La nanorobótica es un campo de tecnología emergente que crea máquinas o robots cuyos componentes se encuentran en o cerca de la escala de un nanómetro (10 a 9 metros). Más específicamente, las nanorobóticas (a diferencia de las microrobóticas) se refieren a la disciplina de la ingeniería de nanotecnología para diseñar y construir nanorobots, con dispositivos que varían en tamaño desde 0,1 a 10 micrómetros y están construidos con nanoescala o componentes moleculares. Los términos nanobot, nanoid, nanite, nanomachine o nanomite también se han utilizado para describir tales dispositivos actualmente en investigación y desarrollo.

Las nanomáquinas están en gran parte en la fase de investigación y desarrollo, pero se han probado algunas máquinas moleculares primitivas y nanomotores. Un ejemplo es un sensor que tiene un interruptor de aproximadamente 1.5 nanómetros de ancho, capaz de contar moléculas específicas en una muestra química. Las primeras aplicaciones útiles de las nanomáquinas pueden estar en la nanomedicina. Por ejemplo, se podrían usar máquinas biológicas para identificar y destruir células cancerosas. Otra aplicación potencial es la detección de sustancias químicas tóxicas y la medición de sus concentraciones en el medio ambiente. Rice University ha demostrado un automóvil de una sola molécula desarrollado por un proceso químico e incluye Buckminsterfullerenes (buckyballs) para ruedas. Se acciona controlando la temperatura ambiental y colocando una punta de microscopio de exploración de túneles.

Otra definición es un robot que permite interacciones precisas con objetos a nanoescala, o puede manipularse con resolución a nanoescala. Dichos dispositivos están más relacionados con la microscopía o la microscopía con sonda de barrido, en lugar de la descripción de nanorobots como máquina molecular. Usando la definición de microscopía, incluso un aparato grande como un microscopio de fuerza atómica puede considerarse un instrumento nanorobótico cuando se configura para realizar la nanomanipulación. Para este punto de vista, los robots de macroescala o microrobots que pueden moverse con precisión a nanoescala también pueden considerarse nanorobots.

Teoria nanorobotica
Según Richard Feynman, fue su antiguo estudiante graduado y colaborador Albert Hibbs quien originalmente le sugirió (alrededor de 1959) la idea de un uso médico para las micromáquinas teóricas de Feynman (véase nanomachine). Hibbs sugirió que ciertas máquinas de reparación podrían reducirse un día en tamaño hasta el punto de que, en teoría, sería posible (como lo dijo Feynman) «tragar al cirujano». La idea se incorporó en el ensayo de Feynman de 1959. Hay mucho espacio en el fondo.

Dado que los nanorobots tendrían un tamaño microscópico, probablemente sería necesario que un gran número de ellos trabajen juntos para realizar tareas microscópicas y macroscópicas. Estos enjambres nanorobot, tanto los que no pueden replicarse (como en la niebla utilitaria) como los que se pueden replicar sin restricciones en el entorno natural (como en el goo gris y sus variantes menos comunes, como la biología sintética o la niebla utilitaria), se encuentran en muchas ciencias Historias de ficción, como las nanoprobas Borg en Star Trek y el episodio de The Outer Limits «The New Breed».

Algunos defensores de las nanorobóticas, en reacción a los escenarios de goo gris que antes ayudaron a propagar, sostienen la opinión de que los nanorobots capaces de replicarse fuera de un entorno de fábrica restringido no forman parte necesaria de una nanotecnología productiva supuesta, y que el proceso de la autorreplicación, si alguna vez se desarrollara, podría hacerse inherentemente segura. Además, afirman que sus planes actuales para desarrollar y utilizar la fabricación molecular no incluyen, de hecho, replicadores de alimentación libre.

Robert Freitas ha presentado la discusión teórica más detallada sobre nanorobóticos, que incluye temas de diseño específicos como detección, comunicación de potencia, navegación, manipulación, locomoción y cómputo a bordo, en el contexto médico de la nanomedicina. Algunas de estas discusiones permanecen en el nivel de generalidad no edificable y no se aproximan al nivel de ingeniería detallada.

Implicaciones legales y éticas.

