Il futuro dei nanobot nel 2023

Sinossi

Immagina di essere intrappolato sotto le macerie dopo un disastro naturale fino a quando non si insinua una scarafaggio da sotto un sasso. Minuti dopo, le macerie vengono rimosse e tu vieni tratto in salvo. Aspetta un minuto - una scarafaggio ha salvato la tua vita? Non esattamente. Sebbene i ricercatori in Giappone abbiano effettivamente creato scarafaggi cyborg per aiutare a trovare i sopravvissuti intrappolati sotto le macerie dopo i terremoti, non è di questo che stiamo parlando. Stiamo parlando di microbot - piccoli robot progettati per replicare i movimenti di piccole creature come gli insetti per raggiungere spazi che gli umani non possono, per tutto, dalla ricerca e salvataggio all'ispezione fino all'esplorazione spaziale.

I microbot sono più comunemente utilizzati nell'industria biotecnologica per sviluppare terapie diagnostiche e mirate per monitorare e trattare le malattie. Ma sono stati utilizzati anche per il monitoraggio ambientale, la bonifica del suolo, la ricerca agricola, l'ispezione dei motori a reazione e la ricerca e salvataggio. Non solo - stanno per essere utilizzati per molte altre cose poiché questa tecnologia si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. In questo rapporto, copriamo come funzionano i piccoli robot e cosa possono fare, e poi copriamo le opportunità più incredibili che stanno per essere sbloccate con questa tecnologia.

Cosa possono fare i piccoli robot oggiTutti conoscono quei giganteschi bracci robotici utilizzati nelle linee di montaggio automobilistico per produrre automobili. Al contrario, c'è un mito che i siano giocattoli non industriali e inflessibili. Ma utilizzano piccoli robot per la produzione di massa e l'assemblaggio di unità di controllo elettronico automobilistico, telefoni cellulari, dispositivi medici, schede di circuiti stampati e siringhe.I robot da banco vengono utilizzati per lavori di maglieria, assistenza alle macchine, alimentazione di parti, test e ispezione, e possono dispensare adesivi, lucidare e serrare viti e saldare parti sulle linee di montaggio. Questi piccoli robot sono tipicamente classificati per la loro portata di 500 millimetri o meno con una capacità di carico inferiore a 3 chilogrammi. Un è alta solo 12 pollici, con una base delle dimensioni del palmo della tua mano e pesa meno di 5 chilogrammi. Un altro è un foglio di carta 8.5 per 11.MiGriBot - il Robot Pinza Miniaturizzatonanosensorisenza la necessità

Ora, se pensavi che MiGriBot fosse piccolo... Incontra Peaky - il più piccolo robot telecomandato mai creato. Largo solo mezzo millimetro, Peaky è più piccolo di una pulce. Sviluppato dopo un granchio peekytoe, può piegarsi, strisciare, torcersi e saltare. Questi microbot sono destinati a riparare piccole strutture o assemblare piccole macchine. Ma non sono ancora vicini alla scala industriale. Alimentare robot di questa dimensione può essere un problema. Nel caso di Peaky, non sono necessarie batterie. Utilizza una lega a memoria di forma che si deforma e si riforma quando un raggio laser la colpisce per creare movimento.

Lo stesso team ha creato robot di dimensioni millimetriche ispirati a scarabei, grilli e bruchi, così come un microchip alato. Questo chip è diventato la struttura volante più piccola mai realizzata dall'uomo, delle dimensioni di un granello di sabbia. Questi piccoli dispositivi alimentati ad energia solare, portatori di sensori, riproducono i soffioni soffiati dal vento. Pur essendo 30 volte più pesante di un soffione da 1 milligrammo, può comunque viaggiare la lunghezza di un campo da calcio in una brezza moderata, quindi condividere dati fino a 60 metri di distanza. I loro sensori wireless possono monitorare le variazioni di temperatura e umidità in fattorie o foreste o tracciare la contaminazione dell'aria come le emissioni di gas serra o le malattie trasmesse per via aerea.

Molti creatori di microbot utilizzano la biomimetica per modellare i microbot, classificati da componenti con dimensioni inferiori al millimetro e superiori al micrometro, dopo gli insetti alcuni degli organismi più piccoli del nostro mondo. Questo bugbot saltatore è destinato a eseguire valutazioni strutturali o prelevare campioni d'acqua dove solo gli insetti possono raggiungere. Un altro bot imita la capacità degli animali di utilizzare gli springtails per raddrizzarsi in volo.

