Nanorobótica

Robótica nanoide, o para abreviar, nanorobótica o nanorobótica, es un campo tecnológico emergente que crea máquinas o robots cuyos componentes están en o cerca de la escala de un nanómetro (10⁻⁹ metros). Más específicamente, la nanorobótica (a diferencia de la microrrobótica) se refiere a la disciplina de ingeniería nanotecnológica que consiste en diseñar y construir nanorobots con dispositivos que varían en tamaño de 0,1 a 10 micrómetros y construidos con componentes moleculares o a nanoescala. También se han utilizado los términos nanobot, nanoid, nanite, nanomachine y nanomite. para describir dichos dispositivos actualmente bajo investigación y desarrollo.

Las nanomáquinas se encuentran en gran parte en la fase de investigación y desarrollo, pero se han probado algunas máquinas moleculares y nanomotores primitivos. Un ejemplo es un sensor que tiene un interruptor de aproximadamente 1,5 nanómetros de ancho, capaz de contar moléculas específicas en la muestra química. Las primeras aplicaciones útiles de las nanomáquinas podrían ser la nanomedicina. Por ejemplo, se podrían utilizar 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. La Universidad Rice ha demostrado un automóvil de una sola molécula desarrollado mediante un proceso químico que incluye Buckminsterfullerenos (buckybolas) como ruedas. Se activa controlando la temperatura ambiental y colocando la punta de un microscopio de efecto túnel.

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

Teoría de la nanorobótica

Según Richard Feynman, fue su antiguo estudiante de posgrado y colaborador Albert Hibbs quien le sugirió originalmente (alrededor de 1959) la idea de un uso médico para las micromáquinas teóricas de Feynman. (ver máquina biológica). Hibbs sugirió que algún día algunas máquinas de reparación podrían reducirse de tamaño hasta el punto de que, en teoría, sería posible (como dijo Feynman) "tragarse al cirujano". La idea se incorporó al ensayo de estudio de caso de Feynman de 1959 Hay mucho espacio en la parte inferior.

Dado que los nanorobots serían de tamaño microscópico, probablemente sería necesario que un gran número de ellos trabajaran juntos para realizar tareas microscópicas y macroscópicas. Estos enjambres de nanorobots, tanto los que no pueden replicarse (como en la niebla de servicios públicos) como los que pueden replicarse sin restricciones en el entorno natural (como en la sustancia gris y la biología sintética), se encuentran en muchas historias de ciencia ficción, como la de los nano robots. -sondas en Star Trek y The Outer Limits episodio "The New Breed". Algunos defensores de la nanorobótica, en reacción a los escenarios grises que antes ayudaron a propagar, sostienen la opinión de que los nanorobots capaces de replicarse fuera de un entorno fabril restringido no forman una parte necesaria de una supuesta nanotecnología productiva, y que el proceso de autorreplicación, si alguna vez se desarrollara, podría volverse inherentemente seguro. Afirman además que sus planes actuales para desarrollar y utilizar la fabricación molecular no incluyen de hecho replicadores de libre búsqueda.

Robert Freitas ha presentado en el contexto médico de la nanomedicina una discusión teórica detallada sobre la nanorobótica, que incluye cuestiones de diseño específicas como la detección, la comunicación de energía, la navegación, la manipulación, la locomoción y la computación a bordo. Algunas de estas discusiones permanecen en el nivel de generalidad imposible de construir y no se acercan al nivel de ingeniería detallada.

Implicaciones legales y éticas

Tecnología abierta

Se ha dirigido a la Asamblea General de las Naciones Unidas un documento con una propuesta sobre el desarrollo de nanobiotecnología utilizando métodos de tecnología de diseño abierto, como en hardware y software de código abierto. 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 la nanorrobótica. El uso de la nanobiotecnología debe establecerse como patrimonio humano para las próximas generaciones y desarrollarse como una tecnología abierta basada en prácticas éticas con fines pacíficos. La tecnología abierta se plantea como clave fundamental para tal objetivo.

