Nanorobotica

La nanorobotica è un campo tecnologico emergente che crea macchine o robot i cui componenti sono in corrispondenza o in prossimità della scala di un nanometro (10-9 metri). Più specificamente, la nanorobotica (al contrario della microrobotica) si riferisce alla disciplina ingegneristica della nanotecnologia di progettazione e costruzione di nanorobot, con dispositivi di dimensioni comprese tra 0,1 e 10 micrometri e costruiti in nanoscala o componenti molecolari. I termini nanobot, nanoide, nanite, nanomachina o nanomite sono stati anche usati per descrivere tali dispositivi attualmente in fase di ricerca e sviluppo.

Le nanomacchine sono in gran parte in fase di ricerca e sviluppo, ma sono state testate alcune macchine molecolari primitive e nanomotori. Un esempio è un sensore con un interruttore di circa 1,5 nanometri, in grado di contare specifiche molecole in un campione chimico. Le prime applicazioni utili delle nanomacchine possono essere nella nanomedicina. Ad esempio, le macchine biologiche potrebbero essere utilizzate per identificare e distruggere le cellule tumorali. Un’altra potenziale applicazione è il rilevamento di sostanze chimiche tossiche e la misurazione delle loro concentrazioni nell’ambiente. La Rice University ha dimostrato un’auto monomolecolare sviluppata da un processo chimico e comprendente Buckminsterfullerenes (buckyballs) per ruote. Viene attivato controllando la temperatura ambientale e posizionando una punta del microscopio a scansione tunnel.

Un’altra definizione è un robot che consente interazioni precise con oggetti su scala nanometrica o può manipolare con una risoluzione su scala nanometrica. Tali dispositivi sono più legati alla microscopia o alla microscopia a scansione, invece della descrizione dei nanorobot come macchina molecolare. Utilizzando la definizione microscopica, anche un grande apparato come un microscopio a forza atomica può essere considerato uno strumento nanorobotico quando configurato per eseguire la nanomanipolazione. Per questo punto di vista, i robot macroscopici oi microrobot che possono muoversi con precisione su scala nanometrica possono anche essere considerati nanorobot.

Teoria della nanorobotica
Secondo Richard Feynman, fu il suo ex studente universitario e collaboratore Albert Hibbs a suggerirgli originariamente (circa nel 1959) l’idea di un uso medico per le micromacchine teoriche di Feynman (vedi nanomacchina). Hibbs ha suggerito che alcune macchine di riparazione potrebbero un giorno ridursi di dimensioni al punto che sarebbe, in teoria, possibile (come dice Feynman) “inghiottire il chirurgo”. L’idea è stata incorporata nel saggio di Feynman del 1959 There’s Plenty of Room in the Bottom.

Poiché i nanorobot sarebbero di dimensioni microscopiche, sarebbe probabilmente necessario che un numero molto grande di essi lavorasse insieme per eseguire compiti microscopici e macroscopici. Questi sciami di nanorobot, sia quelli incapaci di replicare (come nella nebbia di utilità) che quelli in grado di replicarsi senza restrizioni nell’ambiente naturale (come in grigio goo e le sue varianti meno comuni, come la biologia sintetica o la nebbia di utilità), si trovano in molte scienze storie di fantascienza, come le nanosonde di Borg in Star Trek e l’episodio di Outer Limits “The New Breed”.

Alcuni sostenitori di nanorobotica, in reazione agli scenari di goo grigio che in precedenza hanno contribuito a propagare, ritengono che i nanorobot in grado di replicarsi al di fuori di un ambiente industriale ristretto non costituiscano una parte necessaria di una presunta nanotecnologia produttiva e che il processo di l’autoreplicazione, se mai dovesse essere sviluppata, potrebbe essere resa intrinsecamente sicura. Essi affermano inoltre che i loro attuali piani per lo sviluppo e l’utilizzo della produzione molecolare non comprendono in realtà i replicatori di foraggiamento libero.

La discussione teorica più dettagliata sulla nanorobotica, compresi temi specifici di progettazione come il sensing, la comunicazione energetica, la navigazione, la manipolazione, la locomozione e la computazione a bordo, è stata presentata da Robert Freitas nel contesto medico della nanomedicina. Alcune di queste discussioni rimangono al livello di generalità unbuildable e non si avvicinano al livello di ingegneria dettagliata.