Piccoli, droni autoguidati sono progettati per pensare e muoversi come le api per impollinare i fiori. Il RoboBee autonomo esplorerà ambienti pericolosi, eseguirà operazioni di ricerca e salvataggio e, proprio come la sua ispirazione naturale, assisterà con l'agricoltura. Gli scienziati prevedono di utilizzare il RoboFly per individuare perdite di gas o raccogliere energia dalle frequenze radio.

Oltre all'agricoltura, le potenziali applicazioni dei robot ispirati agli insetti includono la produzione, la sorveglianza e la difesa. Il elicottero nano Black Hornet pesa solo 16 grammi, è lungo quattro pollici ed è costruito per resistere alle tempeste. Attualmente prezzato a $200K, l'esercito lo utilizza per la consapevolezza situazionale e per individuare potenziali minacce sul campo di battaglia. La Marina degli Stati Uniti ha la piattaforma robotica Gecko Robotics Phased Array che si muove in spazi 3D per ispezionare i danni in luoghi che i marinai non possono raggiungere. Entrambi potrebbero presto essere sostituiti da robot ancora più piccoli.

L'anno scorso, i ricercatori del MIT e di Harvard hanno realizzato piccoli, agili droni che si muovono come veri insetti. I ricercatori hanno creato muscoli artificiali per questi robot aerei per farli librare per 20 secondi e pesare meno di un quarto di un penny. I ricercatori hanno precedentemente creato esploratori subacquei autonomi che lavorano insieme e comunicano in sciami. Test recenti hanno utilizzato vibrazioni per influenzare come si muovono centinaia e migliaia di collettivi di microbot, operando come una vera e propria mente dell'arnia.

Perché tutti questi robot operino autonomamente, avranno bisogno di strumenti di visione computerizzata per vedere. LiDar, utilizzato per alimentare alcune auto a guida autonoma, si basa su grandi sensori ingombranti. Anche questo si è ridotto. Il LiDar di scansione più piccolo e leggero disponibile si chiama SF45 ed è stato aggiunto a un piccolo drone rover. Ma questo dovrà essere ridimensionato ulteriormente per essere utilizzato dai microbot.

Microbot più nanotecnologia uguale... nanobot!

Più piccoli dei microbot sono i nanobot, con parti più piccole di un micrometro nel range nanometrico.I nanomateriali sono stati sviluppati per la somministrazione di farmaci, l'elettronica, le celle a combustibile e solari, e potrebbero un giorno essere utilizzati per l'esplorazione spaziale - ma parleremo di questo più avanti.

La nanotecnologia è attualmente utilizzata nella bonifica del suolo, dove i nanomateriali vengono rilasciati direttamente nel suolo. I nanomateriali rilevano e trattano gli inquinanti del suolo e possono stabilizzare i rifiuti solidi oltre a controllare l'erosione del suolo. Recenti sviluppi nella nanotecnologia hanno aumentato l'efficacia dei materiali adsorbenti per fornire nuovi sistemi innovativi per migliorare la bonifica ambientale. I ricercatori hanno dimostrato come piccoli "nano-nuotatori autopropulsi" potrebbero rilasciare da soli i nanomateriali per migliorare la bonifica o la filtrazione dell'acqua. E i ricercatori hanno già sviluppato nanosistemi e nanomateriali per rimuovere inquinanti come i metalli pesanti o addirittura i rifiuti radioattivi dall'acqua. I ricercatori hanno anche creato un prova di concetto per utilizzare microbot per decomporre i microplastici dall'acqua potabile o dalle acque reflue.

I controlli per far funzionare questa nanotecnologia autonomamente saranno l'aspetto più difficile dello sviluppo. I ricercatori hanno recentemente creato il robot camminante più piccolo del mondo. Larghi quanto un capello umano, camminano autonomamente con un circuito a bordo e senza controlli esterni - un'impresa enorme. Sebbene ora siano di microscala, tecniche simili dovranno essere stampate a nanoscala per i nanobot.

Il piccolo dottore è dentro - piccoli bot in medicina

La micro e nanotecnologia è la più richiesta per applicazioni sanitarie, dove viene applicata anche la biomimetica. Questi micro-scallops, solo una frazione di un millimetro di dimensione, sono progettati per navigare nel flusso sanguigno umano - e persino nell'occhio umano. Gli scienziati hanno già diretto uno sciame di robot nuotatori microscopici per eliminare i microbi della polmonite dai polmoni dei topi.

