1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

روند پیشرفت نانوربات در جهان

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - الهام بازیار نوجوکامبری , نویسنده دوم - داود قرایلو

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : نانوروبات‌ - هوشمند تاریخ مقاله : 1395/09/22 تعداد بازدید : 865

امروزه فناوری ساخت نانوربات، به‌دلیل گستردگی کاربردهایی که در حوزه‌های مختلف علمی همچون پزشکی، زیست‌فناوری، مکانیک، الکترونیک، مطالعه سیستم‌های فیزیکی و سیستم‌های ارتباطی دارد، مورد توجه بسیاری از دانشمندان و صنایع مختلف است. در حال حاضر، فضای ساخت نانوربات در زمینه پزشکی، سلامت و دارورسانی بیش از سایر حوزه‌ها مورد توجه‌است و طی ده‌سال گذشته پیشرفت‌های زیادی داشته‌است. اما ساخت این ریزربات به‌دلیل پیچیدگی‌های بدن انسان به‌طوری‌که قادر به حرکت در میان سرخرگ‌ها و شریان‌های بدن و بررسی و‌شناسایی بیماری‌ها باشد، به تحقیقات بیشتری نیاز دارد. در این گزارش سعی شده‌ میزان و روند پیشرفت این فناوری نانو در جهان، مورد بررسی قرار بگیرد تا راهنمای مناسبی برای متخصصان و تصمیم‌سازان باشد.

 

 

مقدمه:

از نظر فناوری‌نانو، ساخت و طراحی ماشین مکانیکی در مقیاس‌های نانو و میکرو را به‌عنوان علم نانورباتیک تعریف می‌کنند.  نانورباتیک علم جدیدی است که شامل طراحی، ساخت و برنامه نویسی نانوربات است. دانش نانورباتیک بر سه حوزه متمرکز است[1]:

1-    ساخت ربات‌های نانومقیاس

2-    برنامه نویسی نانوربات‌ها

3-    جابجایی ذرات نانومتری و اسمبل کردن این ذرات

‌ نانوربات یک سیستم رباتیک کنترل‌شده در مقیاس نانو و ملکولی است. این ریزربات دارای ویژگی‌هایی همچون قابلیت استفاده در فضاهای کوچک با انعطاف‌پذیری بالا، قابلیت تابع‌پذیری بالا و سازگار در شرایط مختلف است[2].

منبع تولید انرژی مورد نیاز نانوربات، شامل انرژی‌جنبشی سیال (همچون خون)، پرتوهای الکترومغناطیسی، تغییرات دمایی که به واسطه کم و زیاد شدن نور ایجاد می‌شود و ایجاد ارتعاشات مناسب است که در حال حاضر در محیط‌های مختلف زیستی قابل استفاده است[3].

نکته مهمی که در نانوربات‌‌های پزشکی وجود دارد، تامین نیروی محرکه آنها است که عمدتا از طریق جریان خون صورت می‌گیرد و به‌همین دلیل باید با رعایت نکات ایمنی بیمار انجام شود. سیستم انتقال اطلاعات و کنترل حرکت نانوربات‌ها در بدن نیز باید طوری باشد که به‌راحتی از خارج از بدن، قابل بررسی و شناسایی باشد. همین موضوع در مورد بررسی مشکلات درون سلول‌ها نیز قابل تعمیم است، بدین معنا که می‌توان نانوماشین‌های ترمیم‌کننده سلول‌ها با ابزار و گیرنده‌های خاص در مقیاس ملکولی طراحی نمود تا با استفاده از جریان خون، به سلول هدف رسیده و مشکلات موجود را شناسایی نماید [1].

 

1-    طبقه‌بندی نانوربات

در این گزارش، طبقه‌بندی نانوربات از دو منظر خودمختار و حشره‌ای مطرح می‌شود.

الف: ربات خودمختار: در این دسته، هر کدام از نانوربات‌ها به‌طور جداگانه دارای یک نانوکامپیوتر هستند که نانوربات را کنترل می‌کند و موجب عملکرد مستقل آن می‌شود.

