روبوتات النانو

Nanorobotics هو مجال تكنولوجي ناشئ يخلق آلات أو روبوتات تكون مكوناتها في أو بالقرب من مقياس النانومتر (10-10 أمتار). وبشكل أكثر تحديداً ، يشير مصطلح “nanorobotics” (على عكس ميكروبيوتكوتك) إلى هندسة هندسة النانوتكنولوجي لتصميم وبناء النانوروبوتات ، بأجهزة تتراوح في حجمها من 0.1-10 ميكرومترًا ومكونة من مكونات نانوية أو جزيئية. كما استخدمت مصطلحات nanobot أو nanoid أو nanite أو nanomachine أو nanomite لوصف هذه الأجهزة التي تخضع حاليًا للبحث والتطوير.

النانومينات هي في مرحلة البحث والتطوير ، ولكن تم اختبار بعض الآلات الجزيئية البدائية و nanomotors. مثال على ذلك هو وجود مستشعر له مفتاح تبديل يبلغ حوالي 1.5 نانومتر ، قادر على حساب جزيئات معينة في عينة كيميائية. قد تكون أول التطبيقات المفيدة للماكينات النانوية في مجال النانو. على سبيل المثال ، يمكن استخدام الآلات البيولوجية لتحديد وتدمير الخلايا السرطانية. تطبيق آخر محتمل هو الكشف عن المواد الكيميائية السامة ، وقياس تركيزاتها ، في البيئة. وقد أظهرت جامعة رايس سيارة جزيء واحد طورتها عملية كيميائية وتشمل Buckminsterfullerenes (buckyballs) للعجلات. يتم تشغيله عن طريق التحكم في درجة الحرارة البيئية وبوضع طرف المجهر المسح النفقي.

تعريف آخر هو الروبوت الذي يسمح بالتفاعلات الدقيقة مع الأجسام النانوية ، أو يمكن التعامل مع دقة النانو. ترتبط هذه الأجهزة أكثر بالمجهر أو الفحص المجهرى للمسح ، بدلاً من وصف النانوتوبوت كآلة جزيئية. باستخدام تعريف المجهري ، يمكن اعتبار حتى جهاز كبير مثل مجهر القوة الذرية أداة nanorobotic عند تكوينه لإجراء nanomanipulation. بالنسبة إلى وجهة النظر هذه ، يمكن أيضًا اعتبار الروبوتات المتناهية الصغر أو microrobots التي يمكن تحريكها بدقة نانوية أن تكون nanorobots.

نظرية البكتريا النانوية
وفقا لريتشارد فاينمان ، كان طالب التخرج السابق والمتعاون ألبرت هيبز الذي اقترح في الأصل له (حوالي عام 1959) فكرة الاستخدام الطبي لميكروفونات الفينير النظرية (انظر nanomachine). اقترح هيبز أن بعض آلات التصليح قد تقل يوما ما في حجمها إلى الحد الذي يجعلها ، من الناحية النظرية ، ممكنة (كما يقول فينمان) “ابتلاع الجراح”. تم دمج هذه الفكرة في مقالة Feynman عام 1959 بعنوان Plenty of Room at the Bottom.

وبما أن النانوبوتات قد تكون مجهرية الحجم ، فمن المحتمل أن يكون من الضروري أن تعمل أعداد كبيرة منها معًا لتنفيذ مهام مجهرية وعيانية. هذه الأسراب النانوية ، التي لا تستطيع تكرارها (كما في ضباب المرافق) وأولئك القادرين على تكرارها في البيئة الطبيعية (كما هو الحال في goo الرمادي ومتغيراته الأقل شيوعًا ، مثل البيولوجيا التركيبية أو ضباب المرافق) ، توجد في العديد من العلوم. قصص خيالية ، مثل Borg nanoprobes في Star Trek و The Outer Limits episode “The New Breed”.

بعض مؤيدي nanorobotics ، كرد فعل على سيناريوهات goo الرمادية التي ساعدوا على نشرها في وقت سابق ، يرون أن النانوروتات القادرة على التكاثر خارج بيئة المصنع المحظورة لا تشكل جزءًا ضروريًا من تقنية النانو المنتجة المزعومة ، وأن عملية التكرار الذاتي ، هل كان يمكن تطويره ، يمكن جعله آمنًا بطبيعته. كما يؤكدون أن خططهم الحالية لتطوير واستخدام التصنيع الجزيئي لا تشمل في الواقع النسخ المتماثلة عن الطعام المجانية.