Tecnología abierta
Un documento con una propuesta sobre el desarrollo de la nanobiotecnología que utiliza métodos de tecnología de diseño abierto, como el hardware de código abierto y el software de código abierto, se ha dirigido a la Asamblea General de las Naciones Unidas. Según el documento enviado a las Naciones Unidas, de la misma manera que el código abierto ha acelerado en los últimos años el desarrollo de los sistemas informáticos, un enfoque similar debería beneficiar a la sociedad en general y acelerar el desarrollo de las nanorobóticas. El uso de la nanobiotecnología debe establecerse como un patrimonio humano para las generaciones venideras y desarrollarse como una tecnología abierta basada en prácticas éticas con fines pacíficos. La tecnología abierta se declara como una clave fundamental para tal objetivo.

Raza nanorobot
De la misma manera en que la investigación y el desarrollo tecnológico impulsaron la carrera espacial y la carrera de armamentos nucleares, se está produciendo una carrera por los nanorobots. Hay mucho terreno que permite que los nanorobots se incluyan entre las tecnologías emergentes. Algunas de las razones son que las grandes corporaciones, como General Electric, Hewlett-Packard, Synopsys, Northrop Grumman y Siemens han estado trabajando recientemente en el desarrollo e investigación de nanorobots; Los cirujanos se están involucrando y comienzan a proponer formas de aplicar nanorobots para procedimientos médicos comunes; las agencias gubernamentales otorgaron fondos a universidades e institutos de investigación por más de $ 2 mil millones para investigación en desarrollo de nanodispositivos para medicina; Los banqueros también están invirtiendo estratégicamente con la intención de adquirir derechos y regalías de antemano sobre la futura comercialización de nanorobots. Ya han surgido algunos aspectos del litigio de nanorobot y temas relacionados relacionados con el monopolio. Recientemente se ha otorgado una gran cantidad de patentes sobre nanorobots, hechas principalmente para agentes de patentes, compañías especializadas exclusivamente en la creación de carteras de patentes y abogados. Después de una larga serie de patentes y eventualmente litigios, vea por ejemplo la Invención de la Radio o la Guerra de Corrientes, los campos emergentes de la tecnología tienden a convertirse en un monopolio, que normalmente está dominado por grandes corporaciones.

Enfoques de fabricación
La fabricación de nanomáquinas ensambladas a partir de componentes moleculares es una tarea muy desafiante. Debido al nivel de dificultad, muchos ingenieros y científicos continúan trabajando cooperativamente a través de enfoques multidisciplinarios para lograr avances en esta nueva área de desarrollo. Por lo tanto, es bastante comprensible la importancia de las siguientes técnicas distintas aplicadas actualmente a la fabricación de nanorobots:

Biochip
El uso conjunto de nanoelectrónica, fotolitografía y nuevos biomateriales proporciona un posible enfoque para la fabricación de nanorobots para usos médicos comunes, como instrumentación quirúrgica, diagnóstico y administración de fármacos. Este método para fabricar a escala nanotecnológica se usa en la industria electrónica desde 2008. Por lo tanto, los nanorobots prácticos deben integrarse como dispositivos nanoelectrónicos, lo que permitirá la operación remota y capacidades avanzadas para instrumentación médica.

Nubots
Un robot de ácido nucleico (nubot) es una máquina molecular orgánica a nanoescala. La estructura del ADN puede proporcionar medios para ensamblar dispositivos nanomecánicos 2D y 3D. Las máquinas basadas en ADN pueden activarse utilizando pequeñas moléculas, proteínas y otras moléculas de ADN. Las compuertas de circuitos biológicos basadas en materiales de ADN han sido diseñadas como máquinas moleculares para permitir la administración in vitro de medicamentos para problemas de salud específicos. Dichos sistemas basados ​​en materiales funcionarían más estrechamente para la entrega de sistemas de medicamentos biomateriales inteligentes, mientras que no permitirían una teleoperación in vivo precisa de tales prototipos diseñados.

Sistemas de superficie
Varios informes han demostrado la fijación de motores moleculares sintéticos a las superficies. Se ha demostrado que estas nanomáquinas primitivas experimentan movimientos de tipo máquina cuando se limitan a la superficie de un material macroscópico. Los motores anclados en la superficie podrían usarse potencialmente para mover y colocar materiales a nanoescala en una superficie a la manera de una cinta transportadora.