ب: ربات حشره‌ای[2] : این نوع ربات‌ها در یک ناوگان نانورباتیک قرار دارند و همگی توسط یک کامپیوتر مرکزی کنترل می‌شوند [3].

علاوه بر طبقه‌بندی فوق، نانوربات‌ها را می‌توان به‌طور کلی از نظر کاربردی مطابق آنچه در شکل 1 مشاهده می‌شود، طبقه‌بندی کرد.

برای تشریح کاربرد نانوربات در زمینه مکانیکی باید نانوربات‌ها را از دید مکانیکی به دو بخش بایومکانیک و نانومکانیک تقسیم‌بندی کرد. بایومکانیک، مطالعه ساختار و توابع سیستم‌های زیستی همچون انسان‌ها، حیوانات و گیاهان و ارگان‌های زنده، قارچ‌ها و سلول‌ها با استفاده از روش‌های مکانیکی است [4]و نانومکانیک بر روی مکانیک کلاسیک، فیزیک حالت‌جامد، مکانیک‌آماری و علم‌مواد و شیمی‌کوانتومی استوار است. در واقع، نانومکانیک شاخه‌ای از نانو فناوری است که با مباحث ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی سیستم‌های فیزیکی در مقیاس نانو همچون خواص جنبشی، الاسیسته و حرارتی سروکار دارد. مثال‌های معروف در این حوزه، بررسی خصوصیات نانومواد همچون کشش و خستگی در مقیاس نانو، سیستم‌های نانوالکترومکانیکی NEMS و نانوسیالات است [5].

در حال حاضر بیشترین کاربرد ساخت نانوربات در حوزه زیست‌فناوری، پزشکی و درمان متمرکز است. در ادامه گزارش، میزان پیشرفت این فناوری جدید، در سه حوزه تعریف شده (شکل 1) بررسی می‌شود.

 

2-    بررسی روند پیشرفت نانوربات در جهان

ساخت نانوربات در سال‌های اخیر پیشرفت بسیاری کرده‌است ولی به‌دلیل پیچیدگی‌های موجود، همچنان در مراحل تحقیقاتی و آزمایشگاهی قرار دارد. رسیدن به مرحله تجاری‌سازی، مستلزم بررسی‌های بیشتر و انجام آزمایشات فراوانی است که روند رسیدن به بلوغ را کند کرده‌است.

2-1-  نانوربات در زمینه پزشکی

در دنیای علمی امروز، بسیاری از علوم دیگر به یاری علم پزشکی آمده‌اند تا با بالا بردن توانمندی تجهیزات پزشکی و درمانی، در افزایش سلامتی، طول عمر، تشخیص و درمان سریع بیماری نقش موثری ایفا کنند.

 یکی از نکاتی که در درمان بیماری از اهمیت بالایی برخوردار است، سرعت و دقت بالا در تشخیص نوع بیماری است. از آنجا که پزشک نیاز به جواب آزمایش دارد تا به‌سرعت فرایند درمان را آغاز کند، کوتاه بودن زمان شناسایی بیماری، بسیار مهم است.

یکی از پروژه‌های در حال انجام در همین زمینه، ساخت نانورباتی است که می‌تواند در مدت 20 دقیقه وجود عفونت یا ویروس خاصی را در بدن، شناسایی کند. محققان در ساخت این نانوربات که بدنه آن 20 نانومتر قطر دارد و جنس آن از طلا است، از رشته‌های کوتاه و بلند DNA استفاده کرده‌اند. در این طرح، رشته‌های بلند DNA طوری انتخاب شده‌است که بتواند به عوامل بیماری‌زا متصل شود و رشته‌های کوتاه DNA با درخشش خود، وجود عفونت یا ویروس را نشان می‌دهد. هدف بعدی این پروژه، اصلاح نانوربات با استفاده از میکرو RNA است تا بتواند برای شناسایی بیماری‌هایی همچون سرطان و بیماری‌های قلبی مورد استفاده قرار بگیرد[6].