تم عرض المناقشة النظرية الأكثر تفصيلاً حول nanorobotics ، بما في ذلك قضايا التصميم المحددة مثل الاستشعار ، واتصالات الطاقة ، والملاحة ، والتلاعب ، والحركة ، والحساب الداخلي ، في السياق الطبي للطب النانوي من قبل روبرت فريتاس. بعض هذه المناقشات لا تزال على مستوى العمومية unuildable ولا تقترب من مستوى الهندسة التفصيلية.

الآثار القانونية والأخلاقية

التكنولوجيا المفتوحة
تم تقديم وثيقة مع اقتراح حول تطوير التكنولوجيا النانوية باستخدام أساليب تقنية التصميم المفتوح ، كما هو الحال في الأجهزة المفتوحة المصدر والبرمجيات مفتوحة المصدر ، إلى الجمعية العامة للأمم المتحدة. ووفقاً للوثيقة المرسلة إلى الأمم المتحدة ، بنفس الطريقة التي سارع بها المصدر المفتوح في السنوات الأخيرة إلى تطوير أنظمة الكمبيوتر ، فإن نهجاً مشابهاً ينبغي أن يفيد المجتمع ككل ويسرّع تطوير نانوبوتكس. يجب تأسيس استخدام التكنولوجيا النانوية كتراث بشري للأجيال القادمة ، وتطويرها كتقنية مفتوحة تعتمد على الممارسات الأخلاقية للأغراض السلمية. يتم ذكر التكنولوجيا المفتوحة كمفتاح أساسي لمثل هذا الهدف.

سباق نانوتيوت
وبنفس الأساليب التي دفعت بها الأبحاث والتطوير التكنولوجيان إلى سباق التسلح في الفضاء وسباق التسلح النووي ، يحدث سباق على النانوبوتس. هناك الكثير من الأرضية التي تسمح بإدراج nanorobots بين التقنيات الناشئة. بعض الأسباب هي أن الشركات الكبيرة ، مثل جنرال إلكتريك ، هيوليت-باكارد ، سينوبسيس ، نورثروب غرومان وسيمنز ، عملت في الآونة الأخيرة في تطوير أبحاث وأبحاث النانو. يتدخل الجراحون ويبدأون في اقتراح طرق لتطبيق nanorobots للإجراءات الطبية الشائعة ؛ تم منح الجامعات والمعاهد البحثية أموالا من قبل الوكالات الحكومية تتجاوز 2 مليار دولار أميركي نحو الأبحاث التي تطوّر أجهزة النانو للأدوية. كما أن المصرفيين يستثمرون استراتيجياً بقصد الحصول على حقوق مسبقة وعوائد على التسويق المستقبلي للنانوي. وقد نشأت بالفعل بعض جوانب التقاضي حول النانوي والقضايا ذات الصلة المرتبطة بالاحتكار. تم منح عدد كبير من براءات الاختراع في الآونة الأخيرة بشأن استخدام نانوبوتات (nanorobots) ، معظمها من وكلاء براءات الاختراع والشركات المتخصصة فقط في بناء حافظات براءات الاختراع والمحامين. بعد سلسلة طويلة من براءات الاختراع والنزاعات في نهاية المطاف ، انظر على سبيل المثال اختراع الإذاعة ، أو حرب التيارات ، تميل مجالات التكنولوجيا الناشئة إلى أن تصبح احتكارًا ، والذي عادة ما تهيمن عليه الشركات الكبيرة.

