هل أنقذ الصرصور حياتك؟ ليس تمامًا. بينما قام الباحثون في اليابان بـ خلق صراصير سايبورغ حقيقية للمساعدة في العثور على الناجين المحاصرين تحت الأنقاض بعد الزلازل، هذا ليس ما نتحدث عنه. نحن نتحدث عن الميكروبوتات - الروبوتات الصغيرة المصممة لـ تقليد الحركات للكائنات الصغيرة مثل الحشرات للوصول إلى الأماكن التي لا يمكن للبشر الوصول إليها لكل شيء من البحث والإنقاذ إلى الفحص وحتى استكشاف الفضاء.

تُستخدم الميكروبوتات في الغالب في صناعة التكنولوجيا الحيوية لتطوير التشخيصات والعلاجات المستهدفة لرصد وعلاج الأمراض. لكنها استخدمت أيضًا لرصد البيئة، وترميد التربة، والبحث الزراعي، وفحص محركات الطائرات، والبحث والإنقاذ. ليس هذا فقط - إنها على وشك أن تُستخدم للكثير من الأشياء الأخرى حيث تقدمت هذه التكنولوجيا بسرعة خلال السنوات القليلة الماضية. في هذا التقرير، نغطي كيفية عمل الروبوتات الصغيرة وما يمكنها القيام به، ثم نغطي أكثر الفرص المدهشة التي ستتاح قريبًا مع هذه التكنولوجيا.

ما يمكن أن تفعله الروبوتات الصغيرة اليوم

الجميع يعرف تلك الذراعين الروبوتية العملاقة المستخدمة في خطوط تجميع السيارات لصنع السيارات. بالمقابل، هناك أسطورة تقول أن الروبوتات الصغيرة غير صناعية، وألعاب غير مرنة. ولكن العديد من الشركات الصناعية تستخدم الروبوتات الصغيرة لإنتاج وتجميع وحدات التحكم الإلكترونية للسيارات، والهواتف المحمولة، والأجهزة الطبية، واللوحات الدوائر المطبوعة، والحقن بكميات كبيرة.

تُستخدم الروبوتات الصغيرة على الطاولات في الحياكة، والتعامل مع الآلات، وتغذية الأجزاء، والاختبار، والتفتيش، ويمكنها توزيع اللاصق، وتلميع وشد البراغي ولحام الأجزاء على خطوط التجميع. تُصنف هذه الروبوتات الصغيرة عادة بمدى وصولها الذي يقل عن 500 ملم مع قدرة حمولة تقل عن 3 كيلوغرامات. إحدى وحدات الطاولة لا تزيد طولها عن 12 بوصة، مع قاعدة بحجم راحة يدك وتزن أقل من 5 كيلوغرامات. أخرى بحجم ورقة بحجم 8.5 بوصة في 11 بوصة.

ثم، هناك MiGriBot - الروبوت القابض المصغر. MiGriBot هو أسرع ميكروبوت في العالم. يمكنه الإمساك وتحريك ميكرو-كائن 720 مرة في الدقيقة بدقة ميكرومتر. هذا يعادل مليون جزء من المتر. سيتم استخدام هذه الروبوتات MiGriBot قريبًا لإنشاء خطوط تجميع صغيرة للمصانع الصغيرة.سيقومون بتجميع الميكروإلكترونيات للهواتف الذكية والكمبيوتر، أو حتى التكنولوجيا النانوية مثل النانومترات للكشف عن المواد الكيميائية السامة أو خلايا السرطان. والقدرة على إنتاج التكنولوجيا الدقيقة بكميات كبيرة بدون الحاجة إلى أذرع ضخمة قد تقلل من الكهرباء على نطاق واسع.

الآن إذا كنت تعتقد أن MiGriBot كان صغيرًا ... تعرف على بيكي - أصغر روبوت يمكن التحكم فيه عن بُعد تم إنشاؤه على الإطلاق. بيكي أصغر من البراغيث بنصف مليمتر فقط. تم تطويره بعد السرطان البحري، يمكنه الانحناء والزحف واللف والقفز. هذه الميكروبوتات مخصصة لإصلاح الهياكل الصغيرة أو تجميع الآلات الصغيرة. لكنهم ليسوا بالقرب من النطاق الصناعي بعد. تزويد الروبوتات بهذا الحجم بالطاقة يمكن أن يكون مشكلة. في حالة بيكي، لا توجد حاجة للبطاريات. يستخدم سبيكة ذاكرة الشكل التي تتشوه وتعيد تشكيلها عندما تصيبها شعاع الليزر لإنشاء حركة.

