나노 로봇은 나노 미터 (10-9 미터) 규모의 기계 또는 로봇을 만드는 신흥 기술 분야입니다. 좀 더 구체적으로, 나노 로보틱스 (micorobotics)는 0.1-10 마이크로 미터 크기의 장치와 나노 크기 또는 분자 구성 요소로 구성된 나노 로봇 설계 및 제작의 나노 기술 엔지니어링 분야를 지칭합니다. nanobot, nanoid, nanite, nanomachine 또는 nanomite라는 용어는 현재 연구 개발중인 장치를 설명하는 데 사용되었습니다.
나노 기계는 주로 연구 및 개발 단계에 있지만 일부 원시 분자 기계 및 나노 모터가 테스트를 마쳤습니다. 예를 들어, 약 1.5 나노 미터의 스위치를 갖는 센서가 화학 샘플의 특정 분자를 카운트 할 수있다. 나노 기계의 첫 번째 유용한 응용은 나노 의약에있을 수 있습니다. 예를 들어 생물학적 기계는 암세포를 확인하고 파괴하는데 사용될 수 있습니다. 또 다른 잠재적 인 응용 분야는 독성 화학 물질의 검출과 환경에서의 농도 측정입니다. Rice University는 화학 공정에 의해 개발되고 바퀴 용 Buckminsterfullerenes (버키볼)를 포함한 단일 분자 자동차를 시연했습니다. 이것은 환경 온도를 제어하고 주사 터널링 현미경 팁을 위치시킴으로써 작동됩니다.
또 다른 정의는 나노 스케일 물체와의 정확한 상호 작용을 가능하게하거나 나노 스케일 해상도로 조작 할 수있는 로봇입니다. 이러한 장치는 나노 기계의 기술 대신에 현미경 또는 주사 탐침 현미경과 관련이 있습니다. 현미경의 정의를 사용하면, 원자력 현미경과 같은 대형 장치조차도 나노 조작을 수행하도록 구성된 경우 나노 로보틱스 계측기로 간주 될 수 있습니다. 이러한 관점에서, 나노 스케일 정밀도로 움직일 수있는 거시적 크기의 로봇 또는 마이크로 로봇도 나노 로봇으로 간주 될 수 있습니다.
나노 로봇 이론
Richard Feynman에 따르면, 원래 그의 대학원생이었던 앨버트 히브 스 (Albert Hibbs)는 Feynman의 이론적 인 마이크로 머신 (nanomachine 참조)에 대한 의료용 아이디어를 1959 년에 처음 제안했습니다. Hibbs는 특정 수리 기계가 언젠가는 이론 상으로는 “외과 의사를 삼켜 서”(Feynman이 말했듯이) 크기가 줄어들 수도 있다고 제안했다. 이 아이디어는 Feynman의 1959 에세이 하단에 방이 많이 있습니다.
나노 로봇은 크기가 매우 미세하기 때문에, 아주 많은 수의 사람들이 미세하고 거시적 인 작업을 수행하기 위해 함께 작업하는 것이 필요할 것입니다. 이러한 나노 로봇 덩어리는 (실용적인 안개 에서처럼) 복제 할 수 없으며 자연 환경에서 복제 할 수없는 나노 생물 덩어리 (회색 곰과 합성 생물학이나 실용적인 안개와 같이 일반적인 변이체와 같이)가 많은 과학에서 발견됩니다 스타 트렉 (Star Trek)과 바깥 쪽 제한 (The Outer Limits)에 나오는 보그 (Borg) 나노 탐침과 같은 소설 이야기 “The New Breed”.
Nanorobotics의 일부 지지자들은 이전에 전파하는 데 도움이되었던 회색 끈적 끈적한 시나리오에 대한 반응으로 제한된 공장 환경 외부에서 복제 할 수있는 나노 로봇이 의미있는 생산적인 나노 기술의 필수 부분을 형성하지 않는다는 견해를 갖고 있으며 자체 복제가 개발되어서 본질적으로 안전해질 수있었습니다. 그들은 분자 제조를 개발하고 사용하기위한 현재의 계획이 실제로 free-foraging replicators를 포함하지 않는다고 주장한다.
로버트 프레이 타스 (Robert Freitas)의 나노 의학의 의학적 맥락에서 감지, 전력 전달, 탐색, 조작, 이동 및 탑재 계산과 같은 특정 설계 문제를 포함하여 나노 로봇의 가장 상세한 이론적 논의가 제시되었습니다. 이러한 논의 중 일부는 미완성 일반 수준으로 유지되며 상세한 엔지니어링 수준에는 미치지 않습니다.
