ナノロボットは本当に伝説通り魔法の力を持つのでしょうか?

その後、科学者たちはこの概念を拡張し、「機能的」な観点からナノロボットを「ナノスケールの物体を操作する機械」と定義しました。

どのように定義するにせよ、ナノロボットの作成は非常に困難な作業です。

まず、いくつかの小さな部品が必要です。かなり小さく、おそらく人間の髪の毛の直径の 1000 分の 1 程度です。

2016年ノーベル化学賞  「分子機械の設計」に取り組んでいる 3 人の学者に贈られました。彼らの主な仕事は、化学合成を利用してスイッチ、ポンプ、シャフトなどの多くの分子レベルの部品を作ることです[1] 。

化学的手法は、一連の分子レベルのコンポーネントを合成するために使用できます。pHを変更することで特定の分子の動きを制御できるナノスイッチの典型的な概略図 | 参考文献 [1]

フォトリソグラフィー技術など、ナノ部品の製造に使用できるハード技術もいくつかあります。

フォトリソグラフィー技術は主にチップの製造に使用され、ナノメートルレベルの精度を実現できる人類が習得した数少ない加工技術の1つです。米国のカリフォルニア工科大学の科学者たちは、フォトリソグラフィー技術を使用して、25〜100ナノメートルの解像度で複雑な3次元金属幾何学パターンを作成しています[2]。 2019年、米国ローレンス・リバモア国立研究所の科学者らは、従来の技術の処理速度を1,000倍に高めることができる「フェムト秒投影2光子リソグラフィー」技術を開発した。ゴマサイズのマイクロナノ構造を印刷するのにかかる時間はわずか8分20秒で、処理精度はナノメートルレベルにとどまっている[3] 。

フェムト秒投影2光子リソグラフィーによる複雑な3次元微細構造の作製 | 参考文献 [3]

化学的なものであろうとフォトリソグラフィーであろうと、生成されるのはナノ部品であり、それをさらに組み立ててロボットにする必要があります。マイクロスケールの組み立てをいかに実現するかは、「ナノロボット」研究におけるもう一つの難しさです。

1980 年代初頭には、人類は単一の原子の制御を実現していました。 2005年、中国科学院は長さ4マイクロメートル、厚さ100ナノメートルのカーボンナノチューブを刻まれた溝に正確に移動させることに成功しました[4]。しかし、ナノアセンブリを大規模に実行する方法が依然として問題となっています。

2015年、フランス国立科学アカデミーの研究チームは、超分子結合によって数千のナノマシンを組み合わせた長いポリマー鎖の合成に成功しました。各ナノマシンは約1ナノメートルの直線伸縮運動を生み出すことができます。数万個の微小なナノマシンが蓄積されると、筋肉組織と同じようにポリマー鎖が10ミクロン収縮したり弛緩したりすることができる[5] 。

小さなことが積み重なって大きな変化をもたらす：数万個のナノパーツの協調運動は大規模な変化を生み出すことができる | 参考文献 [5]

それでも、これらの研究は「ナノ部品」の単純な集合体しか実現していない。映画に出てくる針先ほどの極小の万能機械を人類が本当に組み立てたいなら、まだまだ道のりは長い。

ナノロボットを動かすにはどうすればいいですか?   

「作り方」に加えて、もう一つ重要な疑問があります。それは、ナノロボットを「動かす」にはどうすればよいかということです。

最も直接的な方法はエンジンをインストールすることです。テキサス大学オースティン校の科学者たちは、これまでで世界最小かつ最速のマイクロエンジンを開発した。このエンジンは塩粒の500分の1の大きさで、電気エネルギーを毎分最大18,000回転の機械的な動きに変換することができます。これはジェット機のエンジンの速度に相当し、15時間連続して回転することができます。

ナノエンジンの本体はナノワイヤだけである | 参考文献 [8]