ساخت نانوربات چندمنظوره که بتواند در تشخیص و درمان سرطان به‌کار گرفته شود، از پروژه‌هایی است که در مرکز سرطان دانشگاه کالیفرنیا انجام می‌شود. در ساخت این نانوربات از نانوذرات ضدتومور به نام نانوپروفیرین[3] با ابعاد 20 تا 30 نانومتر که به‌عنوان رنگدانه در سلول‌های قرمز خون وجود دارد، استفاده شده‌است. به اعتقاد محققان، نانوذرات آلی به‌واسطه زیست سازگاری،  قابلیت اصلاح شیمیایی و ظرفیت حمل دارو بهترین حامل دارو نسبت به مواد معدنی در درمان تومور هستند. با اتصال این نانوذرات به نانوربات، نانوذرات وارد بافت تومور شده و سیگنالی را می‌فرستند که در تشخیص تومور موثر است[7]. علاوه بر این طرح ، پروژه‌های متعددی در دنیا، در حال حاضر، بر روی طراحی نانوربات با هدف شناسایی تومور و سرطان فعالیت دارند.  

یکی از چالش‌های دانشمندان در زمینه درمان، رهایش دارو در مکان و زمان دقیق با بالاترین عملکرد ممکن است. داروهای موجود در بازار، علی‌رغم مبارزه با انواع عوامل بیماری‌زا (ویروس، باکتری و ...)، سلول‌های سالم و بیمار را با هم درگیر می‌سازد که این موضوع در مورد بیماری‌های خاصی همچون سرطان، HIV بیشتر مشاهده می‌شود. علاوه بر این در برخی بیماری‌ها، عملکرد موثر دارو در مدت زمان کوتاه، پایین است و این مسئله موجب طولانی شدن مدت بیماری و آسیب رساندن عوامل بیماری به سایر نقاط بدن می‌شود. به همین دلیل، یکی از اهداف محققان، ساخت نانوربات‌هایی است که بتواند رهایش دارو را به مکان خاص در بدن بدون آسیب رساندن به سلول‌های سالم انجام دهد و همچنین مدت طولانی قادر به کنترل و فعالیت درسلول باشد.

در همین راستا، محققان دانشگاه تگزاس، موفق به ساخت نانوموتوری شدند که می‌تواند درون سلول جا بگیرد. این نانوربات پیشرفته با داشتن سرعت 18 هزار دور بر دقیقه، عنوان سریع‌ترین و کوچک‌ترین نانوربات جهان را به خود اختصاص داده‌است. نانوموتور ساخته‌شده قادر به رهایش و کنترل دارو از سطح نانوساختار خود و با طول عمر بیشتر از نانوموتورهای پیشین است. موفقیت این پروژه در درمان بیماری‌های مختلف و اثر مستقیم بر روی سلول‌های بیمار، قابل توجه خواهد بود[8,9].

یکی دیگر از طرح‌های موفق در زمینه رهایش دارو، ساخت میکرو و نانوموتوری است که با استفاده از سلول‌های قرمز خون علاوه بر رساندن دارو در تصویربرداری MRI از بافت بیمار نیز مفید است. از آنجا که نقاط کوانتومی و داروهای ضدسرطان، دارای طول موج‌های مختلفی هستند، می‌توان آنها را درون بدن به‌صورت مستقیم رصد کرد. این ریزربات ساخته‌شده به‌دلیل دارا بودن طول‌موج‌های مشخص در رهایش دارو و کنترل آن به‌طور مستقیم نیز کاربرد دارد. . همچنین این ریزربات قادر به درمان برخی بیماری‌ها و زخم‌ها بوده و به کمک آنها می‌توان با عوامل زیستی و شیمیایی خطرناک مقابله کرد[10].