법적 및 윤리적 의미
개방형 기술
오픈 소스 하드웨어 및 오픈 소스 소프트웨어에서와 같이 개방형 설계 기술 방법을 사용하는 나노 기술 개발에 대한 제안이있는 문서는 유엔 총회에 제출되었습니다. 유엔에 보낸 문서에 따르면, 오픈 소스가 최근 몇 년 동안 컴퓨터 시스템의 개발을 가속화 한 것과 같은 방식으로 비슷한 접근법이 사회에 큰 도움이되고 나노 로봇 개발을 가속화 할 것입니다. 나노 기술의 이용은 차세대를위한 인간 유산으로 확립되어야하며 평화적 목적을위한 윤리적 관행에 기반한 공개 기술로 개발되어야한다. 개방형 기술은 이러한 목표를 달성하는 근본적인 열쇠입니다.
나노 로봇 경주
기술 연구와 개발이 우주 경쟁과 핵무기 경쟁을 일으키는 것과 같은 방식으로 나노 로봇을위한 경쟁이 일어나고 있습니다. 신흥 기술에는 나노 로봇이 포함될 수있는 충분한 토대가 있습니다. 그 이유 중 일부는 General Electric, Hewlett-Packard, Synopsys, Northrop Grumman 및 Siemens와 같은 대기업이 최근 나노 로봇의 개발 및 연구에 종사하고 있다는 점입니다. 외과의가 참여하고 일반적인 의료 절차를 위해 나노 로봇을 적용하는 방법을 제안하기 시작했습니다. 대학 및 연구 기관은 약용 나노 장치 개발 연구에 20 억 달러를 초과하는 정부 기관으로부터 자금을 지원 받았다. 은행가들은 미래의 나노 로봇 상업화에 대한 권리와 로열티를 미리 확보하기 위해 전략적으로 투자하고 있습니다. 독점과 관련된 나노 로봇 소송 및 관련 문제의 일부 측면은 이미 제기되었습니다. 특허 에이전트, 특허 포트폴리오 구축 전문 회사 및 변호사를 위해 주로 수행 된 나노 로봇에 대해 최근 많은 특허가 부여되었습니다. 일련의 특허와 최후의 소송 이후에, 예를 들어 라디오 발명이나 Current of Wars와 같은 기술 분야가 부상하고 있으며, 기술 분야는 독점 기업이되는 경향이 있으며, 일반적으로 대기업이 지배합니다.
제조 접근법
분자 구성 요소로 조립 된 나노 기계 제조는 매우 어려운 작업입니다. 어려움이 있기 때문에 많은 엔지니어와 과학자들은이 새로운 개발 영역에서 획기적인 발전을 이루기 위해 여러 분야의 접근 방식을 통해 지속적으로 협력하고 있습니다. 따라서 나노 막대를 제조하는 데 현재 적용되는 다음과 같은 독특한 기술의 중요성을 이해할 수 있습니다.
바이오칩
나노 전자 공학, 포토 리소그래피 및 새로운 생체 재료의 공동 사용은 외과 용 기기, 진단 및 약물 전달과 같은 일반적인 의학적 용도로 나노 로봇을 제조 할 수있는 가능성있는 방법을 제공합니다. 나노 기술 규모로 제조하는이 방법은 2008 년부터 전자 산업에서 사용되고 있습니다. 따라서 실용적인 나노 로봇을 의료 기기에 대한 원격 조작 및 고급 기능을 가능하게하는 나노 전자 장치로 통합해야합니다.
Nubots
핵산 로봇 (nubot)은 나노 스케일의 유기 분자 기계입니다. DNA 구조는 2D 및 3D 나노 기계 장치를 조립하는 수단을 제공 할 수 있습니다. DNA 기반 기계는 작은 분자, 단백질 및 기타 DNA 분자를 사용하여 활성화 할 수 있습니다. DNA 물질을 기반으로 한 생물 회로 게이트는 표적 건강 문제에 대해 체외 약물 전달을 가능하게하는 분자 기계로 설계되었습니다. 이러한 재료 기반 시스템은 똑똑한 생체 재료 약물 시스템 전달에 가장 밀접하게 작용할 수 있지만, 그러한 조작 된 프로토 타입의 정확한 생체 내 원격 조작은 허용되지 않습니다.
표면 결합 시스템
여러 보고서는 표면에 합성 분자 모터가 부착되어 있음을 입증했습니다. 이러한 원시 나노 기계는 거시적 물질의 표면에 국한 될 때 기계와 같은 움직임을 겪는 것으로 나타났습니다. 표면 앵커 모터는 잠재적으로 컨베이어 벨트와 같은 방식으로 표면에 나노 크기의 물질을 이동시키고 위치시킬 수 있습니다.