電場だけでなく磁場も使用できます。 MITの科学者たちは、細菌のべん毛の外観を借用し、3Dプリント技術を使用して細胞サイズのらせん状ロボットを作成した。彼らはこれを「人工細菌べん毛」と名付けた。この螺旋形状により、ロボットは血液中をよりスムーズに移動できるようになります。次にロボットの表面をニッケルとチタンの二重コーティングでコーティングし、磁石になるようにした。彼らは外部磁場を使って人工細菌べん毛の動きを制御し、血管に似た経路内でべん毛を回転させたり移動させたりすることに成功した[9] 。

動くことができる細胞から「力を借りる」という考えを思いついた学者もいる。ドイツの研究チームは、チタン鉄ナノフィルムを使用して中空のチューブを作成し、精子を制御してチューブに穴を開け、精子駆動型ナノマシンを作成した。ナノ中空管の独特な構造により、精子の頭部は内部に留まり、尾部は外部に露出したままになります。温度などの条件を変えることで精子の移動経路や速度を制御し、この「精子ロボット」を制御することができる[10] 。

精子がナノチューブに穴を開けて動力源に​​する | 参考文献 [10]

研究者たちは雄牛の精子を使用した。マクロの世界では、牛は荷車を引くために使われます。意外なことに、ミクロの世界では、精子は「ナノの世界の牛車」としても機能している。

ナノロボットの究極の目標は、私たち自身を向上させることです。

2014年の映画『トランセンデンス』では、主人公がナノロボットを使って重病の体を治します。 2015年、グーグルの技術ディレクター、レイ・カーツワイル氏も次のような見解を示した。「2020年には、人間の免疫システムはナノロボットに取って代わられるだろう。2030年には、ナノロボットが病原体、腫瘍、そして一連の免疫システムの問題を解決できるようになるだろう。」

しかし、2020 年がすぐそこまで来ているため、現時点ではこのタイムテーブルは正確ではないようです。映画には「一撃ですべての病気を治す」タイプのナノロボットも登場しなかった。

血液から胃酸まで、ナノロボットはどのようにして複雑な体液環境に適応できるのでしょうか?複雑な血管内で塵サイズのナノロボットをどのように見つけたり駆動したりするのでしょうか?ナノロボットは、何百万もの細胞の中から病気の細胞をどうやって特定できるのでしょうか?確かに、病気の治療はナノロボットにとって最も重要かつ最も投資されている研究方向ですが、実践上の多くの困難により、この分野は停滞しています。

もちろん、技術の進歩により、これらの問題に対するいくつかの解決策が生まれます。 2019年、カリフォルニア工科大学の科学者たちはナノロボットをカプセルに入れて生体に注入した。このカプセル層は、ナノロボットが胃酸などの体液によって破壊されるのを防ぐことができます。

次に、研究チームは光音響トモグラフィーと呼ばれる技術を使用して、体外でナノロボットの位置をリアルタイムで特定しました。ロボットカプセルが患者の領域に到達すると、外因性の近赤外線を使用して人体組織を貫通し、カプセルが破裂してナノロボットが放出され、患者領域に留まって薬剤を放出します。さらに、がん細胞を認識できる特定のタンパク質もナノロボット上で改変できる。これらのタンパク質は体内に注入されると「目」として機能し、ナノロボットが癌細胞を識別して正確に攻撃できるようになります。

しかし、これらの研究はすべて動物で実施されました。現時点では、真に成熟したナノロボット医療製品は市場に存在しません。

ナノロボットが「病気を治し、命を救う」ことはまだ期待できませんが、人々はまだナノロボットに楽しみを見出しています。

2017年には、3大陸から6チームが南フランスでナノカー競技会に出場した。 [12][14]トラックは金で作られており、長さは 100nm です。出場者は単一の分子を競います。このプロセス全体を通じて、走査型トンネル顕微鏡などの特殊な装置を使用して電流を発生させ、ナノカーを前方に「押し出す」。最終的に、アメリカとオーストリアのチームが時速35ナノメートルで優勝しました。