Carrera de nanorobots

De la misma manera que la investigación y el desarrollo tecnológico impulsaron la carrera espacial y la carrera armamentista nuclear, se está produciendo una carrera por los nanorobots. Hay mucho terreno que permite incluir los nanorobots entre las tecnologías emergentes. Algunas de las razones son que 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 empezando a proponer formas de aplicar nanorobots a procedimientos médicos comunes; agencias gubernamentales otorgaron fondos a universidades e institutos de investigación por más de 2 mil millones de dólares para la investigación del desarrollo de nanodispositivos para la medicina; Los banqueros también están invirtiendo estratégicamente con la intención de adquirir de antemano derechos y regalías sobre la futura comercialización de nanorobots. Ya han surgido algunos aspectos de los litigios sobre nanorobots y cuestiones relacionadas con el monopolio. Recientemente se ha concedido un gran número de patentes sobre nanorobots, en su mayoría para agentes de patentes, empresas especializadas únicamente en la creación de carteras de patentes y abogados. Después de una larga serie de patentes y eventualmente litigios, véase por ejemplo la invención de la radio o la guerra de corrientes, los campos tecnológicos emergentes tienden a convertirse en un monopolio, que normalmente está dominado por grandes corporaciones.

Enfoques de fabricación

Fabricar 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 tanto, es bastante comprensible la importancia de las siguientes técnicas distintas que se aplican actualmente en la fabricación de nanorobots:

Biochip

El uso conjunto de nanoelectrónica, fotolitografía y nuevos biomateriales proporciona un posible enfoque para fabricar nanorobots para usos médicos comunes, como instrumentación quirúrgica, diagnóstico y administración de medicamentos. Este método de fabricación a escala nanotecnológica se utiliza en la industria electrónica desde 2008. Por lo tanto, los nanorobots prácticos deberían integrarse como dispositivos nanoelectrónicos, lo que permitirá la teleoperación y capacidades avanzadas para la 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 se pueden activar utilizando pequeñas moléculas, proteínas y otras moléculas de ADN. Se han diseñado puertas de circuitos biológicos basados en materiales de ADN como máquinas moleculares para permitir la administración de fármacos in vitro para problemas de salud específicos. Estos sistemas basados en materiales funcionarían más estrechamente con la administración de sistemas de fármacos biomateriales inteligentes, aunque no permitirían una teleoperación precisa in vivo de dichos prototipos diseñados.

Sistemas de superficie

Varios informes han demostrado la unión de motores moleculares sintéticos a superficies. Se ha demostrado que estas nanomáquinas primitivas experimentan movimientos similares a los de una máquina cuando están confinadas 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 modo de cinta transportadora.

Nanoensamblaje posicional

Nanofactory Collaboration, fundada por Robert Freitas y Ralph Merkle en 2000 y en la que participan 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países, se centra en el desarrollo de una agenda de investigación práctica dirigida específicamente al desarrollo de una mecanosíntesis de diamantes controlada posicionalmente y una nanofábrica de diamantes que tendría la capacidad de construir nanorobots médicos diamantoides.

Biohíbridos

El campo emergente de los sistemas biohíbridos combina elementos estructurales biológicos y sintéticos para aplicaciones biomédicas o robóticas. Los elementos que constituyen los sistemas bionanoelectromecánicos (BioNEMS) son de tamaño nanoescalar, por ejemplo ADN, proteínas o piezas mecánicas nanoestructuradas. Los rayos electrónicos de tiol-eno permiten la escritura directa de características a nanoescala, seguida de la funcionalización de la superficie resistente nativamente reactiva con biomoléculas. Otros enfoques utilizan un material biodegradable adherido a partículas magnéticas que les permiten guiarse por el cuerpo.

Basada en bacterias

Este enfoque propone el uso de microorganismos biológicos, como la bacteria Escherichia coli y Salmonella typhimurium. Así, el modelo utiliza un flagelo con fines de propulsión. Los campos electromagnéticos normalmente controlan el movimiento de este tipo de dispositivo biológico integrado. Químicos de la Universidad de Nebraska han creado un medidor de humedad fusionando una bacteria a un chip de computadora de silicio.

