Nanorobotique

La nanorobotique est un domaine technologique émergent qui crée des machines ou des robots dont les composants sont proches de l’échelle d’un nanomètre (10−9 mètres). Plus spécifiquement, la nanorobotique (par opposition à la microrobotique) fait référence à la discipline d’ingénierie des nanotechnologies consistant à concevoir et à construire des nanorobots, avec des dispositifs allant de 0,1 à 10 micromètres et construits à partir de composants nanométriques ou moléculaires. Les termes nanobot, nanoïde, nanite, nanomachine ou nanomite ont également été utilisés pour décrire de tels dispositifs actuellement en recherche et développement.

Les nanomachines sont en grande partie en phase de recherche et développement, mais certaines machines et nanomoteurs moléculaires primitifs ont été testés. Un exemple est un capteur doté d’un commutateur d’environ 1,5 nanomètres, capable de compter des molécules spécifiques dans un échantillon chimique. Les premières applications utiles des nanomachines pourraient être en nanomédecine. Par exemple, des machines biologiques pourraient être utilisées pour identifier et détruire les cellules cancéreuses. Une autre application potentielle est la détection de produits chimiques toxiques et la mesure de leurs concentrations dans l’environnement. La Rice University a présenté une voiture monomoléculaire mise au point par un procédé chimique et comprenant des Buckminsterfullerenes (buckyballs) pour les roues. Il est activé en contrôlant la température ambiante et en positionnant une pointe de microscope à effet tunnel.

Une autre définition est un robot qui permet des interactions précises avec des objets à l’échelle nanométrique, ou peut manipuler avec une résolution à l’échelle nanométrique. De tels dispositifs sont davantage liés à la microscopie ou à la microscopie à sonde à balayage, au lieu de la description de nanorobots en tant que machine moléculaire. En utilisant la définition de la microscopie, même un grand appareil tel qu’un microscope à force atomique peut être considéré comme un instrument nanorobotique lorsqu’il est configuré pour effectuer une nanomanipulation. De ce point de vue, les robots à l’échelle macroscopique ou les microrobots pouvant se déplacer avec une précision à l’échelle nanométrique peuvent également être considérés comme des nanorobots.

Théorie de la nanorobotique
Selon Richard Feynman, c’est son ancien étudiant diplômé et collaborateur, Albert Hibbs, qui lui a suggéré à l’origine (vers 1959) l’idée d’une utilisation médicale des micromachines théoriques de Feynman (voir Nanomachine). Hibbs a suggéré de réduire un jour la taille de certaines machines de réparation au point qu’il serait théoriquement possible (comme le disait Feynman) “d’avaler le chirurgien”. L’idée a été intégrée à l’essai de Feynman de 1959 intitulé Il y a beaucoup de place en bas.

Les nanorobots étant de taille microscopique, il serait probablement nécessaire qu’un très grand nombre d’entre eux travaillent ensemble pour effectuer des tâches microscopiques et macroscopiques. Ces essaims de nanorobots, à la fois incapables de se reproduire (comme dans le brouillard des services publics) et capables de se reproduire sans contrainte dans l’environnement naturel (comme dans le goo gris et ses variantes moins courantes, telles que la biologie synthétique ou le brouillard des services publics), des histoires de fiction, telles que les nanosondes Borg dans Star Trek et l’épisode The Outer Limits “The New Breed”.

Certains partisans de la nanorobotique, en réaction aux scénarios de goo gris qu’ils ont précédemment contribué à propager, sont d’avis que les nanorobots capables de se répliquer en dehors d’un environnement de production restreint ne font pas partie intégrante d’une nanotechnologie supposée productive. l’auto-réplication, si elle devait jamais être développée, pourrait être rendue intrinsèquement sûre. Ils affirment en outre que leurs projets actuels de développement et d’utilisation de la fabrication moléculaire n’incluent en fait pas de réplicateurs en libre-échange.

La discussion théorique la plus détaillée sur la nanorobotique, y compris des problèmes de conception spécifiques tels que la détection, la communication de puissance, la navigation, la manipulation, la locomotion et le calcul embarqué, a été présentée par Robert Freitas dans le contexte médical de la nanomédecine. Certaines de ces discussions restent au niveau de la généralité imparable et ne se rapprochent pas du niveau d’ingénierie de détail.

