Sådan fungerer Nanorobots

Forestil dig at gå til lægen for at få behandling for en vedvarende feber. I stedet for at give dig en pille eller et skud, lægen henviser dig til et specielt medicinsk team, der implanterer en lille robot i din blodbanen. Robotten opdager årsagen til din feber, rejser til det relevante system og giver en dosis medicin direkte til det inficerede område.

Robotbilledgalleri

Robotten i denne illustration svømmer gennem arterierne og venerne ved hjælp af et par halebilleder. Se flere billeder af robotter.

Overraskende, vi er ikke så langt fra at se enheder som dette, der faktisk bruges i medicinske procedurer. De kaldes nanorobotter, og ingeniørteam rundt om i verden arbejder på at designe robotter, der i sidste ende vil blive brugt til at behandle alt fra hæmofili til kræft.

Større er ikke altid bedre I 1959, Richard Feynman, en ingeniør hos CalTech, udsendt en udfordring til ingeniører overalt. Han ville have nogen til at bygge en arbejdsmotor, der kunne passe inden for en terning på 1/64 tommer på hver side. Hans håb var, at ved at designe og bygge sådan en motor, ingeniører ville udvikle nye produktionsmetoder, der kunne bruges inden for det nye område inden for nanoteknologi. I 1960, Bill McLellan tog prisen, have bygget en arbejdsmotor efter de korrekte specifikationer. Feynman tildelte prisen, selvom McLellan byggede motoren i hånden uden at udtænke nye produktionsmetoder.

Som du kan forestille dig, de udfordringer ingeniører står over for er skræmmende. En levedygtig nanorobot skal være lille og smidig nok til at navigere gennem det menneskelige kredsløb, et utroligt komplekst netværk af vener og arterier. Robotten skal også have kapacitet til at bære medicin eller miniatureværktøjer. Forudsat at nanoroboten ikke er beregnet til at blive i patienten for evigt, den skal også kunne komme ud af værten.

Videogalleri:Robots &Rovers

• Hvordan Spirit Exploration Rover fungerer Video
  
• Robot videoafspilningsliste
  
• Afspilningsliste med robotik
  

I denne artikel, vi lærer om de potentielle anvendelser af nanorobots, de forskellige måder nanorobots vil navigere og bevæge sig gennem vores kroppe, de værktøjer, de vil bruge til at helbrede patienter, fremgangsteamene rundt om i verden har gjort hidtil, og hvad teoretikere ser i fremtiden.

I det næste afsnit, vi lærer om de tilstande og sygdomme, nanorobots vil behandle i fremtiden.

Indhold

1. Tag to robotter og ring til mig om morgenen
2. Nanorobot -navigation
3. Tænd for Nanorobot
4. Nanorobot bevægelse
5. Teeny, Små værktøjer
6. Nanorobots:I dag og i morgen

Tag to robotter og ring til mig om morgenen

Rigtigt realiseret, nanorobots vil være i stand til at behandle en lang række sygdomme og tilstande. Selvom deres størrelse betyder, at de kun kan bære meget små nyttelaster af medicin eller udstyr, mange læger og ingeniører mener, at den præcise anvendelse af disse værktøjer vil være mere effektiv end mere traditionelle metoder. For eksempel, en læge kan levere et kraftigt antibiotikum til en patient gennem en sprøjte for at hjælpe hans immunsystem. Antibiotikummet bliver fortyndet, mens det bevæger sig gennem patientens blodbaner, forårsager kun noget af det gør det til infektionsstedet. Imidlertid, en nanorobot - eller et team af nanorobotter - kunne rejse direkte til infektionsstedet og levere en lille dosis medicin. Patienten vil potentielt få færre bivirkninger af medicinen.

Flere ingeniører, forskere og læger mener, at nanorobot -applikationer praktisk talt er ubegrænsede. Nogle af de mest sandsynlige anvendelser omfatter:

• Behandling af åreforkalkning :Arteriosklerose refererer til en tilstand, hvor plaque bygger sig op ad arterievæggene. Nanorobots kunne tænkes at behandle tilstanden ved at skære pladen væk, som derefter ville komme ind i blodbanen.
  
  Nanorobots kan behandle tilstande som åreforkalkning ved fysisk at skære pladen væk langs arterievæggene.