Nanoensamblaje posicional
Nanofactory Collaboration, fundada por Robert Freitas y Ralph Merkle en 2000 e involucrando a 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países, se enfoca en el desarrollo de una agenda de investigación práctica específicamente dirigida al desarrollo de mecanosíntesis de diamantes de posición controlada y una nanofábrica diamondoide que tendría la capacidad de construir. Nanoobots médicos diamondoides.

Biohíbridos
El campo emergente de los sistemas bio-híbridos combina elementos estructurales biológicos y sintéticos para aplicaciones biomédicas o robóticas. Los elementos constitutivos de los sistemas bio nanoelectromecánicos (BioNEMS) son de tamaño a nanoescala, por ejemplo, ADN, proteínas o partes mecánicas nanoestructuradas. Thiol-ene ebeam resist permite la escritura directa de características a nanoescala, seguida de la funcionalización de la superficie de resistencia reactiva nativa con biomoléculas. Otros enfoques utilizan un material biodegradable unido a partículas magnéticas que les permiten ser guiados alrededor del cuerpo.

A base de bacterias
Este enfoque propone el uso de microorganismos biológicos, como la bacteria Escherichia coli y Salmonella typhimurium. Así, el modelo utiliza un flagelo para fines de propulsión. Los campos electromagnéticos normalmente controlan el movimiento de este tipo de dispositivo biológico integrado. Los químicos de la Universidad de Nebraska han creado un medidor de humedad al fusionar una bacteria con un chip de computadora de silicona.

Basado en virus
Los retrovirus pueden volver a entrenarse para unirse a las células y reemplazar el ADN. Pasan por un proceso llamado transcripción inversa para entregar un empaquetamiento genético en un vector. Por lo general, estos dispositivos son genes Pol-Gag del virus para el sistema Capsid y Delivery. Este proceso se denomina terapia génica retroviral y tiene la capacidad de rediseñar el ADN celular mediante el uso de vectores virales. Este enfoque ha aparecido en forma de sistemas de administración de genes retrovirales, adenovirales y lentivirales. Estos vectores de terapia génica se han utilizado en gatos para enviar genes al organismo modificado genéticamente (OMG), lo que hace que muestre el rasgo.

Impresión 3d
La impresión 3D es el proceso mediante el cual se construye una estructura tridimensional a través de los diversos procesos de fabricación aditiva. La impresión 3D a nanoescala implica muchos de los mismos procesos, incorporados a una escala mucho menor. Para imprimir una estructura en la escala de 5-400 µm, la precisión de la máquina de impresión 3D se ha mejorado enormemente. Se incorporó un proceso de impresión 3D en dos pasos, utilizando un método de impresión 3D y planchas grabadas con láser como técnica de mejora. Para ser más precisos a nanoescala, el proceso de impresión 3D utiliza una máquina de grabado láser, que graba en cada placa los detalles necesarios para el segmento de nanorobot. La placa se transfiere a la impresora 3D, que llena las regiones grabadas con la nanopartícula deseada. El proceso de impresión 3D se repite hasta que el nanorobot se construye de abajo hacia arriba. Este proceso de impresión 3D tiene muchos beneficios. En primer lugar, aumenta la precisión general del proceso de impresión. Segundo, tiene el potencial de crear segmentos funcionales de un nanorobot. La impresora 3D utiliza una resina líquida, que se endurece precisamente en los puntos correctos por un rayo láser enfocado. El punto focal del rayo láser es guiado a través de la resina por espejos móviles y deja una línea endurecida de polímero sólido, de unos pocos cientos de nanómetros de ancho. Esta resolución fina permite la creación de esculturas intrincadamente estructuradas tan pequeñas como un grano de arena. Este proceso se lleva a cabo mediante el uso de resinas fotoactivas, que son endurecidas por el láser a una escala extremadamente pequeña para crear la estructura. Este proceso es rápido por los estándares de impresión 3D a nanoescala. Se pueden crear características ultra pequeñas con la técnica de microfabricación 3D utilizada en la fotopolimerización multifotónica. Este enfoque utiliza un láser enfocado para rastrear el objeto 3D deseado en un bloque de gel. Debido a la naturaleza no lineal de la foto-excitación, el gel se cura hasta obtener un sólido solo en los lugares donde se enfocó el láser, mientras que el gel restante se elimina por lavado. Los tamaños de características de menos de 100 nm se producen fácilmente, así como estructuras complejas con piezas móviles y entrelazadas.

