Imagínese ir al médico para recibir tratamiento para una fiebre persistente. En lugar de darle una pastilla o una inyección, el médico lo deriva a un equipo médico especial que implanta un pequeño robot en su torrente sanguíneo. El robot detecta la causa de tu fiebre. viaja al sistema apropiado y proporciona una dosis de medicamento directamente al área infectada.
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El robot de esta ilustración nada a través de las arterias y venas utilizando un par de apéndices de la cola.
Asombrosamente, no estamos tan lejos de ver dispositivos como este realmente utilizados en procedimientos médicos. Se les llama nanorobots y los equipos de ingenieros de todo el mundo están trabajando para diseñar robots que eventualmente se usarán para tratar todo, desde la hemofilia hasta el cáncer.
Como puedes imaginar, los desafíos a los que se enfrentan los ingenieros son abrumadores. Un nanorobot viable tiene que ser lo suficientemente pequeño y ágil para navegar a través del sistema circulatorio humano, una red increíblemente compleja de venas y arterias. El robot también debe tener la capacidad de transportar medicamentos o herramientas en miniatura. Suponiendo que el nanorobot no debe permanecer en el paciente para siempre, también tiene que poder salir del host.
Galería de videos:Robots y RoversEn este articulo, aprenderemos sobre las posibles aplicaciones de los nanorobots, las diversas formas en que los nanorobots navegarán y se moverán a través de nuestros cuerpos, las herramientas que utilizarán para curar a los pacientes, el progreso que los equipos de todo el mundo han logrado hasta ahora y lo que los teóricos ven en el futuro.
En la siguiente sección, aprenderemos sobre las afecciones y enfermedades que los nanorobots tratarán en el futuro.
Contenido
Realizado correctamente, Los nanorobots podrán tratar una gran cantidad de enfermedades y afecciones. Si bien su tamaño significa que solo pueden transportar cargas útiles muy pequeñas de medicamentos o equipos, muchos médicos e ingenieros creen que la aplicación precisa de estas herramientas será más eficaz que los métodos más tradicionales. Por ejemplo, un médico puede administrar un antibiótico poderoso a un paciente a través de una jeringa para ayudar a su sistema inmunológico. El antibiótico se diluye mientras viaja por el torrente sanguíneo del paciente, causando que sólo una parte llegue al punto de infección. Sin embargo, un nanorobot, o equipo de nanorobots, podría viajar directamente al punto de infección y administrar una pequeña dosis de medicamento. El paciente potencialmente sufriría menos efectos secundarios por la medicación.
Varios ingenieros, Los científicos y los médicos creen que las aplicaciones de los nanorobot son prácticamente ilimitadas. Algunos de los usos más probables incluyen:
Los nanorobots pueden tratar afecciones como la arteriosclerosis al eliminar físicamente la placa a lo largo de las paredes de las arterias.
Los nanorobots pueden llevar pequeños generadores de señales ultrasónicas para transmitir frecuencias directamente a los cálculos renales.
En la siguiente sección, Veremos cómo los nanorobots navegarán por el sistema circulatorio.
Hay tres consideraciones principales en las que los científicos deben enfocarse cuando observan los nanorobots que se mueven a través del cuerpo: navegación , poder y cómo se moverá el nanorobot a través de los vasos sanguíneos. Los nanotecnólogos están buscando diferentes opciones para cada una de estas consideraciones, cada uno de los cuales tiene aspectos positivos y negativos. La mayoría de las opciones se pueden dividir en una de dos categorías:sistemas externos y sistemas integrados.
Los sistemas de navegación externos pueden usar una variedad de métodos diferentes para pilotar el nanorobot a la ubicación correcta. Uno de estos métodos es utilizar señales ultrasónicas para detectar la ubicación del nanorobot y dirigirlo al destino correcto. Los médicos transmitían señales ultrasónicas al cuerpo del paciente. Las señales pasarían a través del cuerpo, reflejarse en la fuente de las señales, o ambos. El nanorobot podría emitir pulsos de señales ultrasónicas, que los médicos podrían detectar utilizando equipos especiales con sensores ultrasónicos. Los médicos podrían realizar un seguimiento de la ubicación del nanorobot y maniobrarlo hacia la parte correcta del cuerpo del paciente.
