Nanorobotics — это новое технологическое поле, создающее машины или роботы, компоненты которых находятся на уровне или около шкалы нанометра (10-9 метров). Более конкретно, нанороботы (в отличие от микророботов) относятся к нанотехнологической инженерной дисциплине проектирования и создания нанороботов с устройствами размером от 0,1 до 10 микрометров и построенными из наноразмерных или молекулярных компонентов. Термины nanobot, nanoid, nanite, nanomachine или nanomite также были использованы для описания таких устройств, которые в настоящее время находятся в стадии исследований и разработок.

Наномашины в основном находятся на стадии исследований и разработок, но были протестированы некоторые примитивные молекулярные машины и наномоторы. Примером может служить датчик, имеющий переключатель приблизительно 1,5 нанометра в поперечнике, способный подсчитывать определенные молекулы в химическом образце. Первые полезные применения наномашин могут быть в наномедицине. Например, биологические машины могут использоваться для идентификации и уничтожения раковых клеток. Другим потенциальным применением является обнаружение токсичных химических веществ и измерение их концентраций в окружающей среде. Университет Райса продемонстрировал одномолекулярный автомобиль, разработанный химическим процессом и включающий Buckminsterfullerenes (buckyballs) для колес. Он приводится в действие путем управления температурой окружающей среды и позиционированием наконечника сканирующего туннельного микроскопа.

Другое определение — робот, который позволяет точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или может манипулировать с помощью наномасштабного разрешения. Такие устройства больше связаны с микроскопией или сканирующей зондовой микроскопией, а не с описанием нанороботов в качестве молекулярной машины. Используя определение микроскопии, даже большой аппарат, такой как атомно-силовой микроскоп, можно считать нанороботным прибором, когда он сконфигурирован для выполнения наноманипуляции. Для этой точки зрения макромасштабированные роботы или микророботы, которые могут перемещаться с точностью до наномасштаб, также могут считаться нанороботами.

Теория нанороботов
По словам Ричарда Фейнмана, именно его бывший аспирант и соратник Альберт Хиббс первоначально предложил ему (около 1959 года) идею медицинского использования для теоретических микромашин Фейнмана (см. Наномашину). Хиббс предположил, что некоторые ремонтные машины однажды могут быть уменьшены до такой степени, что теоретически возможно (как выразился Фейнман) «проглотить хирурга». Идея была включена в эссе Фейнмана 1959 года. Внизу есть множество комнат.

Поскольку нанороботы были бы микроскопическими по размеру, вероятно, было бы необходимо, чтобы очень большое количество их работало вместе для выполнения микроскопических и макроскопических задач. Эти рощи нанороботов, как неспособные к репликации (как в тумане полезности), так и те, которые способны беспрепятственно реплицироваться в естественной среде (как в сером хоу и его менее распространенных вариантах, таких как синтетическая биология или туман полезности), встречаются во многих науках фантастические истории, такие как нанопрограммы Борга в «Звездном пути» и эпизоде ​​«Наружные границы» «Новая порода».

Некоторые сторонники нанороботов в ответ на сценарии серого слизи, которые ранее помогали размножаться, придерживались мнения, что нанороботы, способные воспроизводить за пределами ограниченной фабричной среды, не составляют необходимой части предполагаемой производительной нанотехнологии и что процесс саморепликация, если бы она когда-либо разрабатывалась, могла быть сделана неотъемлемо безопасной. Они также утверждают, что их нынешние планы по разработке и использованию молекулярного производства на самом деле не включают в себя репликаторы с свободным кормом.

В медицинском контексте наномедицины Роберт Фрейтас был представлен наиболее подробный теоретический обзор нанороботов, в том числе конкретные вопросы проектирования, такие как зондирование, энергетическая связь, навигация, манипуляции, локомоция и бортовые вычисления. Некоторые из этих обсуждений остаются на уровне невыполнимой общности и не подходят к уровню детальной инженерии.

