Nanorobotik

Nanorobotik ist ein aufstrebendes Technologiefeld, das Maschinen oder Roboter herstellt, deren Komponenten auf oder nahe dem Maßstab eines Nanometers (10-9 Meter) liegen. Nanorobotik (im Gegensatz zu Mikrorobotik) bezieht sich im Besonderen auf die nanotechnologische Ingenieurdisziplin des Konstruierens und Bauens von Nanorobotern, deren Bauteile im Bereich von 0,1 bis 10 Mikrometern liegen und aus nanoskaligen oder molekularen Komponenten bestehen. Die Begriffe Nanobot, Nanoid, Nanit, Nanomaschine oder Nanomit wurden auch verwendet, um solche derzeit in Forschung und Entwicklung befindlichen Geräte zu beschreiben.

Nanomaschinen befinden sich größtenteils in der Forschungs- und Entwicklungsphase, aber einige primitive molekulare Maschinen und Nanomotoren wurden getestet. Ein Beispiel ist ein Sensor mit einem Schalter mit einem Durchmesser von ungefähr 1,5 Nanometern, der bestimmte Moleküle in einer chemischen Probe zählen kann. Die ersten nützlichen Anwendungen von Nanomaschinen können in der Nanomedizin sein. Zum Beispiel könnten biologische Maschinen verwendet werden, um Krebszellen zu identifizieren und zu zerstören. Eine weitere mögliche Anwendung ist der Nachweis toxischer Chemikalien und die Messung ihrer Konzentrationen in der Umwelt. Die Rice University hat ein Einzelmolekülauto demonstriert, das durch einen chemischen Prozess entwickelt wurde und Buckminsterfullerene (Buckyballs) für Räder enthält. Sie wird durch Steuerung der Umgebungstemperatur und durch Positionieren einer Rastertunnelmikroskopspitze aktiviert.

Eine andere Definition ist ein Roboter, der präzise Interaktionen mit Objekten im Nanomaßstab erlaubt oder mit einer Auflösung im Nanomaßstab manipulieren kann. Solche Geräte beziehen sich eher auf die Mikroskopie oder Rastersondenmikroskopie als auf die Beschreibung von Nanorobotern als molekulare Maschine. Unter Verwendung der Mikroskopiedefinition kann selbst ein großes Gerät wie ein Atomkraftmikroskop als nanorobotisches Instrument betrachtet werden, wenn es zur Durchführung einer Nanomanipulation konfiguriert ist. Unter diesem Gesichtspunkt können auch Roboter im Makromaßstab oder Mikroroboter, die sich mit einer Genauigkeit im Nanomaßstab bewegen können, als Nanoroboter betrachtet werden.

Nanorobotik-Theorie
Richard Feynman zufolge war es sein ehemaliger Doktorand und Mitarbeiter Albert Hibbs, der ihm ursprünglich (ca. 1959) die Idee einer medizinischen Verwendung der theoretischen Mikromaschinen von Feynman (siehe Nanomaschine) vorschlug. Hibbs schlug vor, dass bestimmte Reparaturmaschinen eines Tages so weit verkleinert werden könnten, dass sie theoretisch (wie Feynman es ausdrückte) „den Chirurgen schlucken“ können. Die Idee wurde in Feynmans Essay Platz genug Raum am Boden aufgenommen.

Da Nanoroboter mikroskopisch klein wären, müssten wahrscheinlich sehr viele von ihnen zusammenarbeiten, um mikroskopische und makroskopische Aufgaben zu erfüllen. Diese Nanoroboter-Schwärme, sowohl diejenigen, die sich nicht replizieren können (wie bei Gebrauchsnebel), als auch solche, die sich uneingeschränkt in der natürlichen Umgebung (wie bei Grey Goo und seinen weniger verbreiteten Varianten, wie synthetische Biologie oder Gebrauchsnebel) replizieren können, werden in vielen Wissenschaften gefunden Romane wie die Borg-Nanosonden in Star Trek und The Outer Limits, Folge „The New Breed“.