Foto cortesía de la NASA.
Algunos científicos planean controlar
Usando un dispositivo de resonancia magnética (MRI), los médicos podrían localizar y rastrear un nanorobot detectando su campo magnético. Los médicos e ingenieros de la Ecole Polytechnique de Montreal demostraron cómo podían detectar, pista, controlar e incluso propulsar un nanorobot mediante resonancia magnética. Probaron sus hallazgos maniobrando una pequeña partícula magnética a través de las arterias de un cerdo utilizando un software especializado en una máquina de resonancia magnética. Debido a que muchos hospitales tienen máquinas de resonancia magnética, esto podría convertirse en el estándar de la industria:los hospitales no tendrán que invertir en costosos, tecnologías no probadas.
Los médicos también pueden rastrear nanorobots inyectando un tinte radiactivo en el torrente sanguíneo del paciente. Luego usarían un fluoroscopio o un dispositivo similar para detectar el tinte radiactivo a medida que se mueve a través del sistema circulatorio. Imágenes tridimensionales complejas indicarían dónde se encuentra el nanorobot. Alternativamente, el nanorobot podría emitir el tinte radiactivo, creando un camino detrás de él a medida que se mueve a través del cuerpo.
Otros métodos para detectar el nanorobot incluyen el uso de rayos X, ondas de radio, microondas o calor. Ahora, nuestra tecnología que utiliza estos métodos en objetos de tamaño nanométrico es limitada, por lo que es mucho más probable que los sistemas futuros dependan más de otros métodos.
Sistemas a bordo, o sensores internos, también podría desempeñar un papel importante en la navegación. Un nanorobot con sensores químicos podría detectar y seguir el rastro de sustancias químicas específicas para llegar a la ubicación correcta. Un sensor espectroscópico permitiría al nanorobot tomar muestras del tejido circundante, analícelos y siga el camino de la combinación correcta de productos químicos.
Por difícil que sea imaginarlo, Los nanorobots pueden incluir una cámara de televisión en miniatura. Un operador en una consola podrá dirigir el dispositivo mientras ve una transmisión de video en vivo, navegando a través del cuerpo manualmente. Los sistemas de cámara son bastante complejos, por lo que podrían pasar algunos años antes de que los nanotecnólogos puedan crear un sistema confiable que pueda caber dentro de un pequeño robot.
En la siguiente sección, veremos los sistemas de energía de nanorobot.
Al igual que los sistemas de navegación, los nanotecnólogos están considerando fuentes de energía tanto externas como internas. Algunos diseños se basan en el nanorobot que utiliza el propio cuerpo del paciente como una forma de generar energía. Otros diseños incluyen una pequeña fuente de energía a bordo del propio robot. Finalmente, algunos diseños utilizan fuerzas externas al cuerpo del paciente para impulsar el robot.
Los nanorobots podrían obtener energía directamente del torrente sanguíneo. Un nanorobot con electrodos montados podría formar una batería utilizando los electrolitos que se encuentran en la sangre. Otra opción es crear reacciones químicas con la sangre para quemarla y obtener energía. El nanorobot contendría una pequeña cantidad de productos químicos que se convertirían en una fuente de combustible cuando se combinaran con sangre.
Un nanorobot podría usar el calor corporal del paciente para generar energía, pero sería necesario un gradiente de temperaturas para manejarlo. La generación de energía sería el resultado de la Efecto Seebeck . El efecto Seebeck ocurre cuando dos conductores hechos de diferentes metales se unen en dos puntos que se mantienen a dos temperaturas diferentes. Los conductores metálicos se convierten en un termopar, lo que significa que generan voltaje cuando las uniones están a diferentes temperaturas. Dado que es difícil confiar en los gradientes de temperatura dentro del cuerpo, Es poco probable que veamos a muchos nanorobots utilizar el calor corporal para obtener energía.