موضوع رهایش دارو بسیار مورد توجه دانشمندان است به‌طوریکه پروژه‌های فراوانی در دنیا بر روی این موضوع متمرکز شده‌است. رهایش دارو با الهام از نوعی باکتری مژک‌دار که می‌تواند حرکت بهتری برای انتقال دارو داشته باشد[11] ، ساخت نانورباتی که به‌صورت گردنبند میکروسکوپی برای انتقال دارو استفاده شود[12] ، ساخت نانوربات حاوی ذرات پلاتینیومی با قابلیت ردیابی پراکسیدهیدروژن که توسط سلول‌های تومور و بافت زخم تولید می‌شود[13] ، ساخت نانوربات شناور در سیالات همچون خون، از جنس پلیمر و نانوسیم که با استفاده از جریانات مغناطیسی، مسیر خود را به سمت تومور شناسایی می‌کند[14]، ساخت نانوذرات هوشمندی که بتواند با متصل کردن دارو به آنها، با رویکرد حس کردن محیط اطراف خود و بدون داشتن سیستم عصبی یا بخش زیستی، به مقصد برسد[15] و طراحی نانورباتی شبیه فنر که از جنس نیکل و سیلیکا بوده و قابلیت حمل دارو با حرکت در خون را دارد[16]  از جمله پروژه‌هایی هستند که جریان دارد. البته این پروژه‌ها در مراحل پژوهش قرار دارد و تا رسیدن به بلوغ و وارد شدن به بازار مصرف، راه طولانی در پیش دارند.

چالش‌های متعددی در مسیر استفاده از نانوربات‌ها در صنعت پزشکی وجود دارد. استفاده از نانوربات‌ها علی‌رغم وعده‌های پیشگامان این حوزه همچنان رواج چندانی ندارد. بدن انسان از تمامی روبات‌های ساخته شده، بسیار پیچیده‌تر است، به‌همین دلیل ساخت نانورباتی که بتواند در بدن نفوذ کرده و ماموریت‌های خود را به‌طورکامل انجام دهد، مسئله بزرگی است. ساخت مواد کافی جهت آزمایش ایده‌های موجود در ساخت نانوربات، یافتن سیستم مناسب جهت بررسی نتایج آزمایش‌ها اعم از میزان اثربخشی واقعی نانوربات از حرکت تا رسیدن به مقصد، رساندن دارو به نانوربات و تکرار کلیه این مراحل و سپس تاییدیه‌های لازم از جمله سازمان غذا و داروی آمریکا و انجام آزمایشات بر روی حیوانات و انسان‌ها، موجب می‌شود، ساخت نانوربات‌ها از 8 تا 10 سال به‌طول انجامد. با وجود سرعت اندک این حوزه، دانشمندان به تحقق این هدف، خوشبین هستند و امیدوار هستند بافائق آمدن بر مشکلات موجود، نانوربات‌های مناسب این ایده را طراحی و تجاری‌سازی کنند[17].

درمان بیماری‌های قلبی عروقی نیز از یکی دغدغه‌های متخصصان حوزه درمان است. تعدادی از متخصصان مهندسی‌مکانیک، میکرورباتی را ساخته‌اند که می‌توان از آن برای رفع انسداد شرایین استفاده کرد.‌ این ریزشناگرها، زنجیره‌ای از مهره‌های اکسید‌آهن نانومتری هستند که از طریق پیوند شیمیایی و نیروی مغناطیسی می‌توانند در جریان خون حرکت کنند. این ریزربات، همانند یک مته کوچک عمل می‌کند و وارد محل انسداد شده و آن را باز می‌کند. این روش نسبت به روش‌های فعلی که حدود 60 درصد موفقیت‌آمیز است، می‌تواند تا 90 درصد انسداد شرایین را درمان کند و زمان درمان را نیز کوتاه‌تر کند[18].

درست برعکس رفع انسداد شرایین که از بین بردن لخته خون اهمیت ویژه‌ای دارد، یکی از مسائلی که موجب فوت بیمار می‌شود، خونریزی‌های زیاد در حین جراحی و یا تصادفات است. به عبارتی، اگرچه از یک طرف لخته‌شدن خون، می‌تواند موجب بیماری‌های قلبی، عروقی شود، اما لخته شدن خون در طول جراحی و آسیب‌دیگی در تصادفات از اهمیت بالایی برخوردار است. محققان موسسه تحقیقات پزشکی فیت اشتین دریافتند که تحریک عصب واگوس، موجب فعالسازی پلاکت‌ها شده و می‌تواند از خونریزی‌های شدید جلوگیری کند. محصولی که از این روش به‌دست آمد، ریز ربات نیورو تورنیکوت[4] نام دارد که در لخته‌سازی خون می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. موفقیت در این پروژه، امید دانشمندان را برای تحریک نخاع، مغز و اعصاب مختلف در درمان بیماران ضایعه نخاعی، صرع و سکته بیشتر کرده‌است[19].