Einige Befürworter von Nanorobotikern vertreten als Reaktion auf die grauen Propaganda-Szenarien, die sie früher verbreitet hatten, die Ansicht, dass Nanoroboter, die sich außerhalb einer beschränkten Fabrikumgebung replizieren können, keinen notwendigen Bestandteil einer angeblich produktiven Nanotechnologie bilden und dass der Prozess der Selbstreplikation, wenn es jemals entwickelt werden sollte, könnte inhärent sicher gemacht werden. Sie behaupten weiter, dass ihre derzeitigen Pläne zur Entwicklung und Verwendung der molekularen Herstellung tatsächlich keine Replikatoren für die Nahrungssuche enthalten.

Die detaillierteste theoretische Diskussion der Nanorobotik, einschließlich spezifischer Designprobleme wie Sensorik, Energiekommunikation, Navigation, Manipulation, Fortbewegung und Onboard-Berechnung, wurde von Robert Freitas im medizinischen Kontext der Nanomedizin präsentiert. Einige dieser Diskussionen befinden sich noch auf der Ebene der unbebaubaren Allgemeinheit und nähern sich nicht der Ebene des detaillierten Engineerings.

Rechtliche und ethische Implikationen

Offene Technologie
Ein Dokument mit einem Vorschlag zur Nanobiotech-Entwicklung unter Verwendung von Open-Design-Technologiemethoden, wie bei Open-Source-Hardware und Open-Source-Software, wurde an die Generalversammlung der Vereinten Nationen gerichtet. Laut dem Dokument, das an die Vereinten Nationen geschickt wurde, hat Open Source in den letzten Jahren die Entwicklung von Computersystemen beschleunigt. Ein ähnlicher Ansatz sollte der gesamten Gesellschaft zugute kommen und die Entwicklung von Nanorobotik-Produkten beschleunigen. Die Verwendung von Nanobiotechnologie sollte als Erbe der nächsten Generationen etabliert und als offene Technologie auf der Grundlage ethischer Praktiken für friedliche Zwecke entwickelt werden. Offene Technologie wird als grundlegender Schlüssel für ein solches Ziel genannt.

Nanorobotrennen
Auf die gleiche Weise, wie Technologieforschung und -entwicklung das Weltraum- und Atomwaffenrennen vorangetrieben haben, findet ein Wettlauf um Nanoroboter statt. Es gibt viele Möglichkeiten, Nanoroboter zu den aufkommenden Technologien zu zählen. Einige der Gründe sind, dass große Unternehmen wie General Electric, Hewlett-Packard, Synopsys, Northrop Grumman und Siemens kürzlich an der Entwicklung und Erforschung von Nanorobotern gearbeitet haben. Chirurgen engagieren sich und beginnen, Wege zur Anwendung von Nanorobotern für gängige medizinische Verfahren vorzuschlagen; Universitäten und Forschungsinstitute erhielten Finanzmittel in Höhe von mehr als zwei Milliarden US-Dollar für die Erforschung von Nanogeräten für die Medizin. Bankiers investieren auch strategisch mit der Absicht, im voraus Rechte und Lizenzgebühren für die zukünftige Vermarktung von Nanorobotern zu erwerben. Einige Aspekte des Nanoroboter-Rechtsstreits und damit zusammenhängende Probleme im Zusammenhang mit dem Monopol sind bereits aufgetreten. In letzter Zeit wurde eine große Anzahl von Patenten für Nanoroboter erteilt, die hauptsächlich für Patentanwälte, ausschließlich auf den Bau von Patentportfolios spezialisierte Unternehmen und Rechtsanwälte erteilt wurden. Nach einer langen Reihe von Patenten und schließlich Rechtsstreitigkeiten, z. B. der Erfindung des Radios oder dem Krieg der Strömungen, neigen aufstrebende Technologiefelder dazu, zu einem Monopol zu werden, das normalerweise von großen Unternehmen beherrscht wird.