Basado en virus

Se puede volver a entrenar a los retrovirus para que se adhieran a las células y reemplacen el ADN. Pasan por un proceso llamado transcripción inversa para entregar el empaquetado genético en un vector. Por lo general, estos dispositivos son genes Pol-Gag del virus para la cápside y el sistema de liberación. Este proceso se llama 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 genética se han utilizado en gatos para enviar genes al organismo genéticamente modificado (OGM), lo que hace que muestre el rasgo.

Nanorobots helicoidales magnéticos

La investigación ha llevado a la creación de partículas de sílice helicoidales recubiertas con materiales magnéticos que pueden maniobrarse mediante un campo magnético giratorio.

Estos nanorobots no dependen de reacciones químicas para alimentar su propulsión. Una bobina triaxial de Helmholtz puede proporcionar un campo giratorio dirigido en el espacio. Trabajos recientes han demostrado cómo se pueden utilizar estos nanomotores para medir la viscosidad de fluidos no newtonianos con una resolución de unas pocas micras. Esta tecnología promete la creación de un mapa de viscosidad dentro de las células y el medio extracelular. Se ha demostrado que estos nanorobots se mueven en la sangre. Recientemente, los investigadores han logrado mover de forma controlada estos nanorobots dentro de las células cancerosas, lo que les permite rastrear patrones dentro de una célula. Los nanorobots que se mueven a través del microambiente tumoral han demostrado la presencia de ácido siálico en la matriz extracelular secretada por el cáncer.

Impresión 3D

La impresión 3D es el proceso mediante el cual se construye una estructura tridimensional mediante 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 a 400 µm, es necesario mejorar enormemente la precisión de la máquina de impresión 3D. Como técnica de mejora se incorporó un proceso de impresión 3D en dos pasos, utilizando un método de impresión 3D y placas grabadas con láser. Para ser más precisos a nanoescala, el proceso de impresión 3D utiliza una máquina de grabado láser, que graba los detalles necesarios para los segmentos de nanorobots en cada placa. Luego, 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 se construye el nanorobot de abajo hacia arriba.

Este proceso de impresión 3D tiene muchos beneficios. Primero, aumenta la precisión general del proceso de impresión. En segundo lugar, tiene el potencial de crear segmentos funcionales de un nanorobot. La impresora 3D utiliza una resina líquida que se endurece exactamente en los puntos correctos mediante un rayo láser enfocado. El punto focal del rayo láser es guiado a través de la resina mediante espejos móviles y deja una línea endurecida de polímero sólido, de sólo unos pocos cientos de nanómetros de ancho. Esta fina resolución permite la creación de esculturas de estructura intrincada tan pequeñas como un grano de arena. Este proceso se lleva a cabo mediante el uso de resinas fotoactivas, que se endurecen mediante láser a una escala extremadamente pequeña para crear la estructura. Este proceso es rápido según los estándares de impresión 3D a nanoescala. Se pueden crear características ultrapequeñas con la técnica de microfabricación 3D utilizada en la fotopolimerización multifotónica. Este enfoque utiliza un láser enfocado para trazar el objeto 3D deseado en un bloque de gel. Debido a la naturaleza no lineal de la fotoexcitación, el gel se cura hasta convertirse en un sólido sólo en los lugares donde se enfocó el láser, mientras que el gel restante luego se elimina por lavado. Se producen fácilmente características de tamaños inferiores a 100 nm, así como estructuras complejas con piezas móviles y entrelazadas.

Desafíos en el diseño de nanorobots

Hay una serie de desafíos y problemas que deben abordarse al diseñar y construir máquinas a nanoescala con piezas móviles. La más obvia es la necesidad de desarrollar herramientas y técnicas de manipulación muy finas capaces de ensamblar nanoestructuras individuales con alta precisión en dispositivos operativos. Un desafío menos evidente está relacionado con las peculiaridades de la adhesión y la fricción a nanoescala. Es imposible tomar el diseño existente de un dispositivo macroscópico con partes móviles y simplemente reducirlo a la nanoescala. Este enfoque no funcionará debido a la alta energía superficial de las nanoestructuras, lo que significa que todas las partes en contacto se pegarán siguiendo el principio de minimización de energía. La adhesión y la fricción estática entre piezas pueden exceder fácilmente la resistencia de los materiales, por lo que las piezas se romperán antes de comenzar a moverse entre sí. Esto lleva a la necesidad de diseñar estructuras móviles con un área de contacto mínima [].