• Afbrydelse af blodpropper :Blodpropper kan forårsage komplikationer lige fra muskeldød til slagtilfælde. Nanorobots kunne rejse til en blodprop og bryde den op. Denne applikation er en af ​​de farligste anvendelser for nanorobotter - robotten skal kunne fjerne blokering uden at miste små stykker i blodbanen, som derefter kunne rejse andre steder i kroppen og forårsage flere problemer. Robotten skal også være lille nok, så den ikke blokerer selve blodstrømmen.
• Bekæmpelse af kræft :Læger håber at bruge nanorobots til behandling af kræftpatienter. Robotterne kunne enten angribe tumorer direkte ved hjælp af lasere, mikrobølger eller ultralydssignaler, eller de kan være en del af en kemoterapibehandling, levere medicin direkte til kræftstedet. Læger mener, at ved at levere små, men præcise doser medicin til patienten, bivirkninger minimeres uden tab af medicinens effektivitet.
• Hjælper kroppen med at størkne :En særlig slags nanorobot er clottocyt , eller kunstig trombocyt. Clottocytten bærer et lille netnet, der opløses i en klæbrig membran ved kontakt med blodplasma. Ifølge Robert A. Freitas, Jr., manden, der designede clottocytten, koagulation kan være op til 1, 000 gange hurtigere end kroppens naturlige koagulationsmekanisme [kilde:Freitas]. Læger kunne bruge clottocytter til behandling af hæmofili eller patienter med alvorlige åbne sår.
• Fjernelse af parasitter :Nanorobotter kunne føre mikrokrig mod bakterier og små parasitære organismer inde i en patient. Det kan tage flere nanorobotter, der arbejder sammen for at ødelægge alle parasitterne.
• Urinsyregigt :Gigt er en tilstand, hvor nyrerne mister evnen til at fjerne affald fra nedbrydning af fedt fra blodbanen. Dette affald krystalliserer nogle gange på steder nær led som knæ og ankler. Mennesker, der lider af gigt, oplever intense smerter ved disse led. En nanorobot kunne bryde de krystallinske strukturer ved leddene, giver lindring af symptomerne, selvom det ikke ville være i stand til at vende tilstanden permanent.
• At bryde nyresten :Nyresten kan være intens smertefuldt - jo større sten jo sværere er det at passere. Læger bryder store nyresten op ved hjælp af ultralydsfrekvenser, men det er ikke altid effektivt. En nanorobot kunne bryde en nyresten op ved hjælp af en lille laser.
  
  Nanorobots kan bære små ultralydssignalgeneratorer til at levere frekvenser direkte til nyresten.

• Rengøring af sår :Nanorobots kan hjælpe med at fjerne snavs fra sår, reducere sandsynligheden for infektion. De ville være særligt nyttige i tilfælde af punkteringssår, hvor det kan være svært at behandle ved hjælp af mere konventionelle metoder.

I det næste afsnit, vi vil se, hvordan nanorobots navigerer gennem kredsløbssystemet.

Nanorobot -navigation

Der er tre hovedovervejelser, forskere skal fokusere på, når de ser på nanorobotter, der bevæger sig gennem kroppen - navigation , strøm og hvordan nanoroboten bevæger sig gennem blodkar. Nanoteknologer ser på forskellige muligheder for hver af disse overvejelser, der hver især har positive og negative aspekter. De fleste muligheder kan opdeles i en af ​​to kategorier:eksterne systemer og indbyggede systemer.

Eksterne navigationssystemer kan bruge en række forskellige metoder til at styre nanoroboten til den rigtige placering. En af disse metoder er at bruge ultralydssignaler at registrere nanorobots placering og lede den til den rigtige destination. Læger ville stråle ultralydssignaler ind i patientens krop. Signalerne ville enten passere gennem kroppen, reflektere tilbage til signalkilden, eller begge. Nanoroboten kunne udsende pulser af ultralydssignaler, som læger kunne opdage ved hjælp af specielt udstyr med ultralydssensorer. Læger kunne holde styr på nanorobots placering og manøvrere den til den højre del af patientens krop.

Foto høflighed NASA
Nogle forskere planlægger at kontrollere og power nanorobots ved hjælp af MR -enheder som denne.

