Come funzioneranno i nanorobot

Immagina di andare dal medico per farti curare una febbre persistente. Invece di darti una pillola o un'iniezione, il medico ti indirizza a una squadra medica speciale che impianta un minuscolo robot nel tuo flusso sanguigno. Il robot rileva la causa della tua febbre, si reca nel sistema appropriato e fornisce una dose di farmaco direttamente nell'area infetta.

Galleria di immagini del robot

Il robot in questa illustrazione nuota attraverso le arterie e le vene usando un paio di appendici di coda. Guarda altre foto di robot.

Sorprendentemente, non siamo così lontani dal vedere dispositivi come questo effettivamente utilizzati nelle procedure mediche. Si chiamano nanorobot e team di ingegneri in tutto il mondo stanno lavorando per progettare robot che alla fine saranno usati per curare tutto, dall'emofilia al cancro.

Più grande non è sempre meglio Nel 1959, Richard Feynman, un ingegnere presso CalTech, ha lanciato una sfida agli ingegneri di tutto il mondo. Voleva che qualcuno costruisse un motore funzionante che potesse stare in un cubo di 1/64 di pollice su ciascun lato. La sua speranza era che progettando e costruendo un tale motore, gli ingegneri svilupperebbero nuovi metodi di produzione che potrebbero essere utilizzati nel campo emergente della nanotecnologia. Nel 1960, Bill McLellan ha rivendicato il premio, avendo costruito un motore funzionante secondo le specifiche corrette. Feynman ha assegnato il premio anche se McLellan ha costruito il motore a mano senza ideare nuove metodologie di produzione.

Come puoi immaginare, le sfide che gli ingegneri devono affrontare sono scoraggianti. Un nanorobot vitale deve essere abbastanza piccolo e agile da navigare attraverso il sistema circolatorio umano, una rete incredibilmente complessa di vene e arterie. Il robot deve anche avere la capacità di trasportare farmaci o strumenti in miniatura. Supponendo che il nanorobot non sia destinato a rimanere nel paziente per sempre, deve anche essere in grado di uscire dall'host.

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In questo articolo, impareremo le potenziali applicazioni dei nanorobot, i vari modi in cui i nanorobot navigheranno e si muoveranno attraverso i nostri corpi, gli strumenti che utilizzeranno per curare i pazienti, i progressi che i team di tutto il mondo hanno fatto finora e ciò che i teorici vedono in futuro.

Nella sezione successiva, impareremo a conoscere le condizioni e le malattie che i nanorobot cureranno in futuro.

Contenuti

Prendi due bot e chiamami al mattino
Navigazione Nanorobot
Alimentare il nanorobot
Locomozione Nanorobot
ragazzina, Piccoli strumenti
Nanorobot:oggi e domani

Prendi due bot e chiamami al mattino

Ben realizzato, i nanorobot saranno in grado di trattare una serie di malattie e condizioni. Mentre le loro dimensioni significano che possono trasportare solo piccoli carichi utili di medicinali o attrezzature, molti medici e ingegneri ritengono che l'applicazione precisa di questi strumenti sarà più efficace rispetto ai metodi più tradizionali. Per esempio, un medico potrebbe somministrare un potente antibiotico a un paziente attraverso una siringa per aiutare il suo sistema immunitario. L'antibiotico si diluisce mentre viaggia attraverso il flusso sanguigno del paziente, causandone solo una parte, arriva al punto di infezione. Però, un nanorobot, o un team di nanorobot, potrebbe viaggiare direttamente fino al punto di infezione e somministrare una piccola dose di farmaco. Il paziente potrebbe subire meno effetti collaterali dal farmaco.

Diversi ingegneri, scienziati e medici ritengono che le applicazioni dei nanorobot siano praticamente illimitate. Alcuni degli usi più probabili includono:

Curare l'arteriosclerosi :L'arteriosclerosi si riferisce a una condizione in cui la placca si accumula lungo le pareti delle arterie. I nanorobot potrebbero plausibilmente trattare la condizione tagliando via la placca, che poi entrerebbe nel flusso sanguigno.