Юридические и этические последствия

Открытая технология
Документ с предложением по разработке нанобиотехнологий с использованием методов открытой технологии проектирования, как и с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом и программного обеспечения с открытым исходным кодом, был адресован Генеральной Ассамблее Организации Объединенных Наций. Согласно документу, направленному Организации Объединенных Наций, таким же образом, что с открытым исходным кодом в последние годы ускорило развитие компьютерных систем, подобный подход должен принести пользу обществу в целом и ускорить развитие нанороботов. Использование нанобиотехнологий должно быть установлено как человеческое наследие для грядущих поколений и развиваться как открытая технология, основанная на этических методах в мирных целях. Открытая технология заявлена ​​как фундаментальный ключ для такой цели.

Гонка Наноробот
Точно так же, как исследования и разработки в области технологий участвовали в космической гонке и гонке ядерных вооружений, идет гонка за нанороботами. Существует много земли, позволяющей нанороботам быть включенными в число новых технологий. Одной из причин является то, что крупные корпорации, такие как General Electric, Hewlett-Packard, Synopsys, Northrop Grumman и Siemens, недавно работали над разработкой и исследованием нанороботов; хирурги участвуют и начинают предлагать способы применения нанороботов для общих медицинских процедур; университетам и научно-исследовательским институтам были предоставлены средства правительственными учреждениями, превышающими 2 млрд. долл. США, на исследования, направленные на разработку наноустройств для медицины; банкиры также стратегически инвестируют с намерением приобрести заранее права и роялти на будущую коммерциализацию нанороботов. Некоторые аспекты судебного процесса наноробота и связанные с ним проблемы, связанные с монополией, уже возникли. Недавно было опубликовано большое количество патентов на нанороботах, в основном для патентных агентов, компаний, специализирующихся исключительно на создании патентных портфелей и юристов. После долгой серии патентов и, в конечном счете, судебных процессов, например, «Изобретение радио» или «Война течений», новые области технологий, как правило, становятся монополией, в которой обычно доминируют крупные корпорации.

Подходы к производству
Производство наномашин, собранных из молекулярных компонентов, является очень сложной задачей. Из-за уровня сложности многие инженеры и ученые продолжают совместную работу по междисциплинарным подходам для достижения прорывов в этой новой области развития. Таким образом, вполне понятно важность следующих различных методов, применяемых в настоящее время для изготовления нанороботов:

биочип
Совместное использование наноэлектроники, фотолитографии и новых биоматериалов обеспечивает возможный подход к изготовлению нанороботов для общего медицинского применения, таких как хирургическое оборудование, диагностика и доставка лекарств. Этот метод производства нанотехнологических шкал используется в электронной промышленности с 2008 года. Таким образом, практические нанороботы должны быть интегрированы как устройства наноэлектроники, которые позволят осуществлять телеоперацию и расширенные возможности для медицинского оборудования.

Nubots
Робот нуклеиновой кислоты (нубот) является органической молекулярной машиной в наномасштабе. Структура ДНК может обеспечить средства для сборки двумерных и трехмерных наномеханических устройств. Машины на основе ДНК могут быть активированы с использованием небольших молекул, белков и других молекул ДНК. Биологические схемы на основе ДНК-материалов были спроектированы как молекулярные машины для обеспечения доставки лекарств in-vitro для решения целенаправленных проблем со здоровьем. Такие системы, основанные на материалах, будут наиболее тесно работать с интеллектуальной системой доставки биоматериальных материалов, не допуская точной in-vivo телеоперации таких инженеризованных прототипов.

Поверхностные системы
В нескольких отчетах было продемонстрировано прикрепление синтетических молекулярных двигателей к поверхностям. Было показано, что эти примитивные наномашины подвергаются машинным движениям, когда они ограничены поверхностью макроскопического материала. Поверхностные якорные двигатели могут потенциально использоваться для перемещения и размещения наноразмерных материалов на поверхности в виде конвейерной ленты.