A pesar del rápido desarrollo de los nanorobots, la mayoría de los nanorobots diseñados para la administración de medicamentos, "todavía queda un largo camino por recorrer antes de que se puedan lograr su comercialización y aplicaciones clínicas".

Usos potenciales

Nanomedicina

Los usos potenciales de la nanorrobótica en medicina incluyen el diagnóstico temprano y la administración dirigida de medicamentos contra el cáncer, instrumentación biomédica, cirugía, farmacocinética, seguimiento de la diabetes y atención médica.

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

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

Otra aplicación útil de los 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 los glóbulos blancos reclutados, para abrirse camino 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. Posiblemente se podrían utilizar determinadas sustancias 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 implica la participación de receptores de la superficie celular en moléculas de adhesión, el ejercicio 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, de hecho, "hacer autostop" en una zona. a través de los vasos sanguíneos, evitando la necesidad de un complejo mecanismo de transmigración propio.

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

También se desarrollaron partículas nanocompuestas que se controlan remotamente mediante un campo electromagnético. Esta serie de nanorobots que ahora están inscritos en los Récords Mundiales Guinness se pueden utilizar para interactuar con las células biológicas. Los científicos sugieren que esta tecnología se puede utilizar para el tratamiento del cáncer.

Los nanorobots magnéticos han demostrado capacidades para prevenir y tratar bacterias resistentes a los antimicrobianos. Se ha propuesto la aplicación de implantes nanomotores para lograr una desinfección profunda de la dentina.

Referencias culturales

Los Nanites son personajes del programa de televisión Mystery Science Theatre 3000. Son organismos autorreplicantes creados mediante bioingeniería que trabajan en la nave y residen en los sistemas informáticos del SOL. Hicieron su primera aparición en la temporada 8. Los nanitos se utilizan en varios episodios de la serie de Netflix "Viajeros". Se programarán e inyectarán en personas heridas para realizar reparaciones. Primera aparición en la temporada 1.

Los nanocitos también aparecen en la expansión Rise of Iron 2016 para Destiny en la que SIVA, una nanotecnología autorreplicante, se utiliza como arma.

A menudo se hace referencia a los nanomáquinas (conocidas más a menudo como nanomáquinas) en el videojuego "Metal Gear" de Konami. Serie que se utiliza para mejorar y regular las habilidades y funciones corporales.

En los programas de televisión de la franquicia Star Trek, los nanocitos desempeñan un papel importante en la trama. Comenzando con "Evolución" En la tercera temporada de The Next Generation, Borg Nanoprobes realiza la función de mantener los sistemas cibernéticos Borg, así como reparar daños a las partes orgánicas de un Borg. Generan nueva tecnología dentro de un Borg cuando es necesario, además de protegerlos de muchas formas de enfermedades.

Los nanitos juegan un papel en el videojuego Deus Ex, siendo la base de la tecnología de nanoaumento que otorga a las personas aumentadas habilidades sobrehumanas.

Los nanocitos también se mencionan en la serie de libros Arc of a Scythe de Neal Shusterman y se utilizan para curar todas las lesiones no mortales, regular las funciones corporales y disminuir considerablemente el dolor.

Los nanocitos también son una parte integral de Stargate SG1 y Stargate Atlantis, donde se representan escenarios de sustancia gris.

Las nanomáquinas son fundamentales en la trama de la serie de libros Silo. Donde se utilizan como arma de destrucción masiva, se propagan por el aire y entran sin ser detectados en el cuerpo humano donde, al recibir una señal, matan al destinatario. Luego se utilizan para acabar con la mayoría de la raza humana.