أنشأ نفس الفريق روبوتات بحجم المليمتر مستوحاة من الخنافس والجنادب والدود، بالإضافة إلى رقاقة مجنحة. أصبحت هذه الرقاقة أصغر هيكل طائر صنعه الإنسان في العالم بحجم حبة رمل. هذه الأجهزة الصغيرة التي تحمل أجهزة الاستشعار وتعمل بالطاقة الشمسية تقلد الهندباء التي تنفخها الرياح. بينما يبلغ وزنها 30 ضعفًا من وزن الهندباء التي تزن 1 ملغ، فإنها لا تزال قادرة على السفر لمسافة ملعب كرة القدم في نسيم معتدل، ثم تشارك البيانات على بُعد يصل إلى 60 مترًا. يمكن لأجهزة الاستشعار اللاسلكية الخاصة بهم رصد تغيرات درجة الحرارة والرطوبة عبر الحقول أو الغابات أو تتبع التلوث الجوي مثل انبعاثات الغازات الدفيئة أو الأمراض الجوية.

يستخدم العديد من مبتكري الميكروبوت التقليد البيولوجي لتصميم الميكروبوتات، التي تصنف بواسطة المكونات ذات الأبعاد أصغر من مليمتر وأكبر من ميكرومتر، بعد الحشرات التي تعد بعض أصغر الكائنات في عالمنا. هذا البوت القافز مصمم لأداء التقييمات الهيكلية أو أخذ عينات المياه حيث يمكن فقط للحشرات الوصول إليها. يقلد بوت آخر قدرة الحيوانات على استخدام الربيعيات لتصحيح أنفسهم في منتصف الرحلة.

الطائرات الصغيرة التي تتمتع بالقدرة على التنقل بنفسها، والتي تم تصميمها للتفكير والتحرك مثل النحل لتلقيح الزهور. سيقوم الروبوت الذاتي RoboBee بالاستكشاف في البيئات الخطرة، وتنفيذ عمليات البحث والإنقاذ، ومساعدة الزراعة مثل النحل الطبيعي. يخطط العلماء لاستخدام RoboFly للعثور على تسربات الغاز أو جمع الطاقة من الترددات الراديوية.

بعيدًا عن الزراعة، تشمل التطبيقات المحتملة للروبوتات المستوحاة من الحشرات الصناعة، والمراقبة، والدفاع. يزن الطائرة المروحية Black Hornet Nano 16 جرامًا فقط، وطولها أربع بوصات، وهي مصممة لتحمل العواصف. حاليًا، يتم تسعيرها بـ 200 ألف دولار، وتستخدمها القوات العسكرية للوعي بالوضع والبحث عن التهديدات المحتملة في ساحة المعركة. لدى البحرية الأمريكية منصة الروبوت Gecko Robotics Phased Array التي تزحف في الفضاءات ثلاثية الأبعاد لفحص الأضرار في الأماكن التي لا يمكن للبحارة الوصول إليها. قد يتم استبدال كلاهما قريبًا بروبوتات أصغر حجمًا.

في العام الماضي، قام الباحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهارفارد بصنع طائرات بدون طيار صغيرة ومرنة تتحرك مثل الحشرات الحقيقية. أنشأ الباحثون عضلات اصطناعية لهذه الروبوتات الجوية لتحوم لمدة 20 ثانية وتزن أقل من ربع بنس. أنشأ الباحثون سابقا مستكشفين تحت الماء ذاتيي القيادة يعملون معًا ويتواصلون في أسراب. استخدمت الاختبارات الأخيرة الاهتزازات للتأثير على كيفية تحرك مئات وآلاف مجموعات الميكروبوت، وتعمل مثل عقل الخلية الحرفي.

لكي تعمل كل هذه الروبوتات بشكل ذاتي، ستحتاج إلى أدوات رؤية الكمبيوتر للرؤية. يعتمد LiDar، المستخدم لتشغيل بعض السيارات ذاتية القيادة، على أجهزة استشعار كبيرة وثقيلة. لقد أصبح هذا أصغر أيضًا. أصغر LiDar متوفر للمسح الضوئي يسمى SF45 وتمت إضافته إلى طائرة بدون طيار صغيرة. ولكن سيحتاج هذا إلى تقليل الحجم أكثر حتى يتم استخدامه بواسطة الميكروبوتات.

الميكروبوتات بالإضافة إلى التكنولوجيا النانوية تساوي... نانوبوتات!

أصغر من الميكروبوتات هي النانوبوتات، مع أجزاء أصغر من الميكرومتر في المدى النانومتري.تم تطوير المواد النانوية لـ توصيل الأدوية، والإلكترونيات، وخلايا الوقود والطاقة الشمسية، وقد يتم استخدامها يومًا ما لاستكشاف الفضاء - لكننا سنتحدث عن هذا لاحقًا.