Implications légales et éthiques

Technologie ouverte
L’Assemblée générale des Nations Unies a été saisie d’un document contenant une proposition sur le développement de nanobiotech utilisant des méthodes à technologie de conception ouverte, telles que du matériel à source ouverte et des logiciels à source ouverte. Selon le document envoyé aux Nations Unies, de la même manière que l’open source a accéléré le développement des systèmes informatiques ces dernières années, une approche similaire devrait bénéficier à la société dans son ensemble et accélérer le développement de la nanorobotique. L’utilisation des nanobiotechnologies devrait constituer un patrimoine humain pour les générations à venir et se développer comme une technologie ouverte basée sur des pratiques éthiques à des fins pacifiques. La technologie ouverte est considérée comme une clé fondamentale pour atteindre un tel objectif.

Course Nanorobot
De la même manière que la recherche et le développement technologiques ont conduit à la course à l’espace et à la course aux armements nucléaires, une course aux nanorobots est en cours. Il y a beaucoup de terrain permettant d’inclure des nanorobots parmi les technologies émergentes. Certaines des raisons sont que les grandes entreprises, telles que General Electric, Hewlett-Packard, Synopsys, Northrop Grumman et Siemens, ont récemment travaillé au développement et à la recherche de nanorobots; les chirurgiens s’impliquent et commencent à proposer des moyens d’appliquer des nanorobots à des procédures médicales courantes; les agences gouvernementales ont accordé aux universités et aux instituts de recherche des fonds supérieurs à 2 milliards de dollars pour la recherche sur le développement de nanodispositifs médicaux; Les banquiers investissent également de manière stratégique dans le but d’acquérir au préalable des droits et des redevances sur la commercialisation future de nanorobots. Certains aspects des litiges relatifs aux nanorobots et des questions connexes liées au monopole ont déjà été soulevés. Un grand nombre de brevets ont récemment été accordés sur des nanorobots, principalement pour des agents de brevets, des entreprises spécialisées uniquement dans la construction de portefeuilles de brevets et des avocats. Après une longue série de brevets et éventuellement de litiges, voir par exemple l’invention de la radio ou la guerre des courants, les domaines technologiques émergents tendent à devenir un monopole, qui est normalement dominé par de grandes entreprises.

Approches de fabrication
La fabrication de nanomachines assemblées à partir de composants moléculaires est une tâche très difficile. En raison du niveau de difficulté, de nombreux ingénieurs et scientifiques continuent à travailler en coopération selon des approches multidisciplinaires afin de réaliser des avancées dans ce nouveau domaine de développement. Il est donc tout à fait compréhensible de l’importance des techniques distinctes suivantes actuellement appliquées à la fabrication de nanorobots:

Biopuce
L’utilisation conjointe de la nanoélectronique, de la photolithographie et de nouveaux biomatériaux offre une approche possible pour la fabrication de nanorobots à des fins médicales courantes, telles que l’instrumentation chirurgicale, le diagnostic et la délivrance de médicaments. Cette méthode de fabrication à l’échelle nanotechnologique est utilisée dans l’industrie électronique depuis 2008. Ainsi, les nanorobots pratiques devraient être intégrés en tant que dispositifs nanoélectroniques, ce qui permettra une télé-opération et des capacités avancées pour l’instrumentation médicale.

Nubots
Un robot à acide nucléique (nubot) est une machine moléculaire organique à l’échelle nanométrique. La structure de l’ADN peut fournir un moyen d’assembler des dispositifs nanomécaniques 2D et 3D. Les machines basées sur l’ADN peuvent être activées à l’aide de petites molécules, de protéines et d’autres molécules d’ADN. Les portes de circuit biologiques basées sur des matériaux à base d’ADN ont été conçues comme des machines moléculaires pour permettre l’administration de médicaments in vitro pour des problèmes de santé ciblés. De tels systèmes basés sur des matériaux fonctionneraient plus étroitement pour une distribution intelligente de système de médicament à base de biomatériau, sans permettre une téléopération in vivo précise de tels prototypes modifiés.

Systèmes liés à la surface
Plusieurs rapports ont démontré la fixation de moteurs moléculaires synthétiques sur des surfaces. Il a été démontré que ces nanomachines primitives subissent des mouvements similaires à ceux d’une machine lorsqu’elles sont confinées à la surface d’un matériau macroscopique. Les moteurs ancrés en surface pourraient potentiellement être utilisés pour déplacer et positionner des matériaux nanométriques sur une surface à la manière d’une bande transporteuse.