Позиционная наноструктура
Nanofactory Collaboration, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Меркле в 2000 году и включающая 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, фокусируется на разработке практической исследовательской программы, специально предназначенной для разработки механикосинтеза с контролируемым позиционированием и алмазоидного нанофабрика, который мог бы построить алмазоидные медицинские нанороботы.

Biohybrids
Возникающая область биогибридных систем объединяет биологические и синтетические структурные элементы для биомедицинских или роботизированных применений. Составные элементы био-наноэлектромеханических систем (BioNEMS) имеют наноразмерные размеры, например ДНК, белки или наноструктурные механические части. Thiol-ene ebeam resist позволяет прямое наложение наномасштабных признаков, за которым следует функционализация поверхности с активным сопротивлением с биомолекулами. В других подходах используется биоразлагаемый материал, прикрепленный к магнитным частицам, который позволяет им ориентироваться вокруг тела.

Бактерии на основе
Этот подход предлагает использование биологических микроорганизмов, таких как бактерии Escherichia coli и Salmonella typhimurium. Таким образом, модель использует жгутик для целей движения. Электромагнитные поля обычно управляют движением такого биологического интегрированного устройства. Химики из Университета штата Небраска создали датчик влажности путем слияния бактерий с силиконовым компьютерным чипом.

Вирус на основе
Ретровирусы могут быть переквалифицированы для прикрепления к клеткам и замены ДНК. Они проходят процесс, называемый обратной транскрипцией, для доставки генетической упаковки в вектор. Обычно эти устройства представляют собой гены Pol — Gag вируса для системы Capsid и Delivery. Этот процесс называется ретровирусной генной терапией, обладающей способностью реорганизовывать клеточную ДНК с использованием вирусных векторов. Этот подход появился в форме ретровирусных, аденовирусных и лентивирусных систем доставки генов. Эти векторы генной терапии использовались у кошек для передачи генов в генетически модифицированный организм (ГИО), что вызывало его проявление.

3D-печать
Трехмерная печать — это процесс, посредством которого трехмерная структура строится через различные процессы присадки. Наномасштабная трехмерная печать включает в себя многие из тех же процессов, которые включены в гораздо меньший масштаб. Чтобы напечатать структуру в масштабе 5-400 мкм, точность 3D-печатной машины значительно улучшилась. В качестве метода улучшения был применен двухступенчатый процесс 3D-печати с использованием метода 3D-печати и лазерной травления. Чтобы быть более точным в наномасштабе, в процессе 3D-печати используется лазерная травильная машина, которая травит на каждую пластину детали, необходимые для сегмента наноробота. Затем планшет переносится на трехмерный принтер, который заполняет вытравленные области нужной наночастицей. Процесс 3D-печати повторяется до тех пор, пока наноробот не будет построен снизу вверх. Этот процесс трехмерной печати имеет много преимуществ. Во-первых, это увеличивает общую точность процесса печати. Во-вторых, он может создавать функциональные сегменты наноробота. 3D-принтер использует жидкую смолу, которая затвердевает точно в точках пятна сфокусированным лазерным лучом. Фокальная точка лазерного луча направляется через смолу подвижными зеркалами и оставляет затвердевшей линией сплошного полимера шириной всего несколько сотен нанометров. Это прекрасное разрешение позволяет создавать сложнейшие структурированные скульптуры как крошечные, как песчинки. Этот процесс происходит с использованием фотоактивных смол, которые затвердевают лазером в чрезвычайно малом масштабе для создания структуры. Этот процесс выполняется с помощью наномасштабных трехмерных стандартов печати. Сверхмаленькие возможности могут быть выполнены с использованием технологии 3D-микрофинансирования, используемой при многофотонной фотополимеризации. Этот подход использует сфокусированный лазер для отслеживания желаемого 3D-объекта в блок геля. Из-за нелинейного характера фотовозбуждения гель отверждается до твердого вещества только в тех местах, где лазер фокусировался, а оставшийся гель затем смывался. Конструктивные размеры менее 100 нм легко изготавливаются, а также сложные конструкции с подвижными и взаимоблокируемыми деталями.