طرق التصنيع
تعتبر صناعة الآلات النانوية التي يتم تجميعها من مكونات جزيئية مهمة صعبة للغاية. وبسبب مستوى الصعوبة ، يواصل العديد من المهندسين والعلماء العمل بشكل تعاوني عبر نهج متعددة التخصصات لتحقيق اختراقات في هذا المجال الجديد من التنمية. وبالتالي ، فمن المفهوم تمامًا أهمية التقنيات المتميزة التالية التي يتم تطبيقها حاليًا في تصنيع نانوروبيوتس:

بيوشيب
يوفر الاستخدام المشترك للالكترونيات النانوية والطباعة الحجرية والمواد الحيوية الجديدة نهجا محتملا لتصنيع nanorobots للاستخدامات الطبية الشائعة ، مثل الأدوات الجراحية والتشخيص وتوصيل الأدوية. هذه الطريقة للتصنيع على مقياس النانوتكنولوجي قيد الاستخدام في صناعة الإلكترونيات منذ عام 2008. لذلك ، يجب أن يتم دمج nanorobots العملي كأجهزة nanoelectronics ، والتي ستسمح بالتشغيل عن بعد والقدرات المتقدمة للأجهزة الطبية.

Nubots
إن روبوت الحمض النووي (nubot) هو آلة جزيئية عضوية في المقياس النانوي. يمكن أن توفر بنية الحمض النووي وسيلة لتجميع الأجهزة النانوية ثنائية وثلاثية الأبعاد. يمكن تفعيل الأجهزة القائمة على الحمض النووي باستخدام الجزيئات الصغيرة والبروتينات والجزيئات الأخرى من الحمض النووي. وقد تم تصميم بوابات الدارات البيولوجية القائمة على مواد الدنا كآلات جزيئية للسماح بتسليم الأدوية في المختبر للمشاكل الصحية المستهدفة. مثل هذه النظم القائمة على المواد ستعمل على نحو وثيق مع نظام تسليم الأدوية البيومترية الذكية ، في حين لا تسمح بالتجريد الدقيق في الجسم الحي لهذه النماذج المصممة هندسيا.

الأنظمة المرتبطة بالسطح
أثبتت عدة تقارير ارتباط المحركات الجزيئية الاصطناعية بالأسطح. وقد تبين أن هذه الآلات النانوية البدائية تخضع لحركات تشبه الماكينة عندما تقتصر على سطح المادة العيانية. يمكن استخدام المحركات الراسية السطحية لتحريك ووضع المواد النانوية على سطح بطريقة الحزام الناقل.

Position nanoassembly
يركز التعاون الناضج ، الذي أسسه روبرت فريتاس ورالف ميركل في عام 2000 ويشارك فيه 23 باحثًا من 10 منظمات و 4 دول ، على تطوير أجندة بحثية عملية تهدف بشكل خاص إلى تطوير عملية تصنيع ميكانيكي للماس يتم التحكم فيها من خلال وضعية و nanofactory من نوع الماس الذي سيكون له القدرة على البناء nanorobots الماسية الطبية.

Biohybrids
يجمع المجال الناشئ من الأنظمة الهجينة الحيوية بين العناصر الهيكلية البيولوجية والاصطناعية للتطبيقات الطبية الحيوية أو الآلية. العناصر المكونة للنظم الكهرومغناطيسية الحيوية (BioNEMS) هي ذات حجم نانوي ، على سبيل المثال الحمض النووي أو البروتينات أو الأجزاء الميكانيكية ذات البنية النانوية. Thiol-ene ebeam resist يسمح بالكتابة المباشرة للخصائص النانوية ، متبوعًا بوظائف السطح المقاوم المقاوم للأجسام المتفاعلة مع الجزيئات الحيوية. تستخدم المقاربات الأخرى مادة قابلة للتحلل بيولوجيًا مرتبطة بالجسيمات المغناطيسية التي تسمح لها بالإرشاد حول الجسم.

استنادا البكتيريا
يقترح هذا النهج استخدام الكائنات الحية الدقيقة البيولوجية ، مثل بكتيريا Escherichia coli و Salmonella typhimurium. وهكذا يستخدم النموذج سوط لأغراض الدفع. تتحكم المجالات الكهرومغناطيسية عادة في حركة هذا النوع من الأجهزة المتكاملة البيولوجية. ابتكر الكيميائيون في جامعة نبراسكا مقياسًا للرطوبة عن طريق دمج البكتيريا في رقاقة كمبيوتر من السيليكون.