Nanoassemblage positionnel
Nanofactory Collaboration, fondée par Robert Freitas et Ralph Merkle en 2000 et regroupant 23 chercheurs de 10 organisations et de 4 pays, porte sur l’élaboration d’un programme de recherche pratique visant spécifiquement à mettre au point une mécanosynthèse de diamant contrôlée par la position et une nanofabrique diamantoïde capable de construire nanorobots médicaux diamantoïdes.

Biohybrides
Le domaine émergent des systèmes bio-hybrides combine des éléments structurels biologiques et synthétiques pour des applications biomédicales ou robotiques. Les éléments constitutifs des systèmes bio-nanoélectromécaniques (BioNEMS) sont de taille nanométrique, par exemple de l’ADN, des protéines ou des pièces mécaniques nanostructurées. Le thiol-ene ebeam resist permet l’écriture directe de caractéristiques à l’échelle nanométrique, suivie de la fonctionnalisation de la surface du résist réactif natif avec des biomolécules. D’autres approches utilisent un matériau biodégradable attaché à des particules magnétiques qui leur permettent d’être guidées autour du corps.

À base de bactéries
Cette approche propose l’utilisation de microorganismes biologiques, tels que la bactérie Escherichia coli et Salmonella typhimurium. Ainsi, le modèle utilise un flagelle à des fins de propulsion. Les champs électromagnétiques contrôlent normalement le mouvement de ce type de dispositif biologique intégré. Des chimistes de l’Université du Nebraska ont créé une jauge d’humidité en fusionnant une bactérie avec une puce informatique en silicone.

À base de virus
Les retrovirus peuvent être recyclés pour se lier aux cellules et remplacer l’ADN. Ils passent par un processus appelé transcription inverse pour délivrer un emballage génétique dans un vecteur. Habituellement, ces dispositifs sont des gènes Pol-Gag du virus pour le système Capsid and Delivery. Ce processus s’appelle la thérapie génique rétrovirale, ayant la capacité de reconfigurer l’ADN cellulaire en utilisant des vecteurs viraux. Cette approche est apparue sous la forme de systèmes d’administration de gènes rétroviraux, adénoviraux et lentiviraux. Ces vecteurs de thérapie génique ont été utilisés chez le chat pour envoyer des gènes dans l’organisme génétiquement modifié (OGM), ce qui l’a amené à afficher le trait.

impression en 3D
L’impression 3D est le processus par lequel une structure tridimensionnelle est construite à travers les divers processus de fabrication additive. L’impression 3D à l’échelle nanométrique implique plusieurs processus identiques, incorporés à une échelle beaucoup plus petite. Pour imprimer une structure à l’échelle de 5 à 400 µm, la précision de la machine d’impression 3D est considérablement améliorée. Un processus d’impression 3D en deux étapes, utilisant une méthode d’impression 3D et de gravure au laser, a été intégré comme technique d’amélioration. Pour être plus précis à l’échelle nanométrique, le processus d’impression 3D utilise une machine de gravure laser, qui grave dans chaque plaque les détails nécessaires au segment de nanorobot. La plaque est ensuite transférée vers l’imprimante 3D, qui remplit les régions gravées avec la nanoparticule souhaitée. Le processus d’impression 3D est répété jusqu’à ce que le nanorobot soit construit de bas en haut. Ce processus d’impression 3D présente de nombreux avantages. Tout d’abord, cela augmente la précision globale du processus d’impression. Deuxièmement, il a le potentiel de créer des segments fonctionnels d’un nanorobot. L’imprimante 3D utilise une résine liquide, durcie précisément aux endroits appropriés par un faisceau laser focalisé. Le point focal du faisceau laser est guidé à travers la résine par des miroirs mobiles et laisse derrière lui une ligne durcie de polymère solide de quelques centaines de nanomètres de large. Cette résolution fine permet la création de sculptures à la structure complexe, aussi minuscules qu’un grain de sable. Ce processus utilise des résines photoactives, qui sont durcies au laser à très petite échelle pour créer la structure. Ce processus est rapide selon les normes d’impression 3D à l’échelle nanométrique. De très petites fonctionnalités peuvent être réalisées avec la technique de micro-fabrication 3D utilisée dans la photopolymérisation multiphotonique. Cette approche utilise un laser focalisé pour tracer l’objet 3D souhaité dans un bloc de gel. En raison de la nature non linéaire de la photo-excitation, le gel est durci uniquement aux endroits où le laser a été focalisé, le gel restant étant ensuite lavé. Des tailles de caractéristiques inférieures à 100 nm sont facilement produites, ainsi que des structures complexes avec des pièces mobiles et imbriquées.