Un equivalente iniezione antibiotica endovenosa dovrebbe essere 3.000 volte superiore per ottenere lo stesso risultato. Questo potrebbe migliorare la penetrazione degli antibiotici per salvare più vite - poiché un milione di adulti negli Stati Uniti sono ospedalizzati per polmonite, e 50.000 muoiono ogni anno. A livello mondiale, la polmonite uccide in media 2,5 milioni di persone.

Questo nanobot assunto come pillola può iniettare farmaci come l'insulina direttamente nell'intestino, dove l'utente non sente il dolore dell'iniezione. La microbotica ha anche portato alla creazione del pacemaker più piccolo del mondo. I ricercatori della Penn Dental hanno utilizzato microbot per trattare aree difficili da raggiungere del canale radicolare per biofilm, somministrazione di farmaci o prelievo di campioni diagnostici. I microbot mutaforma sono stati anche utilizzati per spazzolare e passare il filo interdentale. Robot 10 volte più piccoli di un globulo rosso potrebbero presto saranno utilizzati per combattere le cellule tumorali, controllati da onde ultrasoniche. O i magneti potrebbero essere utilizzati per somministrare farmaci tramite nanorods direttamente al midollo spinale. Altri microbot possono cambiare forma e indurirsi per imitare la crescita ossea.

I nanobot possono anche diffondere antibiotici mirati in tutta una ferita, un grande miglioramento rispetto agli antibiotici tipici che uccidono i batteri solo dove somministrati localmente. Questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per combattere i batteri nascosti nel ginocchio o in altri impianti articolari o per trattare i calcoli renali. I batteri sono la quarta causa di morte negli ospedali statunitensi e uccidono circa 1,2 milioni di persone all'anno.

I microbot hanno assunto la forma di tutto, da melma magnetica a pasta per navigare nel corpo umano e recuperare oggetti una volta all'interno. Alla fine, questi microbot potrebbero essere assemblati in sciami per somministrare farmaci o sbloccare arterie. Una società, Bionaut Labs, prevede prove cliniche entro due anni per i suoi microbot iniettati nel corpo e guidati da magneti per trattare malformazioni cerebrali congenite e tumori. Non sono solo gli esseri umani che i microbot potrebbero curare. Applicazioni simili potrebbero essere utilizzate per creare nanorobot che si auto-riparano. I ricercatori hanno realizzato nanobot che si auto-riparano quando si rompono e riparano circuiti quando si danneggiano, come quelli utilizzati per alimentare le batterie delle auto elettriche.

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L'applicazione di nanobot più lontana è l'esplorazione spaziale, poiché molte agenzie spaziali hanno vari tipi e fasi di piani in corso per aggiungere nanosensori e nanorobot per migliorare le prestazioni di navicelle spaziali, tute spaziali e rover spaziali. Ad esempio, i nanotubi di carbonio potrebbero rendere navicelle spaziali più leggere, ascensori spaziali, o vele solari. Strati di bio-nano robot applicati alle tute spaziali potrebbero auto-riparare i danni, sigillare le forature o addirittura fornire farmaci direttamente agli astronauti durante le emergenze mediche.

Le agenzie spaziali potrebbero anche utilizzare nanosensori per cercare su pianeti come Marte sostanze chimiche essenziali come l'acqua, o monitorare livelli traccia di sostanze chimiche nocive come parte del sistema di supporto vitale di una nave. Gli scienziati potrebbero anche creare nanonavi (o nanosonde) per esplorare l'universo. La NASA aveva progetti per uno sciame di nanotecnologia autonomo noto come ANTS, e più recentemente, il concetto SWIM ha ricevuto un finanziamento di $600,000. SWIM potrebbe potenzialmente sostituire l'elicottero Ingenuity della NASA per informare i rover sul loro ambiente, dotando ogni robot nello sciame di propri sistemi di propulsione e comunicazione. La NASA ha anche annunciato piani per il suo progetto "starchip" nel 2016, ma collisioni con gas e polvere galleggianti nello spazio sarebbero sufficienti a essere catastrofiche per le navicelle, quindi è ancora in corso.

Con i rapidi progressi esponenziali nell'IA, è concepibile che la tecnologia per inviare queste nanosonde autoreplicanti nello spazio potrebbe essere pronta entro il 2050. Ma lasciamo a Michio Kaku l'ultima parola su questo argomento.