위치 적 나노 어셈블리
2000 년 Robert Freitas와 Ralph Merkle이 설립하고 10 개 조직과 4 개국의 23 명의 연구원이 참여한 Nanofactory Collaboration은 위치 제어 다이아몬드 복합체와 다이아몬드 옹벽 나노 팩터를 개발하는 데 중점을 둔 실용적인 연구 과제를 개발하는 데 중점을 둡니다. diamondoid 의학 nanorobots.
바이오 하이브리드
바이오 하이브리드 시스템의 신흥 분야는 생체 의학 또는 로봇 어플리케이션을위한 생물학적 및 합성 구조 요소를 결합합니다. 바이오 나노 전자 기계 시스템 (BioNEMS)의 구성 요소는 나노 크기의 것, 예를 들어 DNA, 단백질 또는 나노 구조의 기계 부품입니다. Thiol-ene ebeam 레지스트는 나노 스케일 피처의 직접 작성을 허용하고, 생체 분자가있는 기본적으로 반응하는 레지스트 표면의 기능화가 이어진다. 다른 접근법은 자성 입자에 부착 된 생분해 성 물질을 사용하여 신체 주위를 안내 할 수있게합니다.
박테리아 기반
이 접근법은 세균 Escherichia coli와 Salmonella typhimurium과 같은 생물학적 미생물의 사용을 제안합니다. 따라서 모델은 추진 목적으로 편모를 사용합니다. 전자기장은 일반적으로 이런 종류의 생물학적 통합 장치의 움직임을 제어합니다. 네브래스카 대학 (University of Nebraska)의 화학자들은 박테리아를 실리콘 컴퓨터 칩에 융합시켜 습도계를 만들었습니다.
바이러스 기반
레트로 바이러스는 세포에 부착하고 DNA를 대체하기 위해 재 훈련 될 수 있습니다. 그들은 유전 적 포장을 벡터로 전달하기 위해 역전사 (reverse transcription)라는 과정을 거칩니다. 대개 이러한 장치는 Capsid and Delivery 시스템을위한 바이러스의 Pol-Gag 유전자입니다. 이 과정을 바이러스 벡터의 사용으로 세포 DNA를 재조직 할 수있는 능력을 가진 레트로 바이러스 유전자 요법이라고합니다. 이 접근법은 레트로 바이러스, 아데노 바이러스 및 렌티 바이러스 유전자 전달 시스템의 형태로 나타났습니다. 이러한 유전자 치료 벡터는 유전자 변형 생물체 (GMO)에 유전자를 전달하기 위해 고양이에서 사용되어 형질을 표시합니다.
3D 인쇄
3D 인쇄는 3 차원 구조가 첨가제 제조의 다양한 프로세스를 통해 구축되는 프로세스입니다. 나노 스케일 3D 프린팅은 훨씬 더 작은 규모로 통합 된 동일한 프로세스를 포함합니다. 구조를 5-400 μm 스케일로 인쇄하려면 3D 인쇄 기계의 정밀도가 크게 향상됩니다. 3D 프린팅 및 레이저 에칭 플레이트 방법을 사용하는 3D 인쇄의 2 단계 프로세스가 개선 기술로 통합되었습니다. 나노 스케일에서보다 정확하게하기 위해 3D 프린팅 공정은 레이저 에칭 장비를 사용합니다.이 장비는 각 플레이트에 나노 로봇 세그먼트에 필요한 세부 사항을 에칭합니다. 그런 다음 플레이트를 3D 프린터로 옮기고 에칭 된 영역을 원하는 나노 입자로 채 웁니다. 3D 인쇄 공정은 나노 로봇이 아래에서 위로 올라갈 때까지 반복됩니다. 이 3D 인쇄 프로세스에는 많은 이점이 있습니다. 첫째, 인쇄 프로세스의 전반적인 정확도가 향상됩니다. 둘째, 나노 로봇의 기능적 세그먼트를 만들 가능성이있다. 3D 프린터는 액상 수지를 사용합니다. 액상 수지는 집속 된 레이저 빔에 의해 정확한 지점에서 경화됩니다. 레이저 빔의 초점은 이동 가능한 거울에 의해 수지를 통해 안내되고 단단한 고분자의 경화 된 라인을 남기고 단지 수백 나노 미터의 폭을 남긴다. 이 정밀한 해상도는 한 조각의 모래처럼 복잡한 구조의 조각을 만들 수 있습니다. 이 공정은 광활성 수지를 사용하여 이루어지며, 광 활성 수지는 극히 소규모로 레이저로 경화되어 구조를 만듭니다. 이 프로세스는 나노 수준의 3D 인쇄 표준에 의해 신속합니다. 초소형 기능은 다중 광자 광 중합에 사용되는 3D 미세 가공 기술로 만들 수 있습니다. 이 방법은 초점을 맞춘 레이저를 사용하여 원하는 3D 물체를 젤 블록으로 추적합니다. 광 여기의 비선형 특성으로 인해 젤은 레이저가 집중된 장소에서만 고체로 경화되며 나머지 젤은 세척됩니다. 100 nm 이하의 피처 크기는 움직이는 부분과 맞물린 부분이있는 복잡한 구조뿐만 아니라 쉽게 생성됩니다.