Implicazioni legali ed etiche

Tecnologia aperta
Un documento con una proposta sullo sviluppo di nanobiotecnologie che utilizza metodi di tecnologia open design, come l’hardware open source e il software open source, è stato indirizzato all’Assemblea generale delle Nazioni Unite. Secondo il documento inviato alle Nazioni Unite, nello stesso modo in cui l’open source ha accelerato negli ultimi anni lo sviluppo di sistemi informatici, un simile approccio dovrebbe avvantaggiare la società in generale e accelerare lo sviluppo di nanorobotics. L’uso della nanobiotecnologia dovrebbe essere stabilito come patrimonio umano per le generazioni future e sviluppato come una tecnologia aperta basata su pratiche etiche a scopi pacifici. La tecnologia aperta è indicata come una chiave fondamentale per tale scopo.

Razza nanorobotica
Nello stesso modo in cui la ricerca e lo sviluppo tecnologico hanno guidato la corsa allo spazio e la corsa agli armamenti nucleari, sta avvenendo una corsa per i nanorobot. Vi è abbondanza di terreno che consente ai nanorobot di essere inclusi tra le tecnologie emergenti. Alcuni dei motivi sono che le grandi aziende, come General Electric, Hewlett-Packard, Synopsys, Northrop Grumman e Siemens, hanno recentemente lavorato nello sviluppo e nella ricerca di nanorobot; i chirurghi vengono coinvolti e iniziano a proporre modi per applicare i nanorobot alle comuni procedure mediche; università e istituti di ricerca hanno ottenuto fondi da agenzie governative superiori a $ 2 miliardi verso la ricerca che sviluppa nanodispositivi per la medicina; i banchieri stanno anche investendo strategicamente con l’intento di acquisire in anticipo diritti e royalties sulla futura commercializzazione dei nanorobot. Alcuni aspetti del contenzioso su nanorobot e questioni connesse legate al monopolio sono già sorti. Recentemente un grande numero di brevetti è stato rilasciato su nanorobot, fatto per lo più per agenti di brevetti, società specializzate esclusivamente sulla costruzione di portafogli di brevetti e avvocati. Dopo una lunga serie di brevetti e, infine, controversie, si veda ad esempio l’invenzione di Radio, o la guerra di correnti, i campi tecnologici emergenti tendono a diventare un monopolio, che normalmente è dominato da grandi aziende.

Approcci di produzione
La produzione di nanomacchine assemblate da componenti molecolari è un compito molto impegnativo. A causa del livello di difficoltà, molti ingegneri e scienziati continuano a lavorare in modo cooperativo attraverso approcci multidisciplinari per ottenere risultati in questa nuova area di sviluppo. Pertanto, è abbastanza comprensibile l’importanza delle seguenti distinte tecniche attualmente applicate alla produzione di nanorobot:

biochip
L’uso congiunto di nanoelettronica, fotolitografia e nuovi biomateriali fornisce un possibile approccio alla produzione di nanorobot per usi medici comuni, quali strumentazione chirurgica, diagnosi e somministrazione di farmaci. Questo metodo per la produzione su scala nanotecnologica è in uso nel settore dell’elettronica dal 2008. Quindi, i nanorobot pratici dovrebbero essere integrati come dispositivi di nanoelettronica, che consentiranno la teleassistenza e capacità avanzate per la strumentazione medica.

Nubots
Un robot di acido nucleico (nubot) è una macchina molecolare organica su scala nanometrica. La struttura del DNA può fornire mezzi per assemblare dispositivi nanomeccanici 2D e 3D. Le macchine basate sul DNA possono essere attivate usando piccole molecole, proteine ​​e altre molecole di DNA. I cancelli dei circuiti biologici basati su materiali del DNA sono stati progettati come macchine molecolari per consentire la somministrazione di farmaci in-vitro per problemi di salute mirati. Tali sistemi basati sui materiali funzionerebbero più strettamente con l’erogazione di sistemi di farmaci biomateriali intelligenti, pur non consentendo una precisa teleoperazione in vivo di tali prototipi ingegnerizzati.

Sistemi di superficie
Diversi rapporti hanno dimostrato l’attaccamento di motori molecolari sintetici alle superfici. Queste nanomacchine primitive hanno dimostrato di subire movimenti simili a macchine quando sono confinate alla superficie di un materiale macroscopico. I motori ancorati in superficie potrebbero essere potenzialmente utilizzati per spostare e posizionare materiali su scala nanometrica su una superficie alla maniera di un nastro trasportatore.

