Nanorrobótica

La robótica nanoide, o para abreviar, nanorrobótica o nanobótica, es un campo de tecnología emergente que crea máquinas o robots cuyos componentes están en o cerca de la escala de un nanómetro (10 metros). Más específicamente, la nanorobótica (a diferencia de la microrobótica) se refiere a la disciplina de ingeniería de nanotecnología 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. Los términos nanobot, nanoid, nanite, nanomachine y nanomite también se han utilizado para describir estos dispositivos que se encuentran actualmente en investigación y desarrollo.

Las nanomáquinas se encuentran en gran medida 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 la 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. La Universidad de Rice ha demostrado un automóvil de una sola molécula desarrollado por un proceso químico e incluye Buckminsterfullerenos (buckyballs) para ruedas. Se acciona 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 manipular con resolución a nanoescala. Dichos 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 se configura para realizar nanomanipulación. Desde este punto de vista, los robots a macroescala o microrobots que pueden moverse con precisión a nanoescala también pueden ser considerados nanorobots.

Teoría de la nanorobótica

Según Richard Feynman, fue su ex 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 ciertas máquinas de reparación podrían algún día reducirse en tamaño hasta el punto de que, en teoría, sería posible (como dijo Feynman) " tragarse al cirujano ". La idea se incorporó al ensayo de Feynman de 1959 Hay mucho espacio en el fondo.

Dado que los nano-robots serían de tamaño microscópico, probablemente sería necesario que un gran número de ellos trabajaran juntos para realizar tareas microscópicas y macroscópicas. Estos enjambres de nano-robots, tanto los que no pueden replicarse (como en la niebla de utilidad) como los que pueden replicarse sin restricciones en el entorno natural (como en la sustancia viscosa gris y la biología sintética), se encuentran en muchas historias de ciencia ficción, como el nano Borg -sondas en Star Trek y The Outer Limitsepisodio "La nueva raza". Algunos defensores de la nano-robótica, en reacción a los escenarios de baba gris que antes ayudaron a propagar, sostienen que los nano-robots capaces de replicarse fuera de un entorno de fábrica restringido no forman una parte necesaria de una supuesta nanotecnología productiva, y que el proceso de autorreplicación, si alguna vez se desarrollara, podría hacerse intrínsecamente seguro. Además, afirman que sus planes actuales para desarrollar y utilizar la fabricación molecular de hecho no incluyen replicadores de forrajeo libre.

Robert Freitas presentó una discusión teórica detallada de la nanorobótica, incluidos problemas de diseño específicos como la detección, la comunicación de energía, la navegación, la manipulación, la locomoción y la computación a bordo, en el contexto médico de la nanomedicina. Algunas de estas discusiones se mantienen en el nivel de generalidad inconstruible y no se acercan al nivel de ingeniería de detalle.

Implicaciones legales y éticas

Tecnología abierta

Se ha enviado 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 nanorobótica. El uso de la nanobiotecnología debe establecerse como un patrimonio humano para las próximas generaciones y desarrollarse como una tecnología abierta basada en prácticas éticas con fines pacíficos. La tecnología abierta se enuncia como clave fundamental para tal fin.

Carrera de nanorobots

De la misma manera que la investigación y el desarrollo tecnológico impulsaron la carrera espacial y la carrera armamentística nuclear, se está produciendo una carrera por los nanorobots. Hay mucho terreno que permite incluir a 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 comenzando a proponer formas de aplicar nanorobots para procedimientos médicos comunes; agencias gubernamentales otorgaron fondos a universidades e institutos de investigación por más de $ 2 mil millones para la investigación que desarrolla 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 vinculadas al monopolio. Recientemente se ha otorgado una gran cantidad 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 las corrientes, los campos tecnológicos emergentes 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 de manera cooperativa 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 que se aplican actualmente en la fabricación de nanorobots:

Biochip

El uso conjunto de nanoelectrónica, fotolitografía y nuevos biomateriales ofrece un posible enfoque para la fabricación de nanorobots para usos médicos comunes, como instrumentación quirúrgica, diagnóstico y administración de fármacos. Este método de fabricación a escala nanotecnológica está en uso en la industria electrónica desde 2008. Por lo tanto, los nanorobots prácticos deben 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 moléculas pequeñas, proteínas y otras moléculas de ADN. Las compuertas de circuitos biológicos basadas en materiales de ADN se han diseñado como máquinas moleculares para permitir la administración de fármacos in vitro para problemas de salud específicos. Dichos sistemas basados ​​en materiales funcionarían más de cerca con la administración de sistemas de fármacos biomateriales inteligentes, mientras que no permitirían la teleoperación in vivo precisa de tales prototipos diseñados.

Sistemas de superficie

Varios informes han demostrado la unión de motores moleculares sintéticos a las superficies. Se ha demostrado que estas nanomáquinas primitivas experimentan movimientos similares a los de una máquina cuando se limitan a la superficie de un material macroscópico. Los motores anclados en la superficie podrían potencialmente usarse 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 y que involucra a 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países, se enfoca en desarrollar una agenda de investigación práctica específicamente dirigida a desarrollar mecanosíntesis de diamantes controlada por posición y una nanofábrica de diamantes que tendría la capacidad de construir nanorobots médicos diamantados.

