Mehanički mikro i nanoroboti

(Slika 2. Mikrorobot Sveučilišta Cornell; desno je paramecijum) [3]

Korištenjem nanorobota i nanostrukture omogućilo bi se kontrolirano usmjeravanje događaja na staničnoj razini. Liječnici bi bili u mogućnosti liječiti i najkompliciranije, do sada neizlječive, bolesti. Zato se poduzimaju ogromni napori da se oni izrade

prof. dr. Gojko Nikolić

Nanorobotiku je pokrenuo nobelovac fizičar Richard Feynman 1959. godine. Najvažnije područje primjene nanorobotike je nanomedicina. Razmatra se primjena i u području svemirske tehnike i ekologije. Za nanorobote postoje razni nazivi: nanostrojevi, nanoboti, nanoidi, naniti ili nanomiti (engl. nanomachines, nanobots, nanoids, nanites, nanomites).

Mogućnosti njihove primjene u medicini su nevjerojatne. Zamišljeno je da u tijelu mogu uništavati sve viruse i bakterije, liječiti arteriosklerozu, izliječiti karcinom, dijabetes, spriječiti unutarnja krvarenja, mrviti bubrežne kamence, obavljati genetske terapije i općenito poboljšati zdravlje ljudi.

Nanomedicina omogućuje praćenje, popravak, izgradnju i upravljanje ljudskim biološkim sustavima na molekularnoj razini. Korištenjem nanorobota i nanostrukture omogućilo bi se kontrolirano usmjeravanje događaja na staničnoj razini. Ostvarilo bi se idealno ljudsko zdravlje i neograničeno širenje ljudskih sposobnosti. Liječnici bi bili u mogućnosti liječiti i najkompliciranije, do sada neizlječive, bolesti. Zato se poduzimaju ogromni napori da se oni izrade. Mnogobrojni instituti i znanstvenici rade na tom razvoju i svakodnevno se postižu zapaženi rezultati.

Mehanički i biološki nanoroboti

Izrada mikrorobota i nanorobota usmjerena je u više pravaca. Jedan je usmjeren prema izradi mehaničkih, često nazvanih i sintetičkih, nanorobota. Drugi pravac je usmjeren prema biološkim nanorobotima.

Mehanički nanoroboti su samostalni uređaji sa svojim izvorom energije i napajanjem. Imaju motore, senzore, manipulatore, neki oblik upravljačkog sustava ili računala, razne vrste aktuatora i sličnih uređaja te adekvatni program rada. Nužni su i senzori različitih vrsta koji pronalaze cilj. Sve to treba izraditi od nano komponenti.

Na internetu mogu se vidjeti crteži mnogih zamišljenih rješenja mehaničkih nanorobota koji po izgledu i načinu rada su minijaturni mehanički roboti. To su samo nerealne fantazije, ali ukazuje na razmišljanja o načinu djelovanja tih nanorobota preslikanih iz makro svijeta (slika 1). Međutim nanoroboti djeluju u mikro svijetu okruženi drugačijim uvjetima s drugim pravilima rada. Vrijede drugačiji zakoni fizike. Viskozne sile dominiraju nad inercijskim. Imaju veliki utjecaj mali Reynoldsovi brojevi i Brownova kretanja. Zbog toga kod istraživanja i konstrukcije trebaju se uzeti u obzir te specifičnosti.

Proizvodnja složenih mehaničkih nanorobota za sada je skoro nemoguća. Ipak postoje izvedena rješenja poput onog sa Sveučilišta Cornell objavljenog sredinom 2020. godine (slika 2). Veličine su 5 x 40 x 70 mikrometara, poput jednostaničnog organizma parameciuma (papučice).

Nanostrojevi se mogu graditi slaganjem atoma i molekula. To su najbolje pokazali Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart i Bernard L. Fering koji su od atoma složli najmanje vozilo i dobili Nobelovu nagradu za kemiju za 2016. godinu (slika 3a).

Pomak i slaganje molekula i atoma ostvaruje se Pretražnim mikroskopom s tuneliranjem (eng. Scanning tunnelling miscroscope –STM). Za njega je već razvijena umjetna inteligencija koja uči i temeljem iskustva odabire odgovarajući pomak i silu pokretanja.

Na molekularnoj razini, kako pokazuje slika 3b, postoji ideja o izradi laserskog motora. Sačinjen je od dvije ugljične nano cijevi – CNT. Rotacijsko kretanja ostvaruje se s jednim ili dva oscilirajuća laserska polja.