Nanoassemblaggio posizionale
La Nanofactory Collaboration, fondata da Robert Freitas e Ralph Merkle nel 2000 e che coinvolge 23 ricercatori di 10 organizzazioni e 4 paesi, si concentra sullo sviluppo di un programma di ricerca pratico specificamente finalizzato allo sviluppo di meccanosintesi diamantata controllata a livello posizionale e una nanofactory diamondoide che avrebbe la capacità di costruire nanorobots medici diamondoidi.

Biohybrids
Il campo emergente dei sistemi bio-ibridi combina elementi strutturali biologici e sintetici per applicazioni biomediche o robotiche. Gli elementi costitutivi dei sistemi bio-nanoelettromeccanici (BioNEMS) sono di dimensioni su scala nanometrica, ad esempio DNA, proteine ​​o parti meccaniche nanostrutturate. Thiol-ene ebeam resist consente la scrittura diretta di caratteristiche su scala nanometrica, seguita dalla funzionalizzazione della superficie di resist di reattività nativa con biomolecole. Altri approcci utilizzano un materiale biodegradabile attaccato alle particelle magnetiche che consente loro di essere guidati intorno al corpo.

a base di batteri
Questo approccio propone l’uso di microrganismi biologici, come il batterio Escherichia coli e Salmonella typhimurium. Quindi il modello utilizza un flagello per scopi di propulsione. I campi elettromagnetici normalmente controllano il movimento di questo tipo di dispositivo biologico integrato. I chimici dell’Università del Nebraska hanno creato un misuratore di umidità fondendo un batterio con un chip di silicone.

Virus-based
I retrovirus possono essere riqualificati per attaccarsi alle cellule e sostituire il DNA. Passano attraverso un processo chiamato trascrizione inversa per fornire un imballaggio genetico in un vettore. Di solito, questi dispositivi sono i geni Pol – Gag del virus per il sistema Capsid and Delivery. Questo processo è chiamato terapia genica retrovirale, avendo la capacità di riprogettare il DNA cellulare mediante l’uso di vettori virali. Questo approccio è apparso sotto forma di sistemi di somministrazione di geni retrovirali, adenovirali e lentivirali. Questi vettori di terapia genica sono stati usati nei gatti per inviare geni nell’organismo geneticamente modificato (OGM), causandone la visualizzazione.

Stampa 3D
La stampa 3D è il processo attraverso il quale una struttura tridimensionale viene costruita attraverso i vari processi di produzione additiva. La stampa 3D su scala nanometrica coinvolge molti processi uguali, incorporati su scala molto più piccola. Per stampare una struttura nella scala 5-400 μm, la precisione della macchina da stampa 3D è notevolmente migliorata. Un processo in due fasi di stampa 3D, utilizzando un metodo di stampa 3D e lastre incise al laser, è stato incorporato come tecnica di miglioramento. Per essere più precisi su scala nanometrica, il processo di stampa 3D utilizza una macchina per incisione laser, che incide su ogni piastra i dettagli necessari per il segmento di nanorobot. La lastra viene quindi trasferita alla stampante 3D, che riempie le regioni incise con la nanoparticella desiderata. Il processo di stampa 3D viene ripetuto finché il nanorobot non viene costruito dal basso verso l’alto. Questo processo di stampa 3D ha molti vantaggi. Innanzitutto, aumenta la precisione complessiva del processo di stampa. Secondo, ha il potenziale per creare segmenti funzionali di un nanorobot. La stampante 3D utilizza una resina liquida, che viene indurita esattamente nei punti corretti da un raggio laser focalizzato. Il punto focale del raggio laser viene guidato attraverso la resina da specchi mobili e lascia una linea indurita di polimero solido, larga poche centinaia di nanometri. Questa risoluzione fine consente la creazione di sculture strutturate in modo complesso, piccole come un granello di sabbia. Questo processo avviene utilizzando resine fotoattive, che vengono indurite dal laser su una scala estremamente ridotta per creare la struttura. Questo processo è veloce grazie agli standard di stampa 3D su scala nanometrica. Le caratteristiche ultra-piccole possono essere realizzate con la tecnica di micro-fabbricazione 3D utilizzata nella fotopolimerizzazione multifotonica. Questo approccio utilizza un laser focalizzato per tracciare l’oggetto 3D desiderato in un blocco di gel. A causa della natura non lineare dell’eccitazione fotografica, il gel viene polimerizzato su un solido solo nei punti in cui il laser è stato focalizzato mentre il gel rimanente viene quindi lavato via. È possibile produrre facilmente dimensioni di dimensioni inferiori a 100 nm e strutture complesse con parti mobili e interbloccate.