Потенциальное использование

Nanomedicine
Потенциальные применения нанороботов в медицине включают раннюю диагностику и целенаправленную доставку лекарств для рака, биомедицинскую аппаратуру, хирургию, фармакокинетику, мониторинг диабета и медико-санитарную помощь.

В таких планах предполагается, что будущая медицинская нанотехнология будет использовать нанороботы, вводимые пациенту для выполнения работы на клеточном уровне. Такие нанороботы, предназначенные для использования в медицине, должны быть не тиражируемыми, так как тиражирование без необходимости увеличивало бы сложность устройства, уменьшало бы надежность и мешало бы медицинской миссии.

Нанотехнология предоставляет широкий спектр новых технологий для разработки индивидуальных средств для оптимизации доставки фармацевтических препаратов. Сегодня вредные побочные эффекты лечения, такие как химиотерапия, обычно являются результатом методов доставки лекарств, которые точно не определяют целевые клетки-мишени точно. Однако исследователи из Гарварда и Массачусетского технологического института смогли присоединить специальные линии РНК размером около 10 нм к наночастицам, заполнив их химиотерапевтическим препаратом. Эти нити РНК притягиваются к раковым клеткам. Когда наночастица встречается с раковой клеткой, она прилипает к ней и высвобождает лекарство в раковую клетку. Этот направленный метод доставки лекарств имеет большой потенциал для лечения больных раком, избегая при этом негативных эффектов (обычно связанных с неправильной доставкой лекарств). Первая демонстрация наномоторов, работающих в живом организме, была проведена в 2014 году в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Нанокапсулы, управляемые МРТ, являются одним из потенциальных предшественников нанороботов.

Другим полезным применением нанороботов является помощь в восстановлении тканевых клеток наряду с лейкоцитами. Привлечение воспалительных клеток или белых кровяных телец (включая нейтрофильные гранулоциты, лимфоциты, моноциты и тучные клетки) в пораженный участок является первым ответом тканей на повреждение. Из-за их небольшого размера нанороботы могут прикрепляться к поверхности набираемых белых клеток, выжать их из стен кровеносных сосудов и добраться до места повреждения, где они могут помочь в процессе восстановления ткани. Некоторые вещества могут быть использованы для ускорения восстановления.

Наука, стоящая за этим механизмом, довольно сложна. Прохождение клеток через эндотелий крови, процесс, известный как трансмиграция, представляет собой механизм, включающий вовлечение рецепторов клеточной поверхности в молекулы адгезии, активное усилие и расширение стен сосудов и физическую деформацию мигрирующих клеток. Присоединившись к мигрирующим воспалительным клеткам, роботы могут по сути «зацепиться за проезд» через кровеносные сосуды, минуя необходимость в сложном механизме трансмиграции.

С 2016 года в Соединенных Штатах Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) регулирует нанотехнологию на основе размера.

Сутик Бетал, во время докторских исследований в Техасском университете, Сан-Антонио разработал нанокомпозитные частицы, которые дистанционно управляются электромагнитным полем. Эта серия нанороботов, которые теперь включены в мировой реестр Гиннеса, может использоваться для взаимодействия с биологическими клетками. Ученые полагают, что эта технология может быть использована для лечения рака.

Культурные ссылки
Наниты — персонажи на телешоу Mystery Science Theatre 3000. Они самовоспроизводящиеся биотехнологические организмы, которые работают на корабле и находятся в компьютерных системах SOL. Они впервые появились в сезоне 8.

Наниты используются в ряде эпизодов серии Netflix «Путешественники». Они запрограммированы и введены в травмированные люди для проведения ремонтных работ.