Fertigungsansätze
Die Herstellung von Nanomaschinen aus molekularen Komponenten ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Aufgrund des Schwierigkeitsgrades arbeiten viele Ingenieure und Wissenschaftler weiterhin interdisziplinär zusammen, um Durchbrüche in diesem neuen Entwicklungsbereich zu erzielen. Daher ist es verständlich, wie wichtig die folgenden verschiedenen Techniken sind, die derzeit zur Herstellung von Nanorobotern eingesetzt werden:

Biochip
Der gemeinsame Einsatz von Nanoelektronik, Photolithographie und neuen Biomaterialien bietet einen möglichen Ansatz zur Herstellung von Nanorobotern für übliche medizinische Zwecke wie chirurgische Instrumente, Diagnose und Medikamentenverabreichung. Diese Methode zur Herstellung im Nanotechnologiemaßstab wird seit 2008 in der Elektronikindustrie verwendet. Praktische Nanoroboter sollten daher als Nanoelektronikgeräte integriert werden, die Tele-Betrieb und erweiterte Fähigkeiten für medizinische Instrumente ermöglichen.

Nubots
Ein Nukleinsäure-Roboter (Nubot) ist eine organische molekulare Maschine im Nanomaßstab. Die DNA-Struktur kann die Möglichkeit bieten, nanomechanische 2D- und 3D-Bauelemente zusammenzusetzen. Maschinen auf DNA-Basis können mit kleinen Molekülen, Proteinen und anderen DNA-Molekülen aktiviert werden. Biologische Schaltkreise, die auf DNA-Materialien basieren, wurden als molekulare Maschinen entwickelt, um die In-vitro-Wirkstoffabgabe für gezielte Gesundheitsprobleme zu ermöglichen. Solche auf Material basierenden Systeme würden am ehesten mit der Lieferung von intelligenten Biomaterial-Arzneimittelsystemen zusammenarbeiten, gestatten jedoch keine präzise In-vivo-Teleoperation solcher konstruierten Prototypen.

Oberflächengebundene Systeme
Mehrere Berichte haben die Anbringung von synthetischen molekularen Motoren an Oberflächen gezeigt. Es wurde gezeigt, dass diese primitiven Nanomaschinen maschinelle Bewegungen durchlaufen, wenn sie auf die Oberfläche eines makroskopischen Materials beschränkt sind. Die an der Oberfläche verankerten Motoren könnten möglicherweise dazu verwendet werden, nanoskalige Materialien auf einer Oberfläche in der Art eines Förderbands zu bewegen und zu positionieren.

Positions-Nanobaugruppe
Nanofactory Collaboration wurde im Jahr 2000 von Robert Freitas und Ralph Merkle gegründet und umfasst 23 Forscher aus 10 Organisationen und 4 Ländern. Sie konzentriert sich auf die Entwicklung einer praktischen Forschungsagenda, die speziell auf die Entwicklung einer positionsgesteuerten Diamantmechanosynthese und einer Diamantoid-Nanofabrik abzielt, die die Fähigkeit zum Bauen besitzt Diamantoide medizinische Nanoroboter.

Biohybriden
Das aufstrebende Gebiet der Bio-Hybrid-Systeme kombiniert biologische und synthetische Strukturelemente für biomedizinische oder robotergestützte Anwendungen. Die Bestandteile von bio-nanoelektromechanischen Systemen (BioNEMS) haben eine Größe im Nanomaßstab, beispielsweise DNA, Proteine ​​oder nanostrukturierte mechanische Teile. Thiol-En-Ebeam-Resist ermöglicht das direkte Schreiben von nanoskaligen Merkmalen, gefolgt von der Funktionalisierung der nativ reaktiven Resistoberfläche mit Biomolekülen. Andere Ansätze verwenden ein biologisch abbaubares Material, das an magnetischen Partikeln befestigt ist und deren Führung um den Körper ermöglicht.

Bakterien-basiert
Dieser Ansatz schlägt die Verwendung von biologischen Mikroorganismen wie dem Bakterium Escherichia coli und Salmonella typhimurium vor. Daher verwendet das Modell eine Flagellum für Antriebszwecke. Elektromagnetische Felder steuern normalerweise die Bewegung eines solchen biologisch integrierten Geräts. Chemiker der Universität von Nebraska haben einen Feuchtigkeitsmesser erstellt, indem sie ein Bakterium mit einem Silikon-Computerchip verschmelzen.