Biohíbridos

El campo emergente de los sistemas biohíbridos combina elementos estructurales biológicos y sintéticos para aplicaciones biomédicas o robóticas. Los elementos constitutivos de los sistemas bio-nanoelectromecánicos (BioNEMS) son de tamaño nanométrico, por ejemplo, ADN, proteínas o piezas mecánicas nanoestructuradas. La resistencia de haz de electrones de tiol-eno permite la escritura directa de características a nanoescala, seguida de la funcionalización de la superficie de resistencia nativa reactiva con biomoléculas. Otros enfoques utilizan un material biodegradable adherido a partículas magnéticas que les permiten ser guiadas por el 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 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 al fusionar una bacteria con un chip de computadora de silicio.

Basado en virus

Los retrovirus se pueden volver a entrenar para adherirse a las células y reemplazar el ADN. Pasan por un proceso llamado transcripción inversa para entregar el empaque 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 genéticamente modificado (OGM), 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 más pequeña. Para imprimir una estructura en la escala de 5-400 µm, la precisión de la máquina de impresión 3D debe mejorarse en gran medida. Se incorporó como técnica de mejora un proceso de dos pasos de impresión 3D, 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 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. En segundo lugar, 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 mediante un rayo láser enfocado. El punto focal del rayo láser es guiado a través de la resina por espejos móviles y deja atrás una línea endurecida de polímero sólido, de unos pocos cientos de nanómetros de ancho. Esta fina resolución permite la creación de esculturas intrincadamente estructuradas tan diminutas como un grano de arena. Este proceso se lleva a cabo mediante el uso de resinas fotoactivas, que se endurecen con láser a una escala extremadamente pequeña para crear la estructura. Este proceso es rápido según los estándares de impresión 3D a nanoescala. Las características ultrapequeñas se pueden hacer 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 a un sólido solo en los lugares donde se enfocó el láser, mientras que el gel restante luego se lava. Se producen fácilmente tamaños de características de menos de 100 nm, así como estructuras complejas con partes móviles e interconectadas.

Desafíos en el diseño de nanorobots

Hay una serie de desafíos y problemas que deben abordarse al diseñar y construir máquinas a nanoescala con partes móviles. La más obvia es la necesidad de desarrollar herramientas muy finas y técnicas de manipulación capaces de ensamblar nanoestructuras individuales con alta precisión en un dispositivo operativo. 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 nanoescala. Este enfoque no funcionará debido a la alta energía superficial de las nanoestructuras, lo que significa que todas las partes en contacto se unirán siguiendo el principio de minimización de energía. La adherencia y la fricción estática entre las partes pueden superar fácilmente la resistencia de los materiales, por lo que las partes se romperán antes de que comiencen 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 fármacos, "todavía queda un largo camino por recorrer antes de que se pueda lograr su comercialización y aplicaciones clínicas".

Usos potenciales

Nanomedicina

Los usos potenciales de la nanorobótica en la medicina incluyen el diagnóstico temprano y la administración de fármacos específicos para el cáncer, la instrumentación biomédica, la cirugía, la farmacocinética, el control de la diabetes y la atención de la salud.

En dichos planes, se espera que la futura nanotecnología médica emplee nanorobots inyectados en el paciente para realizar trabajo a nivel celular. Dichos nanorobots destinados al uso en medicina no deben 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 entrega de fármacos. Hoy en día, los efectos secundarios nocivos 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, los 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 medicamento de quimioterapia. Estas hebras de ARN son atraídas por las células cancerosas. Cuando la nanopartícula se encuentra con una célula cancerosa, se adhiere a ella y libera el fármaco en la célula cancerosa. Este método dirigido de administración de fármacos tiene un gran potencial para el tratamiento de pacientes con cáncer al mismo tiempo que evita los efectos negativos (comúnmente asociados con la administración inadecuada de fármacos).La primera demostración de nanomotores operando en organismos vivos se llevó a cabo en 2014 en la Universidad de California, San Diego. Las nanocápsulas guiadas por resonancia magnética son un precursor potencial 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. Ciertas sustancias posiblemente podrían usarse para acelerar la recuperación.

La ciencia detrás de este mecanismo es bastante compleja. El paso de las células a través del endotelio sanguíneo, un proceso conocido como transmigración, es un mecanismo que implica el compromiso de los receptores de la superficie celular con las moléculas de adhesión, el ejercicio de fuerza activa y la dilatación de las paredes de los vasos y la deformación física de las células que migran. Al adherirse a las células inflamatorias migratorias, los robots pueden, en efecto, "hacer autostop" 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 son controladas remotamente por un campo electromagnético. Esta serie de nanorobots que ahora están inscritos en el Guinness World Records, 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 creados con bioingeniería que se autorreplican y que trabajan en la nave y residen en los sistemas informáticos de SOL. Hicieron su primera aparición en la temporada 8. Los nanites se usan en varios episodios de la serie de Netflix "Travelers". Se programan e inyectan en personas lesionadas para realizar reparaciones. Primera aparición en la temporada 1

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

Los nanites (conocidos más a menudo como nanomáquinas) a menudo se mencionan en la serie "Metal Gear" de Konami y se utilizan para mejorar y regular las habilidades y las funciones corporales.

En los programas de televisión de la franquicia Star Trek, los nanitos juegan un importante dispositivo de 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 el daño a las partes orgánicas de un Borg. Generan nueva tecnología dentro de un Borg cuando es necesario, además de protegerlos de muchas formas de enfermedad.

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

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