القائم على فيروس
يمكن إعادة تدريب الفيروسات القهقرية للتعلق بالخلايا واستبدال الحمض النووي. يذهبون من خلال عملية تسمى النسخ العكسي لتقديم التغليف الوراثي في ​​ناقلات. عادة ، هذه الأجهزة هي جينات Pol-Gag من الفيروس لنظام Capsid و Delivery. وتسمى هذه العملية العلاج الجيني الفيروسي ، لديها القدرة على إعادة هندسة الحمض النووي الخلوي عن طريق استخدام ناقلات الفيروس. وقد ظهر هذا النهج في شكل أنظمة إيصال الجينات الفيروسية ، و adenoviral ، و lentiviral. وقد استخدمت هذه النواقل العلاجية الجينية في القطط لإرسال الجينات إلى الكائن المعدَّل جينياً (GMO) ، مما أدى إلى إظهاره.

الطباعة ثلاثية الأبعاد
الطباعة ثلاثية الأبعاد هي العملية التي يتم من خلالها بناء هيكل ثلاثي الأبعاد من خلال العمليات المختلفة للتصنيع الإضافي. تتضمن الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية العديد من نفس العملية ، والتي تم دمجها على نطاق أصغر بكثير. لطباعة بنية في المقياس 5-400 ميكرومتر ، تم تحسين دقة آلة الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير. تم دمج عملية من خطوتين للطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد وطريقة الألواح المحفورة بالليزر كطريقة تحسين. ولكي تكون أكثر دقة في المقياس النانوي ، فإن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد تستخدم آلة النقش بالليزر ، والتي تحفر في كل لوحة التفاصيل المطلوبة لجزء من nanorobot. ثم يتم نقل اللوحة إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد ، التي تملأ المناطق المحورة بالجزئ النانوي المرغوب. تتكرر عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد حتى يتم بناء nanorobot من الأسفل إلى الأعلى. تتميز عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه بالعديد من الفوائد. أولاً ، يزيد من الدقة العامة لعملية الطباعة. وثانيا ، لديها القدرة على إنشاء قطاعات وظيفية من nanorobot. تستخدم الطابعة ثلاثية الأبعاد راتنج سائل ، والذي يتم تقويته بدقة في البقع الصحيحة بواسطة شعاع ليزر مركّز. يتم توجيه النقطة المحورية لحزمة الليزر من خلال الراتنجات بواسطة مرايا متحركة وتترك خلف خط متصلب من البوليمر الصلب ، فقط بضع مئات من النانومترات. هذه الدقة الدقيقة تمكن من إنشاء منحوتات منظمة بشكل معقد مثل حبة الرمل. تتم هذه العملية باستخدام راتنجات ضوئية ، والتي يتم تقويتها بواسطة الليزر على نطاق ضيق للغاية لإنشاء البنية. هذه العملية سريعة عن طريق معايير الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن إجراء ميزات صغيرة جدًا باستخدام تقنية التصنيع الدقيق ثلاثي الأبعاد المستخدمة في بلمرة البلمرة المتعددة. يستخدم هذا الأسلوب ليزر مركز لتتبع الكائن الثلاثي الأبعاد المطلوب في كتلة من الهلام. نظرًا للطبيعة غير الخطية لإثارة الصور ، يتم علاج الجل إلى مادة صلبة فقط في الأماكن التي كان يتم تركيز الليزر فيها بينما يتم غسل الهلام المتبقي. يتم إنتاج أحجام فائقة أقل من 100 نانومتر بسهولة ، بالإضافة إلى هياكل معقدة مع أجزاء متحركة ومتشابكة.

الاستخدامات المحتملة

النانوي
تشمل الاستخدامات المحتملة لمضادات الجراثيم في الطب التشخيص المبكر والتسليم الموجه للأدوية للسرطان ، والأجهزة الطبية الحيوية ، والجراحة ، والحرائك الدوائية ، ومراقبة داء السكري ، والرعاية الصحية.

في مثل هذه الخطط ، من المتوقع أن تستخدم النانوتكنولوجي الطبي المستقبلي نانوبروت حقنه في المريض لأداء العمل على المستوى الخلوي. يجب أن تكون مثل هذه النانوبوت المخصصة للاستخدام في الطب غير مكررة ، لأن النسخ المتماثل سيزيد من تعقيد الأجهزة ، ويقلل من الموثوقية ، ويتداخل مع المهمة الطبية.