잠재적 용도
나노 의약
의학에서 나노 로봇의 잠재적 인 용도로는 조기 진단과 암, 의료용기구, 수술, 약물 동력학, 당뇨병 모니터링 및 건강 관리를위한 표적 약물 전달이 있습니다.
이러한 계획에서 미래의 의료 나노 기술은 세포 수준에서 작업을 수행하기 위해 환자에게 주입 된 나노 로봇을 사용할 것으로 예상됩니다. 의료용으로 사용되는 이러한 나노 로봇은 복제가 불필요하게 장치 복잡성을 증가시키고 신뢰성을 저하 시키며 의료 업무에 방해가되므로 복제가 불가능해야합니다.
나노 기술은 의약품의 공급을 최적화하기위한 맞춤식 수단 개발을위한 광범위한 신기술을 제공합니다. 오늘날 화학 요법과 같은 치료법의 해로운 부작용은 일반적으로 의도 된 표적 세포를 정확히 찾아 내지 못하는 약물 전달 방법의 결과입니다. 그러나 Harvard와 MIT의 연구자들은 직경 10 nm에 가까운 특별한 RNA 가닥을 나노 입자에 부착시켜 화학 요법 약물로 채웠다. 이 RNA 가닥은 암세포에 끌립니다. 나노 입자가 암세포를 만날 때 암세포에 달라 붙어서 암세포로 약물을 방출합니다. 이 약물 전달 방법은 부정적인 영향 (일반적으로 부적절한 약물 전달과 관련됨)을 피하면서 암 환자를 치료할 수있는 큰 가능성을 제공합니다. 살아있는 유기체에서 작동하는 나노 모터의 첫 시연은 2014 년 캘리포니아 주 샌디에고 대학에서 수행되었습니다. MRI 유도 나노 캡슐은 나노 로봇에 대한 하나의 잠재적 전구체입니다.
나노 로봇의 또 다른 유용한 응용은 백혈구와 함께 조직 세포의 수리를 돕는 것입니다. 감염된 세포에 염증 세포 또는 백혈구 (호중구 과립구, 림프구, 단구 및 돛대 세포 포함)를 모집하는 것은 부상을 입은 조직의 첫 번째 반응입니다. 크기가 작기 때문에 나노 로봇은 모집 된 백혈구의 표면에 붙어 혈관벽을 통해 빠져 나갈 수 있으며 부상 부위에 도달하여 조직 수리 과정을 도울 수 있습니다. 복구를 가속화하기 위해 특정 물질을 사용할 수 있습니다.
이 메커니즘의 과학은 매우 복잡합니다. 혈액 내피를 가로 지르는 세포의 통로는 세포 표면 수용체와 접착 분자의 결합, 능동적 인 힘 운동 및 혈관벽의 확장 및 이동하는 세포의 물리적 변형을 포함하는 메커니즘이다. 이동성 염증 세포에 스스로를 붙임으로써 로봇은 복잡한 전이 메커니즘을 필요로하지 않고 혈관을 가로 지르는 “타기”를 실제로 할 수 있습니다.
미국의 식품 의약청 (Food and Drug Administration, FDA)은 2016 년 현재 크기 기준으로 나노 기술을 규제하고 있습니다.
Soutik Betal은 텍사스 대학 (University of Texas)의 박사 과정에서 San Antonio는 전자기장으로 원격 제어되는 나노 복합 입자를 개발했습니다. 현재 기네스 세계 기록에 등재 된이 일련의 나노 로봇은 생물학적 세포와 상호 작용하는 데 사용될 수 있습니다. 과학자들은이 기술이 암 치료에 사용될 수 있다고 제안합니다.
문화적 참고 문헌
Nanites는 TV 쇼 Mystery Science Theatre 3000의 캐릭터입니다. 그들은 우주에서 일하고 SOL의 컴퓨터 시스템에 상주하는 자체 복제 생물 공학 생물입니다. 그들은 시즌 8에서 처음 등장했습니다.
Nanites는 Netflix 시리즈 “Travelers”의 여러 에피소드에서 사용됩니다. 그들은 프로그램 된 후 부상당한 사람들에게 주입되어 수리를 수행합니다.