La nanorobótica es un campo de tecnología emergente que crea máquinas o robots cuyos componentes están en o cerca de la escala de un nanómetro (10 −9 metros). [1] [2] [3] Más específicamente, nanorobótica (a diferencia de microrobótica ) se refiere a la disciplina de ingeniería de nanotecnología de diseñar y construir nanorobots , con dispositivos que varían en tamaño de 0.1 a 10 micrómetros y construidos con componentes moleculares o a nanoescala . [4] [5] Los términos nanobot ,También se han utilizado nanoides , nanitos , nanomáquinas o nanomitas para describir estos dispositivos que se encuentran actualmente en investigación y desarrollo. [6] [7]
Las nanomáquinas se encuentran en gran parte en la fase de investigación y desarrollo , [8] 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 nanomedicina . Por ejemplo, [9] podrían usarse máquinas biológicas para identificar y destruir células cancerosas. [10] [11] 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 que incluye buckminsterfullerenos (buckyballs) para ruedas. Se activa controlando la temperatura ambiental y colocando una punta de microscopio de efecto túnel de barrido .
Otra definición [ ¿de quién? ] 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 los microrobots que pueden moverse con precisión a nanoescala también pueden considerarse nanorobots.
Teoría de la nanorobótica
Según Richard Feynman , fue su ex alumno de posgrado y colaborador Albert Hibbs quien originalmente le sugirió (alrededor de 1959) la idea de un uso médico para las micro-máquinas teóricas de Feynman (ver máquina biológica ). Hibbs sugirió que algunas máquinas de reparación podrían algún día reducir su 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 la parte inferior . [12]
Dado que los nano-robots serían de tamaño microscópico, probablemente sería necesario [¿ según quién? ] para que un gran número de ellos trabajen 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 el goo gris y la biología sintética ), se encuentran en muchas historias de ciencia ficción, como el nano Borg. -sondas en el episodio " The New Breed " de Star Trek y The Outer Limits . Algunos defensores de la nano-robótica, en reacción a los escenarios de sustancia pegajosa gris que anteriormente ayudaron a propagar, sostienen la opinión de 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 llegara a desarrollarse, podría hacerse intrínsecamente seguro. Afirman además que sus planes actuales para desarrollar y utilizar la fabricación molecular no incluyen de hecho replicadores de búsqueda de alimento libre. [13] [14]
Una discusión teórica detallada de nanorobótica, incluyendo problemas de diseño específicos, tales como la detección, la comunicación de energía, la navegación , la manipulación, la locomoción, y la computación a bordo, ha sido presentado en el contexto médico de la nanomedicina por Robert Freitas . [15] [16] Algunas de estas discusiones [ ¿cuáles? ] permanecen en el nivel de generalidad imposible de construir y no se acercan al nivel de la ingeniería de detalle.