I nanorobot possono trattare condizioni come l'arteriosclerosi scheggiando fisicamente la placca lungo le pareti delle arterie.
Rompere i coaguli di sangue :I coaguli di sangue possono causare complicazioni che vanno dalla morte muscolare a un ictus. I nanorobot potrebbero raggiungere un coagulo e romperlo. Questa applicazione è uno degli usi più pericolosi per i nanorobot:il robot deve essere in grado di rimuovere il blocco senza perdere piccoli pezzi nel flusso sanguigno, che potrebbe quindi viaggiare in altre parti del corpo e causare più problemi. Il robot deve anche essere abbastanza piccolo da non bloccare il flusso di sangue stesso.
Combattere il cancro :I medici sperano di utilizzare i nanorobot per curare i malati di cancro. I robot potrebbero attaccare i tumori direttamente usando i laser, microonde o segnali ultrasonici o potrebbero far parte di un trattamento chemioterapico, consegnare i farmaci direttamente al sito del cancro. I medici ritengono che somministrando piccole ma precise dosi di farmaci al paziente, gli effetti collaterali saranno ridotti al minimo senza una perdita di efficacia del farmaco.
Aiutare il corpo a coagulare :Un particolare tipo di nanorobot è il coagulociti , o piastrine artificiali. Il clottocita trasporta una piccola rete a maglie che si dissolve in una membrana appiccicosa a contatto con il plasma sanguigno. Secondo Robert A. Freitas, Jr., l'uomo che ha progettato il clottocyte, la coagulazione potrebbe essere fino a 1, 000 volte più veloce del meccanismo di coagulazione naturale del corpo [fonte:Freitas]. I medici potrebbero usare i clottociti per curare gli emofiliaci oi pazienti con gravi ferite aperte.
Rimozione del parassita :I nanorobot potrebbero condurre una micro-guerra contro batteri e piccoli organismi parassiti all'interno di un paziente. Potrebbero essere necessari diversi nanorobot che lavorano insieme per distruggere tutti i parassiti.
Gotta :La gotta è una condizione in cui i reni perdono la capacità di rimuovere i rifiuti dalla scomposizione dei grassi dal flusso sanguigno. Questi rifiuti a volte si cristallizzano in punti vicino alle articolazioni come le ginocchia e le caviglie. Le persone che soffrono di gotta provano un dolore intenso a queste articolazioni. Un nanorobot potrebbe rompere le strutture cristalline alle articolazioni, fornendo sollievo dai sintomi, anche se non sarebbe in grado di invertire la condizione in modo permanente.
Rompere i calcoli renali :I calcoli renali possono essere molto dolorosi:più grande è il calcolo, più difficile sarà il passaggio. I medici rompono i grandi calcoli renali usando le frequenze ultrasoniche, ma non sempre è efficace. Un nanorobot potrebbe rompere i calcoli renali usando un piccolo laser.

I nanorobot potrebbero trasportare piccoli generatori di segnali ultrasonici per fornire frequenze direttamente ai calcoli renali.
Pulizia delle ferite :I nanorobot potrebbero aiutare a rimuovere i detriti dalle ferite, diminuendo la probabilità di infezione. Sarebbero particolarmente utili in caso di ferite da punta, dove potrebbe essere difficile da trattare utilizzando metodi più convenzionali.

Nella sezione successiva, vedremo come i nanorobot navigheranno attraverso il sistema circolatorio.

Navigazione Nanorobot

Ci sono tre considerazioni principali su cui gli scienziati devono concentrarsi quando osservano i nanorobot che si muovono attraverso il corpo: navigazione , potenza e come il nanorobot si muoverà attraverso i vasi sanguigni. I nanotecnologi stanno esaminando diverse opzioni per ciascuna di queste considerazioni, ognuno dei quali ha aspetti positivi e negativi. La maggior parte delle opzioni può essere suddivisa in una delle due categorie:sistemi esterni e sistemi di bordo.