Brug af en Magnetic Resonance Imaging (MRI) enhed, læger kunne lokalisere og spore en nanorobot ved at detektere dets magnetfelt. Læger og ingeniører ved Ecole Polytechnique de Montreal demonstrerede, hvordan de kunne opdage, spore, kontrollere og endda drive en nanorobot ved hjælp af MR. De testede deres fund ved at manøvrere en lille magnetisk partikel gennem en grises arterier ved hjælp af specialiseret software på en MR -maskine. Fordi mange hospitaler har MR -maskiner, dette kan blive branchestandarden - hospitaler behøver ikke at investere i dyre, uprøvede teknologier.

Læger kan også spore nanorobots ved at injicere et radioaktivt farvestof i patientens blodbaner. De ville derefter bruge et fluoroskop eller lignende enhed til at detektere det radioaktive farvestof, når det bevæger sig gennem kredsløbssystemet. Komplekse tredimensionelle billeder vil indikere, hvor nanoroboten er placeret. Alternativt kan nanoroboten kunne udsende det radioaktive farvestof, skabe en vej bagved den, når den bevæger sig gennem kroppen.

Andre metoder til at opdage nanoroboten omfatter brug af røntgenstråler, radiobølger, mikrobølgeovn eller varme. Lige nu, vores teknologi, der bruger disse metoder på objekter i nanostørrelse, er begrænset, så det er meget mere sandsynligt, at fremtidige systemer vil stole mere på andre metoder.

Indbyggede systemer, eller interne sensorer, kan også spille en stor rolle i navigationen. En nanorobot med kemiske sensorer kunne registrere og følge sporet af bestemte kemikalier for at nå det rigtige sted. En spektroskopisk sensor ville give nanoroboten mulighed for at tage prøver af omgivende væv, analysere dem og følge en vej til den rigtige kombination af kemikalier.

Svært som det kan være at forestille sig, nanorobots kan omfatte et miniaturefjernsynskamera. En operatør på en konsol vil kunne styre enheden, mens han ser et live videofeed, manuelt at navigere gennem kroppen. Kamerasystemer er ret komplekse, så det kan tage et par år, før nanoteknologer kan oprette et pålideligt system, der kan passe ind i en lille robot.

I det næste afsnit, vi ser på nanorobot -energisystemer.

Tænd for Nanorobot

Ligesom navigationssystemerne, nanoteknologer overvejer både eksterne og interne strømkilder. Nogle designs er afhængige af, at nanoroboten bruger patientens egen krop som en måde at generere strøm på. Andre designs omfatter en lille strømkilde ombord på selve robotten. Endelig, nogle designs bruger kræfter uden for patientens krop til at drive robotten.

Nanorobotter kunne få strøm direkte fra blodbanen. En nanorobot med monterede elektroder kunne danne et batteri ved hjælp af elektrolytterne i blodet. En anden mulighed er at skabe kemiske reaktioner med blod for at forbrænde det for energi. Nanoroboten ville indeholde en lille forsyning af kemikalier, der ville blive en brændstofkilde, når den kombineres med blod.

En nanorobot kunne bruge patientens kropsvarme til at skabe kraft, men der skulle være en gradient af temperaturer for at styre det. Elproduktion ville være et resultat af Seebeck effekt . Seebeck -effekten opstår, når to ledere af forskellige metaller er forbundet på to punkter, der holdes ved to forskellige temperaturer. Metallederne bliver et termoelement, hvilket betyder, at de genererer spænding, når krydset er ved forskellige temperaturer. Da det er svært at stole på temperaturgradienter i kroppen, det er usandsynligt, at vi vil se mange nanorobotter bruge kropsvarme til strøm.

Selvom det måske er muligt at oprette batterier, der er små nok til at passe ind i en nanorobot, de ses generelt ikke som en levedygtig strømkilde. Problemet er, at batterier leverer en relativt lille mængde strøm relateret til deres størrelse og vægt, så et meget lille batteri ville kun give en brøkdel af den effekt, en nanorobot ville have brug for. En mere sandsynlig kandidat er en kondensator, som har et lidt bedre effekt-til-vægt-forhold.