تُستخدم التكنولوجيا النانوية حاليًا في تحسين التربة، حيث يتم إطلاق المواد النانوية مباشرة في التربة. تكتشف المواد النانوية الملوثات في التربة وتعالجها ويمكنها تثبيت النفايات الصلبة وكذلك التحكم في تآكل التربة. أدت التطورات الحديثة في التكنولوجيا النانوية إلى زيادة فعالية المواد الماصة لتوفير أنظمة مبتكرة جديدة لتحسين الترميد البيئي. أظهر الباحثون كيف يمكن للـ "النانو-سباحين الذاتيين الدفع أن يطلقوا المواد النانوية بأنفسهم لتحسين الترميد أو تنقية المياه. وقد طور الباحثون بالفعل أنظمة نانوية ومواد نانوية لإزالة الملوثات مثل المعادن الثقيلة أو حتى النفايات الإشعاعية من الماء. كما أنشأ الباحثون دليل على المفهوم لاستخدام الروبوتات المتناهية الصغر لتحليل المواد البلاستيكية المتناهية الصغر من مياه الشرب أو مياه الصرف الصحي.

التحكم في جعل هذه التكنولوجيا النانوية تعمل بشكل مستقل سيكون الجانب الأصعب في التطوير. أنشأ الباحثون مؤخرا أصغر روبوت مشي في العالم. بعرض شعرة الإنسان، يمشون بشكل مستقل مع دائرة على متنها وبدون تحكمات خارجية - إنجاز ضخم. بينما هي في حجم الميكرو الآن، سيحتاج إلى طباعة تقنيات مماثلة في حجم النانو للنانوبوتات.

الطبيب الصغير في الداخل - الروبوتات الصغيرة في الطب

التكنولوجيا الميكرو والنانو هي الأكثر طلبا لتطبيقات الرعاية الصحية، حيث يتم تطبيق التقليد البيولوجي أيضا. هذه المقلوبات الميكرو، التي تكون فقط جزءًا صغيرًا من المليمتر في الحجم، مصممة للتنقل في الدورة الدموية للإنسان - وحتى في العين البشرية. قام العلماء بالفعل بتوجيه سرب من الروبوتات السباحة المجهرية لإزالة الجراثيم الالتهاب الرئوي من رئتي الفئران.

ما يعادل الحقن الوريدي للمضادات الحيوية سيحتاج إلى أن يكون أعلى بمقدار 3000 مرة لتحقيق نفس النتيجة. هذا قد يحسن من اختراق المضادات الحيوية لإنقاذ المزيد من الأرواح - حيث يتم نقل مليون بالغ في الولايات المتحدة إلى المستشفى بسبب الالتهاب الرئوي، ويموت 50,000 سنويا. على مستوى العالم، الالتهاب الرئوي يقتل 2.5 مليون شخص في المتوسط.

يمكن لهذا النانوبوت الذي يتم تناوله كحبة أن يحقن الأدوية مثل الأنسولين مباشرة في الأمعاء، حيث لا يشعر المستخدم بألم الحقنة. أدت الميكروبوتات أيضا إلى إنشاء أصغر جهاز تنظيم ضربات القلب في العالم. استخدم الباحثون في Penn Dental الميكروبوتات لعلاج المناطق الصعبة الوصول في القناة الجذرية للأحياء الدقيقة، توصيل الأدوية، أو استرداد العينات التشخيصية. تم استخدام الميكروبوتات المتغيرة الشكل أيضا لتنظيف و تنظيف الأسنان. قد تكون الروبوتات التي تكون أصغر بمقدار 10 مرات من خلية الدم الحمراء لمحاربة خلايا السرطان، وذلك من خلال التحكم فيها بواسطة موجات الألتراساوند. أو يمكن استخدام المغناطيس لـ توصيل الدواء عبر النانوعصي مباشرة إلى الحبل الشوكي. يمكن للميكروبوتات الأخرى تغيير شكلها وتصلبها لـ تقليد نمو العظام.

يمكن أيضًا للنانوبوتات نشر المضادات الحيوية المستهدفة في جرح كامل، وهو تحسين كبير مقارنة بالمضادات الحيوية النموذجية التي تقتل البكتيريا فقط حيث يتم إعطاؤها محليًا. يمكن استخدام هذه التكنولوجيا لـ محاربة البكتيريا المختبئة في الركبة أو غيرها من زراعات المفاصل أو لعلاج حصى الكلى. البكتيريا هي السبب الرابع الأكبر للوفاة في المستشفيات الأمريكية وتقتل حوالي 1.2 مليون شخص سنويًا.