Usos potenciales

Nanomedicina
Los usos potenciales de los nanorobóticos en medicina incluyen el diagnóstico temprano y la administración dirigida de medicamentos para el cáncer, la instrumentación biomédica, la cirugía, la farmacocinética, el control de la diabetes y la atención médica.

En tales planes, se espera que la nanotecnología médica futura emplee nanorobots inyectados en el paciente para realizar trabajos a nivel celular. Dichos nanorobots destinados para uso en medicina no deben replicarse, ya que la replicación aumentaría innecesariamente la complejidad del dispositivo, reducirá la confiabilidad e interferirá con la misión médica.

La nanotecnología proporciona una amplia gama de nuevas tecnologías para el desarrollo de medios personalizados para optimizar el suministro de fármacos. Hoy en día, los efectos secundarios dañinos de los tratamientos, como la quimioterapia, suelen ser el resultado de los métodos de administración de fármacos que no identifican con precisión las células diana previstas. Los investigadores de Harvard y MIT, sin embargo, han podido unir hebras de ARN especiales, que miden casi 10 nm de diámetro, a nanopartículas, llenándolas con un medicamento de quimioterapia. Estas cadenas de ARN son atraídas por las células cancerosas. Cuando la nanopartícula se encuentra con una célula cancerosa, se adhiere a ella y libera el medicamento en la célula cancerosa. Este método dirigido de administración de medicamentos tiene un gran potencial para tratar a los pacientes con cáncer y, al mismo tiempo, evita los efectos negativos (comúnmente asociados con la administración inadecuada de medicamentos). La primera demostración de nanomotores que operan en organismos vivos se llevó a cabo en 2014 en la Universidad de California, San Diego. Las nanocápsulas guiadas por IRM son un posible precursor de los nanorobots.

Otra aplicación útil de nanorobots es ayudar en la reparación de células de tejido junto con glóbulos blancos. El reclutamiento de células inflamatorias o glóbulos blancos (que incluyen granulocitos neutrófilos, linfocitos, monocitos y mastocitos) en el área afectada es la primera respuesta de los tejidos a la lesión. Debido a su pequeño tamaño, los nanorobots podrían adherirse a la superficie de las células blancas reclutadas, para salir a través de las paredes de los vasos sanguíneos y llegar al sitio de la lesión, donde pueden ayudar en el proceso de reparación del tejido. Ciertas sustancias podrían ser utilizadas para acelerar la recuperación.

La ciencia detrás de este mecanismo es bastante compleja. El paso de células a través del endotelio sanguíneo, un proceso conocido como transmigración, es un mecanismo que involucra el acoplamiento de los receptores de la superficie celular a las moléculas de adhesión, el esfuerzo de fuerza activa y la dilatación de las paredes de los vasos y la deformación física de las células migratorias. Al unirse a las células inflamatorias migratorias, los robots pueden, en efecto, «engancharse» a través de los vasos sanguíneos, evitando la necesidad de un mecanismo de transmigración complejo propio.

A partir de 2016, en los Estados Unidos, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) regula la nanotecnología en función del tamaño.

Soutik Betal, durante su investigación doctoral en la Universidad de Texas, San Antonio desarrolló partículas de nanocompuestos que se controlan de forma remota mediante un campo electromagnético. Esta serie de nanorobots que ahora están inscritos en el Récord Mundial Guinness, se pueden utilizar para interactuar con las células biológicas. Los científicos sugieren que esta tecnología se puede utilizar para el tratamiento del cáncer.

Referencias culturales
Los nanites son personajes del programa de televisión Mystery Science Theatre 3000. Son organismos auto-replicantes y de bioingeniería que funcionan en la nave y residen en los sistemas informáticos de SOL. Hicieron su primera aparición en la temporada 8.

Los nanites se utilizan en varios episodios de la serie de Netflix «Travelers». Son programados e inyectados en personas lesionadas para realizar reparaciones.