توفر تقنية النانو مجموعة واسعة من التقنيات الجديدة لتطوير وسائل مخصصة لتحسين تقديم الأدوية الصيدلانية. اليوم ، عادة ما تكون الآثار الجانبية الضارة للعلاجات مثل العلاج الكيميائي ناتجة عن طرق توصيل الدواء التي لا تحدد بدقة الخلايا المستهدفة المقصودة. إلا أن الباحثين في جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تمكنوا من ربط خيوط خاصة من الرنا ، بقياس قرابة 10 نانومتر في القطر ، إلى جسيمات متناهية الصغر ، وملئها بعقار للعلاج الكيميائي. تنجذب هذه الخيوط الحمض النووي الريبي إلى الخلايا السرطانية. عندما يصادف الجسيمات متناهية الصغر خلية سرطانية ، فإنها تلتزم بها ، وتحرر الدواء إلى الخلية السرطانية. هذه الطريقة الموجهة لتوصيل الدواء لديها إمكانات كبيرة لعلاج مرضى السرطان مع تجنب التأثيرات السلبية (عادة ما ترتبط بتوصيل الدواء غير المناسب). تم تنفيذ أول مظاهرة من المحركات النانوية العاملة في الكائنات الحية في عام 2014 في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو. تعتبر الكتل النانوية الموجهة بالرنين المغناطيسي مؤشرا محتملا لنانوتوبوتس.

تطبيق مفيد آخر من nanorobots يساعد في إصلاح خلايا الأنسجة إلى جانب خلايا الدم البيضاء. تجنيد الخلايا الالتهابية أو خلايا الدم البيضاء (التي تشمل الخلايا المحببة للعضلات والخلايا الليمفاوية والخلايا الوحيدة والخلايا البدينة) إلى المنطقة المصابة هي الاستجابة الأولى للأنسجة إلى الإصابة. وبسبب صغر حجمها ، يمكن أن تعلق النانوروبوتات نفسها على سطح الخلايا البيضاء المجندة ، لتخرج طريقها عبر جدران الأوعية الدموية وتصل إلى موقع الإصابة ، حيث يمكنها المساعدة في عملية إصلاح الأنسجة. يمكن استخدام بعض المواد لتسريع الانتعاش.

العلم وراء هذه الآلية معقد للغاية. إن مرور الخلايا عبر البطانة الدموية ، وهي عملية تعرف باسم الهجرة ، هي آلية تنطوي على تفاعل مستقبلات سطح الخلية مع جزيئات الالتصاق ومجهود القوة النشطة وتمدد جدران الوعاء والتشوه الجسدي للخلايا المهاجرة. من خلال ربط أنفسهم بالخلايا الالتهابية المهاجرة ، يمكن للروبوتات في الواقع “إعاقة الركوب” عبر الأوعية الدموية ، متجاوزًا الحاجة إلى آلية نقل معقدة خاصة بهم.

اعتبارا من عام 2016 ، في الولايات المتحدة ، تنظم إدارة الغذاء والدواء (FDA) تكنولوجيا النانو على أساس الحجم.

سوتيك بيتال ، أثناء أبحاث الدكتوراه في جامعة تكساس ، طور سان أنطونيو جسيمات نانوية متناهية الصغر يتم التحكم فيها عن بعد بواسطة مجال كهرومغناطيسي. يمكن استخدام هذه السلسلة من nanorobots التي تم إدراجها الآن في موسوعة غينيس للأرقام القياسية ، للتفاعل مع الخلايا البيولوجية. يقترح العلماء أن هذه التقنية يمكن استخدامها لعلاج السرطان.

المراجع الثقافية
نانايتس هي شخصيات في البرنامج التلفزيوني Mystery Science Theatre 3000. إنها كائنات حية ذاتية التكرار ، تعمل على السفن وتقيم في أنظمة الكمبيوتر الخاصة بـ SOL. لقد ظهروا لأول مرة في الموسم الثامن.

يستخدم Nanites في عدد من الحلقات في سلسلة “المسافرين” في Netflix. يتم برمجتها وحقنها في الأشخاص المصابين لإجراء الإصلاحات.