Virusbasiert
Retroviren können erneut trainiert werden, um sich an Zellen zu binden und DNA zu ersetzen. Sie durchlaufen einen Prozess, der umgekehrte Transkription genannt wird, um die genetische Verpackung in einem Vektor zu liefern. Normalerweise handelt es sich bei diesen Geräten um Pol-Gag-Gene des Virus für das Capsid and Delivery-System. Dieser Prozess wird als retrovirale Gentherapie bezeichnet, die die Fähigkeit besitzt, zelluläre DNA unter Verwendung von viralen Vektoren neu zu konstruieren. Dieser Ansatz ist in der Form von retroviralen, adenoviralen und lentiviralen Genabgabesystemen aufgetaucht. Diese gentherapeutischen Vektoren wurden bei Katzen verwendet, um Gene in den genetisch veränderten Organismus (GVO) zu senden, wodurch dieser das Merkmal zeigte.

3d Drucken
Der 3D-Druck ist der Prozess, bei dem eine dreidimensionale Struktur durch die verschiedenen Prozesse der additiven Fertigung gebildet wird. Der nanoskalige 3D-Druck umfasst viele der gleichen Prozesse, die in einem viel kleineren Maßstab integriert sind. Um eine Struktur im Bereich von 5-400 µm zu drucken, wird die Präzision der 3D-Druckmaschine erheblich verbessert. Ein dreistufiger Prozess des 3D-Druckens unter Verwendung eines 3D-Druck- und lasergeätzten Plattenverfahrens wurde als Verbesserungstechnik eingebaut. Um im Nanobereich genauer zu sein, verwendet das 3D-Druckverfahren eine Laserätzmaschine, die in jede Platte die für das Segment des Nanoroboters erforderlichen Details einätzt. Die Platte wird dann an den 3D-Drucker übergeben, der die geätzten Bereiche mit dem gewünschten Nanopartikel füllt. Der 3D-Druckvorgang wird wiederholt, bis der Nanoroboter von unten her aufgebaut ist. Dieses 3D-Druckverfahren bietet viele Vorteile. Erstens erhöht es die Gesamtgenauigkeit des Druckvorgangs. Zweitens hat es das Potenzial, funktionelle Segmente eines Nanoroboters zu erstellen. Der 3D-Drucker verwendet ein flüssiges Harz, das durch einen fokussierten Laserstrahl genau an den richtigen Stellen gehärtet wird. Der Brennpunkt des Laserstrahls wird durch bewegliche Spiegel durch das Harz geführt und hinterlässt eine gehärtete Linie aus festem Polymer, die nur wenige hundert Nanometer breit ist. Diese feine Auflösung ermöglicht die Erstellung komplex strukturierter Skulpturen, die so winzig wie ein Sandkorn sind. Dieser Prozess erfolgt durch die Verwendung von photoaktiven Harzen, die vom Laser extrem klein gehärtet werden, um die Struktur zu erzeugen. Dieser Prozess ist nach nanoskaligen 3D-Druckstandards schnell. Mit der in der Multiphoton-Photopolymerisation verwendeten 3D-Mikrofabrikationstechnik können kleinste Merkmale hergestellt werden. Dieser Ansatz verwendet einen fokussierten Laser, um das gewünschte 3D-Objekt in einen Gelblock zu zeichnen. Aufgrund der nichtlinearen Natur der Fotoanregung wird das Gel nur an den Stellen zu einem Feststoff ausgehärtet, an dem der Laser fokussiert wurde, während das verbleibende Gel anschließend weggespült wird. Strukturgrößen unter 100 nm sowie komplexe Strukturen mit beweglichen und ineinandergreifenden Teilen lassen sich problemlos herstellen.

Mögliche Verwendungen

Nanomedizin
Mögliche Anwendungen für Nanorobotika in der Medizin umfassen eine frühzeitige Diagnose und gezielte Medikamentenabgabe bei Krebs, biomedizinische Instrumente, Operationen, Pharmakokinetik, Diabetesüberwachung und Gesundheitsfürsorge.

In solchen Plänen wird erwartet, dass die medizinische Nanotechnologie der Zukunft Nanoroboter einsetzen wird, die in den Patienten injiziert werden, um auf zellulärer Ebene zu arbeiten. Solche zur Verwendung in der Medizin bestimmten Nanoroboter sollten sich nicht replizieren, da die Replikation die Komplexität der Geräte unnötig erhöhen, die Zuverlässigkeit verringern und die medizinische Mission beeinträchtigen würde.