I sistemi di navigazione esterni potrebbero utilizzare una varietà di metodi diversi per pilotare il nanorobot nella giusta posizione. Uno di questi metodi è usare segnali ultrasonici per rilevare la posizione del nanorobot e indirizzarlo alla giusta destinazione. I medici trasmettevano segnali ultrasonici nel corpo del paziente. I segnali passerebbero attraverso il corpo, riflettere alla fonte dei segnali, o entrambi. Il nanorobot potrebbe emettere impulsi di segnali ultrasonici, che i medici potrebbero rilevare utilizzando apparecchiature speciali con sensori a ultrasuoni. I medici potrebbero tenere traccia della posizione del nanorobot e manovrarlo nella parte destra del corpo del paziente.

Foto per gentile concessione della NASA
Alcuni scienziati hanno intenzione di controllare e potenza nanorobot utilizzando dispositivi MRI come questo.

Utilizzando un dispositivo di risonanza magnetica (MRI), i medici potrebbero individuare e tracciare un nanorobot rilevando il suo campo magnetico. Medici e ingegneri dell'Ecole Polytechnique de Montreal hanno dimostrato come potevano rilevare, traccia, controllare e persino azionare un nanorobot utilizzando la risonanza magnetica. Hanno testato le loro scoperte manovrando una piccola particella magnetica attraverso le arterie di un maiale utilizzando un software specializzato su una macchina per la risonanza magnetica. Poiché molti ospedali hanno macchine per la risonanza magnetica, questo potrebbe diventare lo standard del settore:gli ospedali non dovranno investire in costosi, tecnologie non provate.

I medici potrebbero anche monitorare i nanorobot iniettando un colorante radioattivo nel flusso sanguigno del paziente. Utilizzerebbero quindi un fluoroscopio o un dispositivo simile per rilevare il colorante radioattivo mentre si muove attraverso il sistema circolatorio. Immagini tridimensionali complesse indicherebbero dove si trova il nanorobot. In alternativa, il nanorobot potrebbe emettere il colorante radioattivo, creando un percorso dietro di esso mentre si muove attraverso il corpo.

Altri metodi per rilevare il nanorobot includono l'uso di raggi X, onde radio, microonde o calore. Proprio adesso, la nostra tecnologia che utilizza questi metodi su oggetti di dimensioni nanometriche è limitata, quindi è molto più probabile che i sistemi futuri si baseranno maggiormente su altri metodi.

Sistemi di bordo, o sensori interni, potrebbe anche svolgere un ruolo importante nella navigazione. Un nanorobot con sensori chimici potrebbe rilevare e seguire la scia di sostanze chimiche specifiche per raggiungere la posizione giusta. Un sensore spettroscopico consentirebbe al nanorobot di prelevare campioni di tessuto circostante, analizzarli e seguire un percorso della giusta combinazione di sostanze chimiche.

Per quanto possa essere difficile da immaginare, i nanorobot potrebbero includere una telecamera in miniatura. Un operatore alla console sarà in grado di guidare il dispositivo mentre guarda un feed video in diretta, navigandolo manualmente attraverso il corpo. I sistemi di telecamere sono abbastanza complessi, quindi potrebbero passare alcuni anni prima che i nanotecnologi possano creare un sistema affidabile che possa essere inserito in un minuscolo robot.

Nella sezione successiva, esamineremo i sistemi di alimentazione dei nanorobot.

Alimentare il nanorobot

Proprio come i sistemi di navigazione, i nanotecnologi stanno prendendo in considerazione fonti di energia sia esterne che interne. Alcuni progetti si basano sul nanorobot che utilizza il corpo del paziente per generare energia. Altri progetti includono una piccola fonte di alimentazione a bordo del robot stesso. Finalmente, alcuni progetti utilizzano forze esterne al corpo del paziente per alimentare il robot.