Usi potenziali

nanomedicina
I potenziali usi della nanorobotica in medicina includono diagnosi precoce e somministrazione mirata di farmaci per cancro, strumentazione biomedica, chirurgia, farmacocinetica, monitoraggio del diabete e assistenza sanitaria.

In tali piani, si prevede che la futura nanotecnologia medica impieghi nanorobot iniettati nel paziente per svolgere attività a livello cellulare. Tali nanorobot destinati all’uso in medicina dovrebbero essere non replicanti, poiché la replicazione aumenterebbe inutilmente la complessità del dispositivo, ridurrebbe l’affidabilità e interferirebbe con la missione medica.

Le nanotecnologie offrono una vasta gamma di nuove tecnologie per lo sviluppo di mezzi personalizzati per ottimizzare la consegna di farmaci. Oggi, effetti collaterali dannosi di trattamenti come la chemioterapia sono comunemente il risultato di metodi di somministrazione di farmaci che non individuano con precisione le cellule bersaglio previste. I ricercatori di Harvard e del MIT, tuttavia, sono stati in grado di collegare speciali filamenti di RNA, con un diametro di quasi 10 nm, alle nanoparticelle, riempiendole con un farmaco chemioterapico. Questi filamenti di RNA sono attratti dalle cellule tumorali. Quando la nanoparticella incontra una cellula cancerosa, aderisce ad essa e rilascia il farmaco nella cellula tumorale. Questo metodo diretto di somministrazione di farmaci ha un grande potenziale per il trattamento di pazienti affetti da cancro, evitando al contempo effetti negativi (comunemente associati a somministrazione impropria di farmaci). La prima dimostrazione di nanomotori operanti in organismi viventi è stata effettuata nel 2014 presso l’Università della California, a San Diego. Le nanocapsule guidate da MRI sono un potenziale precursore dei nanorobot.

Un’altra utile applicazione dei nanorobot è l’assistenza nella riparazione delle cellule dei tessuti accanto ai globuli bianchi. Il reclutamento di cellule infiammatorie o di globuli bianchi (che includono granulociti neutrofili, linfociti, monociti e mastociti) nell’area colpita è la prima risposta dei tessuti alla lesione. A causa delle loro piccole dimensioni, i nanorobot potrebbero attaccarsi alla superficie dei globuli bianchi reclutati, spremersi attraverso le pareti dei vasi sanguigni e arrivare al sito della lesione, dove possono assistere nel processo di riparazione dei tessuti. Alcune sostanze potrebbero essere utilizzate per accelerare la ripresa.

La scienza alla base di questo meccanismo è piuttosto complessa. Il passaggio delle cellule attraverso l’endotelio del sangue, un processo noto come trasmigrazione, è un meccanismo che coinvolge l’impegno dei recettori della superficie cellulare verso le molecole di adesione, lo sforzo attivo della forza e la dilatazione delle pareti dei vasi e la deformazione fisica delle cellule in migrazione. Attaccandosi alle cellule infiammatorie in migrazione, i robot possono effettivamente “fare un passaggio” attraverso i vasi sanguigni, ignorando la necessità di un loro complesso meccanismo di trasmissione.

A partire dal 2016, negli Stati Uniti, la Food and Drug Administration (FDA) regola le nanotecnologie in base alle dimensioni.

Soutik Betal, durante la sua ricerca di dottorato presso l’Università del Texas, San Antonio ha sviluppato particelle nanocomposite che sono controllate a distanza da un campo elettromagnetico. Questa serie di nanorobots che sono ora inclusi nel Guinness World Record, può essere utilizzata per interagire con le cellule biologiche. Gli scienziati suggeriscono che questa tecnologia può essere utilizzata per il trattamento del cancro.

Riferimenti culturali
I Naniti sono personaggi del programma televisivo Mystery Science Theatre 3000. Sono organismi auto-replicanti e bio-ingegnerizzati che lavorano sulla nave e risiedono nei sistemi informatici di SOL. Hanno fatto la loro prima apparizione nella stagione 8.

I naniti sono usati in una serie di episodi della serie “Viaggiatori” di Netflix. Sono programmati e iniettati in persone ferite per eseguire riparazioni.