در رابطه با موضوع درمان اعضاء توسط تحریک اعصاب، پژوهشگران مرکز تحقیقاتی آمز ناسا[5] نیز تحریک اعصاب مغز را به وسیله گذاشتن ریزربات در مغز انسان، برای درمان پارکینسون و حتی بیماری‌های عصبی نظیر افسردگی قابل حصول می‌دانند. البته این ایده در مراحل اولیه بررسی قرار دارد و از چگونگی عملکرد آن توضیحی ارائه نشده‌است، ولی موفقیت در این پروژه، قدم بزرگی در درمان پایه‌ای بیماری‌هایی است که با دستکاری اعصاب مغز همچون افسردگی، بدست می‌آید[20].

 ناباروری یکی از مشکلات رایج در تمام کشورهای جهان است که دلایل متعددی دارد. محققان سعی دارند با توجه به نوع مشکل ناباروری، نانوربات مناسب آن را طراحی کنند. یکی از دلایل ناباروری، قدرت شناوری پایین اسپرم برخی مردان است که در مورد آن، تحقیقات متعددی صورت گرفته‌است. در یکی از این طرح‌ها، محققان آلمانی نانورباتی طراحی کرده‌اند که می‌تواند با موتوردار کردن اسپرم، با سرعت بالایی به سوی تخمک شناور شود. این نانوموتور هیبریدی فنرمانند همانند یک رشته DNA، به دم اسپرم متصل می‌شود  که با اعمال میدان مغناطیسی، مسیر حرکت آن در سه بعد قابل کنترل است. این طرح، در مراحل اولیه آزمایشگاهی قرار دارد، اما دانشمندان معتقد هستند که این روش نسبت به روش‌های پیشین، کاراتر و موثرتر است[21,22].

امروزه همگرایی فناوری‌ها، نقش مهمی در پیشبرد اهداف علمی و پزشکی نیز دارد. دولت آمریکا، هفت تیم تحقیقاتی را برای ساخت نانوربات قابل جاساز در بدن انتخاب کرده‌اند تا بتوانند وضعیت سلامتی و تغییرات ذهنی و عملکرد بخش‌های مختلف بدن را بررسی کنند. هدف این پروژه تولید سیستم‌های برتر با عنوان تشخیص و درمان دردهای مزمن، بیماری‌های التهابی، استرس‌های ناشی از ضربات روحی و غیره عنوان شده‌است[23].

در کنار مسائل درمانی و تشخیصی، احیاء بافت و اعضاء بدن از دیرباز یکی از آرزوهای بشر بوده تا بتوانند اعضاء قطع شده و یا آسیب دیده خود را ترمیم سازند. محققان مختلفی در سراسر جهان بر روی این هدف، متمرکز هستند و امیدوارند که با ترکیب ریزربات‌ها با سلول‌های مصنوعی، موجب احیاء اندام‌های موجودات زنده شوند. یکی از بزرگترین پروژه‌های در حال انجام در این حوزه، 2 پروژه بنیادی ملی علوم در دانشگاه پنسیلوانیا است که برای ارتقاء سیستم‌های مجازی فیزیکی با کاربردهای پزشکی تعریف شده‌است. این پروژه‌ها بر روی ساخت ریزربات با هدف احیاء بافت بدن و ساخت قلب مجازی متمرکز است. دانشگاه پنسیلوانیا مرکز بین المللی تحقیقات سیستم‌های مجازی فیزیکی و جاسازی‌شده است که در پنج سال اخیر، حمایت‌های مالی بیش از 30 میلیون دلار از مراکز مختلف دریافت کرده‌است[24].