© Fotograf:Newstocker I Agency:Dreamstime.com
Ingeniører arbejder på at bygge mindre kondensatorer, der driver teknologi som nanorobots.
En anden mulighed for nanorobotkraft er at bruge en atomkraftkilde. Tanken om en lille robot drevet af atomkraft giver nogle mennesker viljestyrke, men husk på, at mængden af ​​materiale er lille, og ifølge nogle eksperter, let at afskærme [kilde:Rubinstein]. Stadig, offentlige meninger om atomkraft gør denne mulighed i bedste fald usandsynlig.

Eksterne strømkilder omfatter systemer, hvor nanoroboten enten er bundet til omverdenen eller styres uden en fysisk tether. Tilknyttede systemer ville have brug for en ledning mellem nanoroboten og strømkilden. Tråden skulle være stærk, men det ville også være nødvendigt at bevæge sig ubesværet gennem menneskekroppen uden at forårsage skade. En fysisk binding kan levere strøm enten via elektricitet eller optisk. Optiske systemer bruger lys gennem fiberoptik, som derefter skulle konverteres til elektricitet ombord på robotten.

Den piezoelektriske effekt Nogle krystaller får en elektrisk ladning, hvis du anvender kraft på dem. Omvendt hvis du påfører en af ​​disse krystaller elektrisk ladning, det vil vibrere som følge heraf, afgiver ultralydssignaler. Kvarts er nok den mest kendte krystal med piezoelektriske effekter.

Eksterne systemer, der ikke bruger tinder, kan stole på mikrobølger, ultralydssignaler eller magnetiske felter. Mikrobølger er mindst sandsynlige, da stråling af dem ind i en patient ville resultere i beskadiget væv, da patientens krop ville absorbere de fleste mikrobølger og varme op som følge heraf. En nanorobot med en piezoelektrisk membran kunne opfange ultralydssignaler og konvertere dem til elektricitet. Systemer, der anvender magnetfelter, ligesom den læger eksperimenterer med i Montreal, kan enten manipulere nanoroboten direkte eller fremkalde en elektrisk strøm i en lukket ledende sløjfe i robotten.

I det næste afsnit, vi vil se på nanorobot fremdriftssystemer.

Nanorobot bevægelse

Forudsat at nanoroboten ikke er bundet eller designet til at flyde passivt gennem blodbanen, det har brug for et fremdriftsmiddel for at komme rundt i kroppen. Fordi det måske skal rejse mod blodstrømmen, fremdriftssystemet skal være relativt stærkt i forhold til sin størrelse. En anden vigtig overvejelse er patientens sikkerhed - systemet skal være i stand til at flytte nanoroboten rundt uden at forårsage skade på værten.

Nogle forskere ser på verden af ​​mikroskopiske organismer for inspiration. Paramecium bevæger sig gennem deres miljø ved hjælp af små halelignende lemmer kaldet cilia . Ved at vibrere cilia, paramecium kan svømme i enhver retning. Ligner cilia er flagella , som er længere halestrukturer. Organismer pisker flageller rundt på forskellige måder at bevæge sig på.

Nanorobot -designere ser nogle gange på mikroskopiske organismer for fremdriftsinspiration, som flagellum på denne e-coli-celle.
Forskere i Israel skabte mikrorobot , en robot kun få millimeter i længden, som bruger små vedhæng til at gribe og kravle gennem blodkar. Forskerne manipulerer armene ved at oprette magnetfelter uden for patientens krop. Magnetfelterne får robotens arme til at vibrere, skubber den yderligere gennem blodkarrene. Forskerne påpeger, at fordi al energien til nanoroboten kommer fra en ekstern kilde, der er ikke behov for en intern strømkilde. De håber, at det relativt enkle design vil gøre det let at bygge endnu mindre robotter.

Andre enheder lyder endnu mere eksotisk. Man ville bruge kondensatorer til at generere magnetfelter, der ville trække ledende væsker gennem den ene ende af en elektromagnetisk pumpe og skyde den ud bagenden. Nanoroboten ville bevæge sig rundt som et jetfly. Miniaturiseret jetpumper kunne endda bruge blodplasma til at skubbe nanoroboten fremad, selvom, i modsætning til den elektromagnetiske pumpe, der skulle være bevægelige dele.