Tri vrste nehaničkih nanorobota

Najpoznatije su konstrukcije mehaničkih nanorobota koje je predložio Robert A. Freitas Jr. To su mehanički nanoroboti za medicinu. Razradio je tri vrste nanorobota: respirocite, mikrobivore i klotocite (engl. respirosite, microbivore, clottocytes). Detaljno je opisao njihovu konstrukciju, prikazao sve njihove dijelove i odredio osnovne mjere, kao i način rada. Ovi nanoboti trebali bi zamijeniti crvene i bijele krvne stanice te trombocite (slika 4).

Respirociti su hipotetički nanostrojevi čija je namjena ista kao i crvenih krvnih stanica – eritrocita (slika 4a). Nositelji su kisika i ugljičnog dioksida u krvotoku. Prema Freitasovoj konstrukciji sfernog su oblika s promjerom od 1 mikrometar kako bi mogli uči u sve kapilare. Bili bi manji 6 do 8 puta od ljudskih crvenih krvnih stanica.

Freitas je zamislio da njihova vanjska ljuska bude od diamondoidnog materijala kako bi izdržala visoki tlak kisika unutar tijela. Mogli bi sadržavati 236 puta više kisika i ugljičnog dioksida od crvenih krvnih stanica. Energija za rad s gorivnom ćelijom bila bi ostvarena korištenjem glukoze. Uz druge elemente koristili bi malo računalo za analizu podataka senzora i upravljanje protokom plina te raspodjelu energije. Računalo bi imao malu procesorsku snagu, te bi bilo smješteno zajedno s memorijom na prostor promjera od 124 nanometara.

Uništavaju bakterije, viruse i gljivice

Nanoboti mikrobivori, dimenzija 2 x 3,4 mikrometara, poput bijelih krvnih stanica – leukocita, uništavali bi patogene bakterije, viruse i gljivice (slika 4b). Uništavali bi ih »konzumiranjem« odnosno fagocitozom (grč. fagein, fag – jesti). Proces rada započeo bi vezivanjem antitijela na bakterije. Potom bi ih malim hvataljkama uvlačili u unutrašnjost nanorobota, gdje bi ih mehanički uništavali. To bi obavili za svega 30 sekundi. Mikrobivori bi mogli bitno pomoći ljudima ne samo kod svake infekcije već i za sprečavanje mogućih pandemija.

Istraživači Instituta Max Planck uspjeli su razvili staklene mikrobivore promjera 8 µm.

Nanoroboti – klotociti kao i trombociti zaustavljaju krvarenja zgrušavanjem krvi odnosno hemostazom (slika 4c).

Klotociti su također sfernog oblika, promjera oko 2 μm s vlaknastom mrežicom kompaktno presavijenoj na površini. Nadzorno računalo davalo bi nalog za brzo otvaranje mrežice u blizini ozlijeđene krvne žile. Vlakna mrežice su biološki razgradiva i, s vodom u plazmi, stvaraju ljepljivu vlaknastu mrežu. Hvataju crvene krvne stanice vezivanjem na antigene u njima. Sve se to odvija jako brzo i skoro trenutno zaustavlja krvarenje.

Kako je već rečeno, izuzetno je teško postojećim, pa i mikroproizvodnim procesima, izraditi mehaničke mikrorobote i nanorobote. Posebno teško je ispuniti zahtjev izrade velikog broja nanorobota. Razmišljanja idu prema stvaranju samogradivih nanorobota. Sve je to izuzetno teško za realizirati pa se posegnulo za već gotovim rješenjima u prirodi. Njihovom genetskom modifikacijom ili na drugi način koristili bi se za obavljanje namijenjenih im zadatka. O tim bionanorobotima u sljedećem članku.

---

*Reference:

[1] Chaudhari M.P., Hitesh L. Shekokare L.H. (2019): “NANOROBOTS: THE NEXT GENERATION MEDICINE’’, IAJPS 2019, 06 (11), 14827-14833, ISSN: 2349-7750

[2] Future Medical Technology, dostupno na http://www.futuretechnology500.com/index.php/future-medical-technology/, objavljeno 2019.

[3] Irving M. (2020): Microscopic robot would use laser pulses to walk through the body, dostupno na https://newatlas.com/robotics/microscopic-robot-laser-pulses-walk/, objavljeno 26.8.2020.

[4] Nobel Prize in Chemistry. Molecular Machines: Nobel Prize in Chemistry Awarded for Miniaturization, dostupno na https://schkola4kotovo.ru/en/nobelevskaya-premiya-po-himii-molekulyarnye-mashiny-nobelevskaya-premiya-po/, objavljeno 14.11.2019.

[5] Racheal (2019): What is Nanobots & Its Biggest Contribution in The Medical Industry, dostupno na https://robots.net/it/what-is-nanobots-and-its-biggest-contributions-in-the-medical-industry/, objavljeno 31.10.2019.