Si bien es posible crear baterías lo suficientemente pequeñas como para caber dentro de un nanorobot, generalmente no se los considera una fuente de energía viable. El problema es que las baterías suministran una cantidad relativamente pequeña de energía en relación con su tamaño y peso, por lo que una batería muy pequeña solo proporcionaría una fracción de la energía que necesitaría un nanorobot. Un candidato más probable es un condensador, que tiene una relación peso-potencia ligeramente mejor.
© Fotógrafo:Newstocker I Agencia:Dreamstime.com
Los ingenieros están trabajando en la construcción de condensadores más pequeños que alimentarán tecnologías como los nanorobots.
Otra posibilidad para la energía de nanorobot es utilizar una fuente de energía nuclear. La idea de un pequeño robot propulsado por energía nuclear hace que algunas personas se pongan nerviosos, pero tenga en cuenta que la cantidad de material es pequeña y, según algunos expertos, fácil de proteger [fuente:Rubinstein]. Todavía, Las opiniones públicas sobre la energía nucleoeléctrica hacen que, en el mejor de los casos, esta posibilidad sea poco probable.
Las fuentes de energía externas incluyen sistemas en los que el nanorobot está atado al mundo exterior o se controla sin una atadura física. Los sistemas conectados necesitarían un cable entre el nanorobot y la fuente de energía. El cable tendría que ser fuerte pero también necesitaría moverse sin esfuerzo a través del cuerpo humano sin causar daño. Una atadura física podría suministrar energía eléctrica u ópticamente. Los sistemas ópticos utilizan luz a través de fibra óptica, que luego tendría que convertirse en electricidad a bordo del robot.
Los sistemas externos que no usan ataduras podrían depender de microondas, señales ultrasónicas o campos magnéticos. Las microondas son las menos probables, ya que transmitirlos a un paciente daría como resultado tejido dañado, ya que el cuerpo del paciente absorbería la mayoría de las microondas y se calentaría como resultado. Un nanorobot con una membrana piezoeléctrica podría captar señales ultrasónicas y convertirlas en electricidad. Sistemas que utilizan campos magnéticos, como el que están experimentando los médicos en Montreal, puede manipular el nanorobot directamente o inducir una corriente eléctrica en un bucle conductor cerrado en el robot.
En la siguiente sección, veremos los sistemas de propulsión de nanorobot.
Suponiendo que el nanorobot no esté atado o diseñado para flotar pasivamente a través del torrente sanguíneo, necesitará un medio de propulsión para moverse por el cuerpo. Debido a que puede tener que viajar en contra del flujo de sangre, el sistema de propulsión tiene que ser relativamente fuerte para su tamaño. Otra consideración importante es la seguridad del paciente:el sistema debe poder mover el nanorobot sin causar daños al anfitrión.
Algunos científicos buscan inspiración en el mundo de los organismos microscópicos. El paramecio se mueve a través de su entorno utilizando pequeñas extremidades en forma de cola llamadas cilios . Vibrando los cilios, el paramecio puede nadar en cualquier dirección. Similar a los cilios son flagelos , que son estructuras de cola más largas. Los organismos azotan los flagelos de diferentes maneras para moverse.
Los diseñadores de nanorobot a veces miran organismos microscópicos como inspiración para la propulsión, como el flagelo de esta célula de e-coli.
Los científicos de Israel crearon microrobot , un robot de solo unos pocos milímetros de longitud, que utiliza pequeños apéndices para agarrarse y arrastrarse a través de los vasos sanguíneos. Los científicos manipulan los brazos creando campos magnéticos fuera del cuerpo del paciente. Los campos magnéticos hacen vibrar los brazos del robot, empujándolo más a través de los vasos sanguíneos. Los científicos señalan que debido a que toda la energía del nanorobot proviene de una fuente externa, no es necesaria una fuente de alimentación interna. Esperan que el diseño relativamente simple facilite la construcción de robots aún más pequeños.