En anden potentiel måde nanorobotter kan bevæge sig på er ved hjælp af en vibrerende membran. Ved skiftevis at stramme og afslappe spændinger på en membran, en nanorobot kunne generere små mængder tryk. På nanoskala, dette tryk kan være betydeligt nok til at fungere som en levedygtig kilde til bevægelse.

I det næste afsnit, vi ser på de værktøjer, nanorobotter kan bære for at udføre deres medicinske missioner.

Teeny, Små værktøjer

Foto høflighed Garrigan.net
Nanorobot -værktøjer bliver nødt til det være lille nok til at manipulere celler som disse røde blodlegemer.
Nuværende mikrorobotter er kun få millimeter lange og cirka en millimeter i diameter. Sammenlignet med nanoskalaen, det er enormt-et nanometer er kun en milliarddel af en meter, mens en millimeter er en tusindedel af en meter. Fremtidige nanorobots vil være så små, du vil kun kunne se dem ved hjælp af et mikroskop. Nanorobot -værktøjer skal være endnu mindre. Her er et par af de ting, du måske finder i en nanorobots værktøjskasse:

• Medicinsk hulrum - en hul sektion inde i nanoroboten kan indeholde små doser medicin eller kemikalier. Robotten kunne frigive medicin direkte til stedet for skade eller infektion. Nanorobots kan også bære de kemikalier, der bruges i kemoterapi til behandling af kræft direkte på stedet. Selvom mængden af ​​medicin er relativt lille, at anvende det direkte på kræftvævet kan være mere effektivt end traditionel kemoterapi, som er afhængig af kroppens kredsløbssystem til at transportere kemikalierne gennem patientens krop.
• Prober , knive og mejsler - for at fjerne blokeringer og plak, en nanorobot skal bruge noget til at gribe og nedbryde materiale. De kan også have brug for en enhed til at knuse blodpropper i meget små stykker. Hvis en delvis blodprop bryder fri og kommer ind i blodbanen, det kan forårsage flere problemer længere nede i kredsløbssystemet.
• Mikrobølgeudsendere og ultralydsgeneratorer - at ødelægge kræftceller læger har brug for metoder, der vil dræbe en celle uden at ødelægge den. En sprængt kræftcelle kan frigive kemikalier, der kan få kræften til at sprede sig yderligere. Ved at bruge finjusterede mikrobølger eller ultralydssignaler, en nanorobot kunne bryde de kemiske bindinger i kræftcellen, dræbe den uden at bryde cellevæggen. Alternativt kan robotten kunne udsende mikrobølger eller ultralydssignaler for at opvarme kræftcellen nok til at ødelægge den.
• Elektroder - to elektroder, der stikker ud fra nanoroboten, kan dræbe kræftceller ved at generere en elektrisk strøm, opvarmning af cellen, indtil den dør.
• Lasere -- lille bitte, kraftige lasere kan brænde skadeligt materiale væk som arteriel plak, kræftceller eller blodpropper. Laserne ville bogstaveligt talt fordampe vævet.

De to største udfordringer og bekymringer, forskere har vedrørende disse små værktøjer, gør dem effektive og gør dem sikre. For eksempel, at skabe en lille laser, der er kraftig nok til at fordampe kræftceller, er en stor udfordring, men at designe det, så nanoroboten ikke skader omgivende sundt væv, gør opgaven endnu vanskeligere. Mens mange videnskabelige teams har udviklet nanoroboter, der er små nok til at komme ind i blodbanen, det er kun det første skridt til at gøre nanorobots til en rigtig medicinsk applikation.

I det næste afsnit, vi lærer om, hvor nanorobot -teknologien er i dag, og hvor den kan være i fremtiden.

Nanorobots:I dag og i morgen

Hold rundt om i verden arbejder på at skabe den første praktiske medicinske nanorobot. Robotter, der spænder fra en millimeter i diameter til en relativt kraftig to centimeter lang, eksisterer allerede, selvom de stadig er i testfasen af ​​udviklingen og ikke er blevet brugt på mennesker. Vi er sandsynligvis flere år væk fra at se nanoroboter komme ind på det medicinske marked. Dagens mikrorobotter er bare prototyper, der mangler evnen til at udføre medicinske opgaver.