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 la nanobiotecnología utilizando métodos de tecnología de diseño abierto , como en hardware y software de código abierto . [17] 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 patrimonio humano para las generaciones venideras 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 nanorobot
De la misma manera que la investigación y el desarrollo de tecnología impulsaron la carrera espacial y la carrera de armamentos nucleares , se está produciendo una carrera por los nanorobots. [18] [19] [20] [21] [22] Hay mucho terreno que permite incluir a los nanorobots entre las tecnologías emergentes . [23] 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 y la investigación de nanorobots; [24] [25] [26] [27] [28] los cirujanos se están involucrando y comienzan a proponer formas de aplicar nanorobots para procedimientos médicos comunes; [29] agencias gubernamentales otorgaron fondos a universidades e institutos de investigación por más de $ 2 mil millones para la investigación de desarrollo de nanodispositivos para la medicina; [30] [31] los banqueros también están invirtiendo estratégicamente con la intención de adquirir de antemano derechos y regalías sobre la comercialización futura de nanorobots. [32] Ya han surgido algunos aspectos del litigio de nanorobot y cuestiones relacionadas relacionadas con el monopolio. [33] [34] [35] Recientemente se ha concedido un gran número de patentes sobre nanorobots, principalmente 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, ver 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. [36]
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 en 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 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. [37] [38] [39] Este método de fabricación a escala nanotecnológica se utiliza en la industria electrónica desde 2008. [40] Por tanto, los nanorobots prácticos deberían integrarse como dispositivos nanoelectrónicos, lo que permitirá la teleoperación y capacidades avanzadas para instrumentación médica. [41] [42]
Nubots
Un robot de ácido nucleico (nubot) es una máquina molecular orgánica a nanoescala. [43] La estructura del ADN puede proporcionar un medio para ensamblar dispositivos nanomecánicos 2D y 3D. Las máquinas basadas en ADN se pueden activar utilizando pequeñas moléculas, proteínas y otras moléculas de ADN. [44] [45] [46] Las puertas del circuito biológico basadas en materiales de ADN se han diseñado como máquinas moleculares para permitir la administración de fármacos in vitro para problemas de salud específicos. [47] Dichos sistemas basados en materiales funcionarían más estrechamente con la entrega de sistemas de biomateriales inteligentes de fármacos, [48] sin permitir la teleoperación precisa in vivo de tales prototipos diseñados.
Sistemas de superficie
Varios informes han demostrado la unión de motores moleculares sintéticos a superficies. [49] [50] Se ha demostrado que estas nanomáquinas primitivas experimentan movimientos similares a las de una máquina cuando están confinadas 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.
Nanoconjunto posicional
Nanofábrica colaboración, [51] fundada por Robert Freitas y Ralph Merkle en 2000 y la participación de 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países, se centra en el desarrollo de una agenda de investigación práctica [52] específicamente destinado al desarrollo de diamantes controlado posicionalmente- mecanosíntesis y una diamondoid nanofábrica que tendría la capacidad de construir nanorobots médicos diamondoides.
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. Los resistores Thiol-eno e-beam permiten la escritura directa de características a nanoescala, seguida de la funcionalización de la superficie de resistencias reactivas de forma nativa con biomoléculas. [53] Otros enfoques utilizan un material biodegradable adherido a partículas magnéticas que les permiten ser guiadas alrededor del cuerpo. [54]
A base de bacterias
Este enfoque propone el uso de microorganismos biológicos, como la bacteria Escherichia coli [55] y Salmonella typhimurium . [56] Por lo tanto, el modelo utiliza un flagelo con fines de propulsión. Los campos electromagnéticos normalmente controlan el movimiento de este tipo de dispositivo biológico integrado. [57] Los químicos de la Universidad de Nebraska han creado un medidor de humedad fusionando una bacteria a un chip de computadora de silicona. [58]
Basado en virus
Los retrovirus se pueden volver a entrenar para que se adhieran a las células y reemplacen el ADN . Pasan por un proceso llamado transcripción inversa para entregar empaquetamiento genético en un vector . [59] 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 . [60] Este enfoque ha aparecido en forma de sistemas de administración de genes retrovirales , adenovirales y lentivirales . [61] [62] 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. [63]
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. Como técnica de mejora se incorporó un proceso de impresión 3D de dos pasos, que utiliza un método de impresión 3D y placas grabadas con láser. [64] 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. Primero, aumenta la precisión general del proceso de impresión. [ cita requerida ] En segundo lugar, tiene el potencial de crear segmentos funcionales de un nanorobot. [64] 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 una línea endurecida de polímero sólido, de solo unos pocos cientos de nanómetros de ancho. Esta fina resolución 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 según los estándares de impresión 3D a nanoescala. Se pueden realizar características ultrapequeñas 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 fotoexcitación, el gel se cura a un sólido solo en los lugares donde se enfocó el láser, mientras que el gel restante se elimina por lavado. Se producen fácilmente tamaños de elementos de menos de 100 nm, así como estructuras complejas con partes móviles y entrelazadas. [sesenta y cinco]
Usos potenciales
Nanomedicina
Los usos potenciales de la nanorobótica en medicina incluyen el diagnóstico temprano y la administración dirigida de fármacos para el cáncer , [66] [67] [68] instrumentación biomédica, [69] cirugía , [70] [71] farmacocinética , [10] monitoreo de la diabetes , [ 72] [73] [74] y atención médica.