Utilisations potentielles

Nanomédecine
Les utilisations potentielles des nanorobotiques en médecine comprennent le diagnostic précoce et l’administration ciblée de médicaments pour le cancer, l’instrumentation biomédicale, la chirurgie, la pharmacocinétique, la surveillance du diabète et les soins de santé.

Dans de tels plans, les nanotechnologies médicales futures devraient employer des nanorobots injectés au patient pour effectuer un travail au niveau cellulaire. Ces nanorobots destinés à être utilisés en médecine ne devraient pas être répliqués, car une telle réplication augmenterait inutilement la complexité du dispositif, réduirait la fiabilité et entraverait la mission médicale.

Les nanotechnologies fournissent un large éventail de nouvelles technologies permettant de développer des moyens personnalisés d’optimiser la distribution de médicaments. Aujourd’hui, les effets secondaires néfastes de traitements tels que la chimiothérapie résultent généralement de méthodes d’administration du médicament qui ne permettent pas d’identifier avec précision les cellules cibles. Des chercheurs de Harvard et du MIT ont toutefois été en mesure d’attacher des nanoparticules à des brins d’ARN spéciaux, mesurant près de 10 nm de diamètre, en les remplissant d’un médicament de chimiothérapie. Ces brins d’ARN sont attirés par les cellules cancéreuses. Lorsque la nanoparticule rencontre une cellule cancéreuse, elle y adhère et libère le médicament dans la cellule cancéreuse. Cette méthode d’administration ciblée offre un grand potentiel pour le traitement des patients atteints de cancer, tout en évitant les effets négatifs (généralement associés à une administration inappropriée). La première démonstration de nanomoteurs opérant dans des organismes vivants a été réalisée en 2014 à l’Université de Californie à San Diego. Les nanocapsules guidées par IRM sont un précurseur potentiel pour les nanorobots.

Une autre application utile des nanorobots est d’aider à la réparation des cellules tissulaires aux côtés des globules blancs. Le recrutement de cellules inflammatoires ou de globules blancs (comprenant des granulocytes, lymphocytes, monocytes et mastocytes neutrophiles) dans la zone touchée constitue la première réponse des tissus à une lésion. En raison de leur petite taille, les nanorobots pourraient se fixer à la surface des globules blancs recrutés afin de se frayer un chemin à travers les parois des vaisseaux sanguins et d’arriver au site de la lésion, où ils peuvent participer au processus de réparation des tissus. Certaines substances pourraient éventuellement être utilisées pour accélérer la récupération.

La science derrière ce mécanisme est assez complexe. Le passage des cellules à travers l’endothélium sanguin, processus connu sous le nom de transmigration, est un mécanisme impliquant l’engagement des récepteurs de la surface cellulaire vers les molécules d’adhésion, l’exercice d’une force active et la dilatation des parois du vaisseau et la déformation physique des cellules en migration. En s’attachant à des cellules inflammatoires en migration, les robots peuvent en réalité «franchir» les vaisseaux sanguins, évitant ainsi la nécessité d’un mécanisme de transmigration complexe.

Depuis 2016, aux États-Unis, la Food and Drug Administration (FDA) réglemente la nanotechnologie en fonction de sa taille.

Soutik Betal, au cours de son doctorat à l’Université du Texas, à San Antonio, a mis au point des particules nanocomposites contrôlées à distance par un champ électromagnétique. Cette série de nanorobots, désormais inscrits au Guinness World Record, peut être utilisée pour interagir avec les cellules biologiques. Les scientifiques suggèrent que cette technologie peut être utilisée pour le traitement du cancer.

Références culturelles
Les Nanites sont des personnages de la série télévisée Mystery Science Theatre 3000. Ce sont des organismes bio-conçus et reproductibles qui fonctionnent sur le navire et résident dans les systèmes informatiques du SOL. Ils ont fait leur première apparition dans la saison 8.

Les nanites sont utilisées dans plusieurs épisodes de la série “Les voyageurs” de Netflix. Ils sont programmés et injectés à des personnes blessées pour effectuer des réparations.