I nanorobot potrebbero ottenere energia direttamente dal flusso sanguigno. Un nanorobot con elettrodi montati potrebbe formare una batteria utilizzando gli elettroliti presenti nel sangue. Un'altra opzione è creare reazioni chimiche con il sangue per bruciarlo per produrre energia. Il nanorobot conterrebbe una piccola scorta di sostanze chimiche che diventerebbero una fonte di carburante se combinate con il sangue.

Un nanorobot potrebbe utilizzare il calore corporeo del paziente per creare energia, ma ci sarebbe bisogno di un gradiente di temperature per gestirlo. La produzione di energia sarebbe il risultato del Effetto Seebeck . L'effetto Seebeck si verifica quando due conduttori di metalli diversi vengono uniti in due punti mantenuti a due temperature diverse. I conduttori metallici diventano una termocoppia, il che significa che generano tensione quando le giunture sono a temperature diverse. Poiché è difficile fare affidamento sui gradienti di temperatura all'interno del corpo, è improbabile che molti nanorobot utilizzino il calore corporeo per produrre energia.

Anche se potrebbe essere possibile creare batterie abbastanza piccole da stare all'interno di un nanorobot, non sono generalmente visti come una valida fonte di energia. Il problema è che le batterie forniscono una quantità di energia relativamente piccola in relazione alle loro dimensioni e peso, quindi una batteria molto piccola fornirebbe solo una frazione della potenza di cui un nanorobot avrebbe bisogno. Un candidato più probabile è un condensatore, che ha un rapporto peso-potenza leggermente migliore.

© Fotografo:Newstocker I Agenzia:Dreamstime.com
Gli ingegneri stanno lavorando alla costruzione di condensatori più piccoli che alimenteranno tecnologie come i nanorobot.
Un'altra possibilità per l'energia dei nanorobot è quella di utilizzare una fonte di energia nucleare. Il pensiero di un minuscolo robot alimentato dall'energia nucleare fa venire i brividi ad alcune persone, ma tieni presente che la quantità di materiale è piccola e, secondo alcuni esperti, facile da proteggere [fonte:Rubinstein]. Ancora, le opinioni pubbliche sull'energia nucleare rendono quanto meno improbabile questa possibilità.

Le fonti di alimentazione esterne includono sistemi in cui il nanorobot è collegato al mondo esterno o è controllato senza un collegamento fisico. I sistemi collegati avrebbero bisogno di un cavo tra il nanorobot e la fonte di alimentazione. Il filo dovrebbe essere forte, ma avrebbe anche bisogno di muoversi senza sforzo attraverso il corpo umano senza causare danni. Un cavo fisico potrebbe fornire energia elettricamente o otticamente. I sistemi ottici utilizzano la luce attraverso le fibre ottiche, che dovrebbe poi essere convertita in elettricità a bordo del robot.

L'effetto piezoelettrico Alcuni cristalli ottengono una carica elettrica se si applica loro forza. Al contrario, se applichi una carica elettrica a uno di questi cristalli, vibrerà di conseguenza, emettendo segnali ultrasonici. Il quarzo è probabilmente il cristallo più familiare con effetti piezoelettrici.

I sistemi esterni che non utilizzano cavi potrebbero fare affidamento su microonde, segnali ultrasonici o campi magnetici. Le microonde sono le meno probabili, poiché trasmetterli a un paziente comporterebbe danni ai tessuti, poiché il corpo del paziente assorbirebbe la maggior parte delle microonde e di conseguenza si riscalderebbe. Un nanorobot con una membrana piezoelettrica potrebbe captare i segnali ultrasonici e convertirli in elettricità. Sistemi che utilizzano campi magnetici, come quello che i medici stanno sperimentando a Montreal, può manipolare direttamente il nanorobot o indurre una corrente elettrica in un circuito conduttivo chiuso nel robot.

Nella sezione successiva, esamineremo i sistemi di propulsione dei nanorobot.

Locomozione Nanorobot

Supponendo che il nanorobot non sia legato o progettato per fluttuare passivamente attraverso il flusso sanguigno, avrà bisogno di un mezzo di propulsione per aggirare il corpo. Perché potrebbe dover viaggiare contro il flusso del sangue, il sistema di propulsione deve essere relativamente forte per le sue dimensioni. Un'altra considerazione importante è la sicurezza del paziente:il sistema deve essere in grado di spostare il nanorobot senza causare danni all'ospite.