أخذت الميكروبوتات شكل كل شيء من السلايم المغناطيسي إلى المعكرونة للتنقل في الجسم البشري واسترجاع الأشياء بمجرد دخولها. في نهاية المطاف، يمكن تجميع هذه الميكروبوتات إلى سرب لتوصيل الأدوية أو فتح الشرايين المسدودة. تخطط شركة Bionaut Labs لـ التجارب السريرية خلال سنتين لميكروبوتاتها التي يتم حقنها في الجسم وتوجيهها بواسطة المغناطيس لعلاج تشوهات الدماغ الخلقية والأورام. ليس فقط البشر يمكن أن يشفيهم الميكروبوتات. يمكن استخدام تطبيقات مماثلة لإنشاء نانو روبوتات تشفي نفسها أيضا. لقد صنع الباحثون نانو روبوتات تقوم بـ الإصلاح الذاتي لنفسها عندما تنكسر و إصلاح الدوائر عندما تتضرر، مثل تلك المستخدمة لتشغيل بطاريات السيارات الكهربائية.

الفرص المستقبلية للروبوتات المتناهية الصغر

الحدود الطبية القادمة للروبوتات المتناهية الصغر ستكون الروبوتات الحيوية الهجينة الصغيرة، التي يتم التحكم فيها عن بُعد لتنفيذ عمليات بيوكيميائية عالية الدقة. لن يكون حجمها أكبر من خلية بيولوجية، أو أصغر حتى، للسفر عبر الجهاز الدوري، وهو الطريق المثالي للتوصيل. قد تتمكن النانوبوتات الحيوية الهجينة في النهاية من إزالة تجلطات الدم من الدماغ دون الحاجة للجراحة، توصيل الأدوية مباشرة إلى الأعضاء، أو المساعدة في التلقيح. [text]تركز النانوطب بشكل خاص على العلاجات المحلية لمكافحة السرطان، وقد تم تحقيق الكثير من التقدم. اختبر العلماء مؤخراً المغناطيس لتوصيل الروبوتات المتناهية الصغر القاتلة للسرطان مباشرة إلى الأورام. قد تتمكن النانوبوتات في النهاية من تعزيز CRISPR أيضاً.تم تمويل مؤخرا للأساليب المستندة إلى CRISPR للكشف عن وعلاج التسمم الدموي، والتي تشمل تطبيقات النانوبوت الحيوي الغير عضوي المختلط. هناك حتى دليل على مفهوم الميكروبوت الذي يمكن أن يطبع الخلايا الصحية مباشرة داخل الجسم البشري، حيث نحتاجها للنمو أو الشفاء - مثل إصلاح الجروح المعدية. يُعتقد حاليا أن النانوبوتات الحيوية المختلطة مثل هذه قد تبدأ في السكن داخل أجسامنا بحلول عام 2030 على أقرب تقدير.

أبعد تطبيق للنانوبوت هو استكشاف الفضاء، حيث لدى العديد من وكالات الفضاء أنواع ومراحل مختلفة من الخطط قيد التنفيذ لإضافة النانومستشعرات والنانوروبوتات لتحسين أداء السفن الفضائية، والبدلات الفضائية، والروبوتات الفضائية. على سبيل المثال، يمكن أن تجعل أنابيب الكربون النانوية السفن الفضائية أكثر خفة، المصاعد الفضائية، أو الأشرعة الشمسية. طبقات من الروبوتات البيولوجية النانوية على بدلات الفضاء قد تتمكن من إصلاح الأضرار الذاتي، وتغلق الثقوب، أو حتى تقديم الأدوية مباشرة للرواد الفضاء خلال الحالات الطبية الطارئة.

يمكن أيضا للوكالات الفضائية استخدام أجهزة الاستشعار النانوية للبحث في كواكب مثل المريخ عن المواد الكيميائية الأساسية مثل الماء، أو رصد مستويات ضئيلة من المواد الكيميائية الضارة كجزء من نظام دعم الحياة للسفينة. يمكن للعلماء أيضا إنشاء سفن نانوية (أو مسابير نانوية) لاستكشاف الكون حتى. كانت لدى ناسا خطط لسرب نانوتكنولوجيا ذاتي معروفة بANTS، وأكثر حديثا، تم منح مفهوم SWIM تمويل بقيمة 600,000 دولار. يمكن أن يحل SWIM بديلا محتملا عن مروحية ناسا Ingenuity لإبلاغ الروبوتات عن بيئتها، مزودة كل روبوت في السرب بنظام دفع واتصالات خاص به. أعلنت ناسا أيضا عن خطط لمشروعها "starchip" في عام 2016، ولكن الاصطدامات مع الغاز والغبار العائمة في الفضاء ستكون كافية لتكون كارثية على الحرف، لذا ما زالت في طور الإنجاز.

مع التقدم المتسارع الأسي في مجال الذكاء الصناعي، من الممكن تصور أن التكنولوجيا اللازمة لإرسال هذه النانوبروبات الذاتية التكاثر إلى الفضاء قد تكون جاهزة بحلول عام 2050. ولكن سنترك لميتشيو كاكو أن يكون له الكلمة الأخيرة في هذا الشأن.