Otros dispositivos suenan aún más exóticos. Uno usaría condensadores para generar campos magnéticos que tirarían de fluidos conductores a través de un extremo de un bomba electromagnética y dispara por la parte de atrás. El nanorobot se movería como un avión a reacción. Miniaturizado bombas de chorro incluso podría usar plasma sanguíneo para empujar al nanorobot hacia adelante, aunque, a diferencia de la bomba electromagnética, sería necesario que haya piezas móviles.
Otra forma potencial en que los nanorobots podrían moverse es mediante el uso de una membrana vibratoria. Al tensar y relajar alternativamente la tensión de una membrana, un nanorobot podría generar pequeñas cantidades de empuje. En la nanoescala, este empuje podría ser lo suficientemente significativo como para actuar como una fuente viable de movimiento.
En la siguiente sección, veremos las herramientas que los nanorobots pueden llevar para cumplir con sus misiones médicas.
Foto cortesía de Garrigan.net
Las herramientas de nanorobot tendrán que
Los microrobots actuales tienen solo unos pocos milímetros de largo y aproximadamente un milímetro de diámetro. En comparación con la nanoescala, eso es enorme:un nanómetro es solo una mil millonésima parte de un metro, mientras que un milímetro es una milésima de metro. Los nanorobots del futuro serán tan pequeños, solo podrás verlos con la ayuda de un microscopio. Las herramientas de nanorobot deberán ser aún más pequeñas. Estos son algunos de los elementos que puede encontrar en el kit de herramientas de un nanorobot:
Los dos mayores desafíos y preocupaciones que tienen los científicos con respecto a estas pequeñas herramientas son hacerlas efectivas y seguras. Por ejemplo, crear un pequeño láser lo suficientemente potente como para vaporizar las células cancerosas es un gran desafío, pero diseñarlo para que el nanorobot no dañe el tejido sano circundante dificulta aún más la tarea. Si bien muchos equipos científicos han desarrollado nanorobots lo suficientemente pequeños como para ingresar al torrente sanguíneo, ese es solo el primer paso para hacer de los nanorobots una aplicación médica real.
En la siguiente sección, Aprenderemos dónde se encuentra la tecnología nanorobot hoy y dónde podría estar en el futuro.
Equipos de todo el mundo están trabajando para crear el primer nanorobot médico práctico. Ya existen robots que van desde un milímetro de diámetro hasta dos centímetros de largo, aunque todavía están en la fase de prueba de desarrollo y no se han utilizado en personas. Probablemente estemos a varios años de que los nanorobots entren en el mercado médico. Los microrobots de hoy son solo prototipos que carecen de la capacidad para realizar tareas médicas.
Yoshikazu Tsuno / AFP / Getty Images
Aunque este robot de 2 centímetros de largo
En el futuro, Los nanorobots podrían revolucionar la medicina. Los médicos podrían tratar todo, desde enfermedades cardíacas hasta cáncer, utilizando pequeños robots del tamaño de una bacteria. una escala mucho más pequeña que los robots de hoy. Los robots pueden trabajar solos o en equipo para erradicar enfermedades y tratar otras afecciones. Algunos creen que los nanorobots semiautónomos están a la vuelta de la esquina:los médicos implantarían robots capaces de patrullar el cuerpo de un humano. reaccionar ante cualquier problema que surja. A diferencia del tratamiento agudo, estos robots permanecerían en el cuerpo del paciente para siempre.
Otra posible aplicación futura de la tecnología nanorobot es rediseñar nuestros cuerpos para que se vuelvan resistentes a las enfermedades. aumentar nuestra fuerza o incluso mejorar nuestra inteligencia. Dr. Richard Thompson, un ex profesor de ética, ha escrito sobre las implicaciones éticas de la nanotecnología. Dice que la herramienta más importante es la comunicación, y que es fundamental para las comunidades organizaciones médicas y el gobierno para hablar de nanotecnología ahora, mientras que la industria está todavía en su infancia.
¿Tendremos algún día miles de robots microscópicos corriendo por nuestras venas? haciendo correcciones y curando nuestros cortes, moretones y enfermedades? Con nanotecnología, parece que todo es posible.
Para obtener más información sobre la nanotecnología, siga los enlaces de la página siguiente.
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Fuentes