Alcuni scienziati stanno cercando ispirazione nel mondo degli organismi microscopici. I parameci si muovono attraverso il loro ambiente usando piccoli arti simili a una coda chiamati ciglia . Facendo vibrare le ciglia, il paramecio può nuotare in qualsiasi direzione. Simile alle ciglia sono flagelli , che sono strutture di coda più lunghe. Gli organismi frustano i flagelli in diversi modi per muoversi.

I designer di Nanorobot a volte guardano gli organismi microscopici per l'ispirazione della propulsione, come il flagello su questa cellula di e-coli.
Gli scienziati in Israele hanno creato microrobot , un robot lungo solo pochi millimetri, che utilizza piccole appendici per afferrare e strisciare attraverso i vasi sanguigni. Gli scienziati manipolano le braccia creando campi magnetici al di fuori del corpo del paziente. I campi magnetici fanno vibrare le braccia del robot, spingendolo ulteriormente attraverso i vasi sanguigni. Gli scienziati sottolineano che, poiché tutta l'energia per il nanorobot proviene da una fonte esterna, non c'è bisogno di una fonte di alimentazione interna. Sperano che il design relativamente semplice semplificherà la costruzione di robot ancora più piccoli.

Altri dispositivi suonano ancora più esotici. Si userebbero condensatori per generare campi magnetici che attirerebbero fluidi conduttivi attraverso un'estremità di un pompa elettromagnetica e sparalo fuori dal retro. Il nanorobot si muoverebbe come un aereo a reazione. Miniaturizzato pompe a getto potrebbe persino usare il plasma sanguigno per spingere in avanti il nanorobot, anche se, a differenza della pompa elettromagnetica, dovrebbero esserci parti in movimento.

Un altro potenziale modo in cui i nanorobot potrebbero muoversi è utilizzare una membrana vibrante. Stringendo e rilassando alternativamente la tensione su una membrana, un nanorobot potrebbe generare piccole quantità di spinta. Su scala nanometrica, questa spinta potrebbe essere abbastanza significativa da agire come una valida fonte di movimento.

Nella sezione successiva, esamineremo gli strumenti che i nanorobot potrebbero portare per compiere le loro missioni mediche.

ragazzina, Piccoli strumenti

Foto per gentile concessione di Garrigan.net
Gli strumenti Nanorobot dovranno essere abbastanza piccolo da manipolare cellule come questi globuli rossi.
I microrobot attuali sono lunghi solo pochi millimetri e hanno un diametro di circa un millimetro. Rispetto alla nanoscala, è enorme -- un nanometro è solo un miliardesimo di metro, mentre un millimetro è un millesimo di metro. I futuri nanorobot saranno così piccoli, potrai vederli solo con l'aiuto di un microscopio. Gli strumenti Nanorobot dovranno essere ancora più piccoli. Ecco alcuni degli elementi che potresti trovare nel kit di strumenti di un nanorobot:

Cavità della medicina -- una sezione cava all'interno del nanorobot potrebbe contenere piccole dosi di medicinali o sostanze chimiche. Il robot potrebbe rilasciare i farmaci direttamente nel sito della lesione o dell'infezione. I nanorobot potrebbero anche trasportare le sostanze chimiche utilizzate nella chemioterapia per curare il cancro direttamente nel sito. Sebbene la quantità di farmaco sia relativamente piccola, applicarlo direttamente al tessuto canceroso può essere più efficace della chemioterapia tradizionale, che si basa sul sistema circolatorio del corpo per trasportare le sostanze chimiche in tutto il corpo del paziente.
sonde , coltelli e scalpelli -- per rimuovere blocchi e placca, un nanorobot avrà bisogno di qualcosa per afferrare e abbattere il materiale. Potrebbero anche aver bisogno di un dispositivo per schiacciare i coaguli in pezzi molto piccoli. Se un coagulo parziale si libera ed entra nel flusso sanguigno, può causare più problemi a valle del sistema circolatorio.
Emettitori di microonde e generatori di segnali ad ultrasuoni - per distruggere le cellule cancerose, i medici hanno bisogno di metodi che uccidano una cellula senza romperla. Una cellula cancerosa rotta potrebbe rilasciare sostanze chimiche che potrebbero causare un'ulteriore diffusione del cancro. Utilizzando microonde sintonizzati o segnali ultrasonici, un nanorobot potrebbe rompere i legami chimici nella cellula cancerosa, uccidendolo senza rompere la parete cellulare. In alternativa, il robot potrebbe emettere microonde o segnali ultrasonici per riscaldare la cellula cancerosa abbastanza da distruggerla.
elettrodi -- due elettrodi che sporgono dal nanorobot potrebbero uccidere le cellule cancerose generando una corrente elettrica, riscaldando la cella fino a quando non muore.
laser -- minuscolo, potenti laser potrebbero bruciare materiale dannoso come la placca arteriosa, cellule cancerose o coaguli di sangue. I laser vaporizzerebbero letteralmente il tessuto.

Le due maggiori sfide e preoccupazioni che gli scienziati hanno riguardo a questi piccoli strumenti sono renderli efficaci e sicuri. Ad esempio, creare un piccolo laser abbastanza potente da vaporizzare le cellule cancerose è una grande sfida, ma progettarlo in modo che il nanorobot non danneggi i tessuti sani circostanti rende il compito ancora più difficile. Sebbene molti team scientifici abbiano sviluppato nanorobot abbastanza piccoli da entrare nel flusso sanguigno, questo è solo il primo passo per rendere i nanorobot una vera applicazione medica.

Nella sezione successiva, impareremo a che punto è la tecnologia dei nanorobot oggi e dove potrebbe essere in futuro.

Nanorobot:oggi e domani

Squadre di tutto il mondo stanno lavorando alla creazione del primo pratico nanorobot medico. Esistono già robot che vanno da un millimetro di diametro a due centimetri di lunghezza, anche se sono ancora tutti in fase di test di sviluppo e non sono stati utilizzati sulle persone. Probabilmente mancano diversi anni per vedere i nanorobot entrare nel mercato medico. I microrobot di oggi sono solo prototipi che non hanno la capacità di svolgere compiti medici.

Yoshikazu Tsuno/AFP/Getty Images
Sebbene questo robot lungo 2 centimetri è un risultato impressionante, i robot futuri saranno centinaia di volte più piccolo.
Nel futuro, i nanorobot potrebbero rivoluzionare la medicina. I medici potrebbero curare di tutto, dalle malattie cardiache al cancro, usando minuscoli robot delle dimensioni di batteri, una scala molto più piccola dei robot di oggi. I robot potrebbero lavorare da soli o in team per sradicare le malattie e curare altre condizioni. Alcuni credono che i nanorobot semiautonomi siano proprio dietro l'angolo:i medici impianterebbero robot in grado di pattugliare il corpo di un essere umano, reagire a eventuali problemi che si presentano. A differenza del trattamento acuto, questi robot rimarrebbero per sempre nel corpo del paziente.

Un'altra potenziale applicazione futura della tecnologia dei nanorobot è riprogettare i nostri corpi per renderli resistenti alle malattie, aumentare la nostra forza o addirittura migliorare la nostra intelligenza. Il dottor Richard Thompson, un ex professore di etica, ha scritto sulle implicazioni etiche della nanotecnologia. Dice che lo strumento più importante è la comunicazione, e che è fondamentale per le comunità, organizzazioni mediche e il governo per parlare di nanotecnologia ora, mentre il settore è ancora agli inizi.

Avremo un giorno migliaia di robot microscopici che correranno nelle nostre vene, facendo correzioni e curando i nostri tagli, lividi e malattie? Con le nanotecnologie, sembra che tutto sia possibile.