Yoshikazu Tsuno/AFP/Getty Images
Selvom denne 2 centimeter lange robot er en imponerende præstation, fremtidige robotter vil være hundredvis gange mindre.
I fremtiden, nanorobots kunne revolutionere medicin. Læger kunne behandle alt fra hjertesygdomme til kræft ved hjælp af små robotter på størrelse med bakterier, en skala meget mindre end nutidens robotter. Robotter kan arbejde alene eller i teams for at udrydde sygdom og behandle andre tilstande. Nogle mener, at semiautonome nanorobotter er lige rundt om hjørnet - læger ville implantere robotter, der kunne patruljere et menneskes krop, reagerer på eventuelle problemer, der dukker op. I modsætning til akut behandling, disse robotter ville blive i patientens krop for evigt.

En anden potentiel fremtidig anvendelse af nanorobot-teknologi er at ombygge vores kroppe til at blive resistente over for sygdomme, øge vores styrke eller endda forbedre vores intelligens. Dr. Richard Thompson, en tidligere professor i etik, har skrevet om de etiske konsekvenser af nanoteknologi. Han siger, at det vigtigste værktøj er kommunikation, og at det er afgørende for lokalsamfund, medicinske organisationer og regeringen for at tale om nanoteknologi nu, mens industrien stadig er i sin vorden.

Vil vi en dag få tusinder af mikroskopiske robotter til at haste rundt i vores årer, foretage korrektioner og helbrede vores nedskæringer, blå mærker og sygdomme? Med nanoteknologi, det virker som om alt er muligt.

For at lære mere om nanoteknologi, følg linkene på den næste side.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer blod
• Sådan fungerer kræft
• Sådan fungerer nanoteknologi
• Sådan fungerer kvantecomputere
• Sådan fungerer Robonauts
• Sådan fungerer robotter

Flere store links

• GoRobotics.net
• Robotiske tendenser
• Robots.net
• Robotics Institute i Carnegie Mellon

Kilder

• Barker, Veronique. "Fantastisk rejse - fra fiktion til virkelighed." innovation Canada.ca. Juli-august 2007, Udgave 29.
• Cavalcanti, Adriano, et al. "Nanorobot til behandling af patienter med arteriel okklusion." Procedurer for virtuelt koncept, 2006. Cancun, Mexico.
• Cavalcanti, Adriano. "Nanorobotik." NanoScience i dag. 13. september kl. 2004. http://www.geocities.com/cbicpg/nanoscience/NST2004/nanorobots.htm
• Freitas, Robert A. "Clottocytter:Kunstige mekaniske blodplader." Institut for Molekylær Fremstilling. http://www.imm.org/publicatoins/reports/rep018/
• Griml, Fyr. "Israelske forskere afslører mini-robot, der kan rejse gennem blodbanen." Haaretz.com. 17. juli kl. 2007. http://wwwhaaretz.com/hasen/spages/875277.html
• Hyperfysik. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
• Introduktion til termoelektrisk. http://www.thermoelectrics.com/introduction.htm
• "Israelske forskere opfinder den mindste robot til at levere medicin gennem blodkar." China View. 27. juni kl. 2007. http://news.xinhuanet.com/english/2007-06/27/content_6300084.htm
• Ridder, Vilje. "Narkotika leveret af robotter i blodet." NewScientist.com. Oktober, 2004. www.newscientist.com/article/dn6474.html
• Mavroidis, Constantinos, Ph.d. "Bio-Nano-maskiner til rumapplikationer." Institut for Mekanik og Industri, Nordøstlige universitet, Boston, Massachusetts. September, 2004. http://www.niac.usra.edu/files/library/meetings/annual/oct04/
  914Mavroidis.pdf
• Rubinstein, Leslie. "En praktisk NanoRobot til behandling af forskellige medicinske problemer." Fremsyn Nanotech Institute. http://www.foresight.org/conference/MNT8/Papers/Rubinstein/index.html
• "Technion -forskere finder en måde at flytte svømmerobot gennem menneskekroppen." Pressemeddelelse fra Technion University. 29. oktober kl. 2006. http://pard.technion.ac.il/archives/presseng/Html/PR_
  svømmereENG_29_10.Html
• Thompson, Richard E., MD "Nanoteknologi:Science Fiction? Eller den næste udfordring for etiske udvalg?" Din læge Executive. Maj/juni 2007.