En tales planes, se espera que la nanotecnología médica futura emplee nanorobots inyectados en el paciente para realizar un trabajo a nivel celular. Dichos nanorobots destinados a la medicina no deben ser replicables, 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 medicamentos farmacéuticos . Hoy en día, los efectos secundarios dañinos de tratamientos como la quimioterapia suelen ser el resultado de métodos de administración de fármacos que no identifican con precisión las células diana previstas. [75] Investigadores de Harvard y del MIT , sin embargo, han podido unir cadenas especiales de ARN , que miden casi 10 nm de diámetro, a nanopartículas, llenándolas con un fármaco de quimioterapia. Estas hebras 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. [76] Este método dirigido de administración de fármacos tiene un gran potencial para tratar a pacientes con cáncer al tiempo que evita los efectos negativos (comúnmente asociados con la administración inadecuada de fármacos). [75] [77] La primera demostración de nanomotores que operan en organismos vivos se llevó a cabo en 2014 en la Universidad de California, San Diego. [78] Las nanocápsulas guiadas por resonancia magnética son un precursor potencial de los nanorobots. [79]
Otra aplicación útil de los nanorobots es ayudar a reparar las células de los tejidos junto con los glóbulos blancos . [80] 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. [81] Debido a su pequeño tamaño, los nanorobots podrían adherirse a la superficie de los glóbulos blancos reclutados, 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. Es posible que se puedan utilizar determinadas sustancias 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 esfuerzo activo y la dilatación de las paredes de los vasos y la deformación física de las células migratorias. Al adherirse a las células inflamatorias que migran , los robots pueden, en efecto, "dar un paseo" a través de los vasos sanguíneos, evitando la necesidad de un complejo mecanismo de transmigración propio. [80]
A partir de 2016[actualizar], en los Estados Unidos, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) regula la nanotecnología en función del tamaño. [82]
Soutik Betal, durante su investigación doctoral en la Universidad de Texas, San Antonio desarrolló partículas nanocompuestas que son controladas de forma remota por un campo electromagnético . [83] Esta serie de nanorobots que ahora están incluidos en los récords mundiales Guinness , [83] se puede utilizar para interactuar con las células biológicas . [84] Los científicos sugieren que esta tecnología se puede utilizar para el tratamiento del cáncer . [85]
Referencias culturales
Los Nanites son personajes del programa de televisión Mystery Science Theatre 3000 . Son organismos autoreplicantes y de ingeniería biológica 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 programan e inyectan en personas lesionadas para realizar reparaciones. Primera aparición en la temporada 1
Los nanitos también aparecen en la expansión Rise of Iron 2016 para Destiny en la que SIVA, una nanotecnología autorreplicante, se utiliza como arma.
Los nanitos (a los que se hace referencia más a menudo como nanomáquinas) a menudo se mencionan en la serie "Metal Gear" de Konami que se utiliza para mejorar y regular las capacidades y las funciones corporales.
En la franquicia de Star Trek , los programas de televisión, los nanitos juegan un importante dispositivo de trama. Comenzando con Evolution 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 enfermedades.
Los nanitos juegan un papel en el videojuego Deus Ex, siendo la base de la tecnología de nano-aumento 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 utilizan para curar todas las lesiones no fatales, regular las funciones corporales y disminuir considerablemente el dolor.
Ver también
- Máquina molecular
- Sistemas nanoelectromecánicos
- Nanomotores
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Una revisión en nanorobótica - Departamento de Energía de EE. UU.