Nanotechnologie bietet eine breite Palette neuer Technologien zur Entwicklung maßgeschneiderter Mittel zur Optimierung der Abgabe von Arzneimitteln. Heutzutage sind schädliche Nebenwirkungen von Behandlungen wie Chemotherapie im Allgemeinen ein Ergebnis von Wirkstoffabgabemethoden, bei denen die beabsichtigten Zielzellen nicht genau lokalisiert werden. Forscher von Harvard und MIT konnten jedoch spezielle RNA-Stränge mit einem Durchmesser von fast 10 nm an Nanopartikel anbringen und mit einem Chemotherapeutikum füllen. Diese RNA-Stränge werden von Krebszellen angezogen. Wenn das Nanopartikel auf eine Krebszelle trifft, haftet es daran und setzt das Medikament in die Krebszelle frei. Diese gerichtete Methode der Medikamentenabgabe hat ein großes Potenzial für die Behandlung von Krebspatienten, während negative Auswirkungen vermieden werden (die häufig mit einer nicht ordnungsgemäßen Medikamentenabgabe verbunden sind). Die erste Demonstration von Nanomotoren in lebenden Organismen wurde 2014 an der University of California in San Diego durchgeführt. MRI-geführte Nanokapseln sind ein möglicher Vorläufer für Nanoroboter.

Eine andere nützliche Anwendung von Nanorobotern hilft bei der Reparatur von Gewebezellen neben weißen Blutkörperchen. Die Rekrutierung von Entzündungszellen oder weißen Blutkörperchen (darunter neutrophile Granulozyten, Lymphozyten, Monozyten und Mastzellen) für das betroffene Gebiet ist die erste Reaktion von Geweben auf eine Verletzung. Aufgrund ihrer geringen Größe konnten sich Nanoroboter an der Oberfläche der rekrutierten weißen Zellen festsetzen, um sich durch die Wände der Blutgefäße herauszudrücken und zur Verletzungsstelle zu gelangen, wo sie den Gewebereparaturprozess unterstützen können. Bestimmte Substanzen könnten möglicherweise verwendet werden, um die Erholung zu beschleunigen.

Die Wissenschaft hinter diesem Mechanismus ist ziemlich komplex. Der Durchgang von Zellen durch das Blutendothel, ein Vorgang, der als Transmigration bekannt ist, ist ein Mechanismus, der die Bindung von Zelloberflächenrezeptoren an Adhäsionsmoleküle, die aktive Kraftausübung und -erweiterung der Gefäßwände und die physische Verformung der wandernden Zellen beinhaltet. Indem sie sich an die wandernden Entzündungszellen anheften, können die Roboter tatsächlich eine Fahrt über die Blutgefäße machen, wodurch die Notwendigkeit eines eigenen komplexen Transmigrationsmechanismus umgangen wird.

Ab 2016 reguliert die Food and Drug Administration (FDA) in den Vereinigten Staaten die Nanotechnologie auf der Grundlage der Größe.

Soutik Betal entwickelte während seiner Doktorarbeit an der University of Texas in San Antonio Nanokompositpartikel, die durch ein elektromagnetisches Feld ferngesteuert werden. Diese Reihe von Nanorobotern, die jetzt im Guinness-Weltrekord eingetragen sind, kann verwendet werden, um mit den biologischen Zellen zu interagieren. Wissenschaftler vermuten, dass diese Technologie zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden kann.

Kulturelle Referenzen
Die Nanites sind Charaktere in der TV-Serie Mystery Science Theatre 3000. Sie sind selbstreplizierende, biotechnologisch entwickelte Organismen, die auf dem Schiff arbeiten und in den Computersystemen der SOL leben. Sie haben ihren ersten Auftritt in Staffel 8 gemacht.

Naniten werden in einer Reihe von Episoden der Netflix-Serie „Reisende“ verwendet. Sie werden für Verletzte programmiert und injiziert, um Reparaturen durchzuführen.