این نکته که پایش و کنترل سلامتی و بیماری موجودات زنده و انسانها، با پیشرفت فناوری‌های مختلف، موثرتر و سریع‌تر از گذشته عمل می‌کند، امیدوارکننده است. کاهش خطاهای پزشکی و سرعت در تشخیص بیماری و اعمال درمان صحیح و سریع از مزایای استفاده از  فناوری نانوربات است. پیش‌بینی می‌شود که شمال آمریکا و سپس آسیا و اقیانوسیه در بازار جهانی ربات‌های پزشکی، پیشتاز خواهند بود و و علت این امر، افزایش سن جوامع همراه با هزینه‌های بهداشتی بالا و زیاد شدن تعداد بیماران و نیاز به افزایش حمایت و کمک‌های مالی دولت و بالا رفتن میزان آگاهی جوامع از بیماری است[25].

موارد ذکر شده، تنها بخش کوچکی از تحقیقات در حال انجام در مراکز علمی دنیا است. ساخت ریزربات، در بخش درمان و پزشکی، با سرعت روزافزونی در حال رشد و پیشرفت است، اما برای رسیدن به بلوغ و تکامل، راه درازی در پیش دارد.

2-2-  نانوربات در زیست‌فناوری

از آنجا که DNA ها قابلیت تغییر شکل دنیای محاسباتی را دارند، محققان زیستی در تلاش هستند تا بتوانند از این توانمندی در تشخیص و درمان بیماری استفاده کنند. اوریگامی DNA اولین قدم در ساخت نانوربات است که قادر است، عملیات منطقی خاصی را انجام دهد. هر اندازه که ربات‌های DNA بیشتری به بدن تزریق شود، عملیات پیچیده‌تری در بدن قابل انجام است. به‌طور مثال ساخت یک نانوربات تک ملکولی با چرخ‌های کربنی و قابلیت کنترل دما، یکی از تحقیقاتی است که دانشمندان درنظر دارند از آن برای حمل دارو به سلول‌های مشخص استفاده کنند[26].

یکی دیگر از پروژه‌های معروف در حال انجام، روش آرایش DNA در ساخت نانوساختارها است که از سال 2006 آغاز شده و روش استانداردی برای بسیاری از آزمایشگاه‌ها در زمینه دارورسانی و الکترونیک است. در این پروژه، که توسط مهندسان مکانیک ایالت اوهایو انجام شده‌است، با ترکیب DNA طبیعی و مصنوعی، نانوماشینی طراحی کردند که قادر است کارهای ساده‌ای را به طور مکرر در مقیاس نانو انجام دهد و قابلیت تغییر شکل را نیز دارد. از این فرایند که به آرایش DNA معروف است، می‌توان نانوماشین پیچیده‌ای تولید کرد که برای انتقال دارو و اندازه‌گیری‌های زیستی در مقیاس نانو استفاده شود. در این نانوربات ساخته شده، رشته‌های بلند DNA را که از یک ویروس غیرمضر برای انسان است با رشته کوتاه DNA مصنوعی به هم متصل می‌کنند که می‌تواند پیستونی را در داخل سیلندر حرکت دهد. این نانوسیستم برای حمل مقدار کمی دارو در داخل کپسول و باز کردن آن برای رهایش دارو ساخته شده‌است[27].   

موتورهای DNA سنتزی که تحت عنوان نانوراه‌رونده[6] شناخته می‌شود یکی از موضوعات تحقیقاتی پراهمیتی است که عمری بالغ بر 15 سال دارد. دریکی از پروژه‌هایی که با این هدف انجام شده‌است، محققان نانوموتور DNAای ساخته‌اند که برخلاف راه‌رفتن همانند نمونه‌های قبلی مشابه خود، می‌غلتد. این سیستم طراحی شده، هزار برابر سریعتر از همتایان خود است و عنوان سریع‌ترین نانوموتور زیستی جهان را به‌خود اختصاص داده‌است. این نانوموتور قادر است، جهش DNA را از طریق اندازه‌گیری جابجایی ذره تشخیص دهد[28].

یکی از اهداف متخصصان استفاده از نانورباتهای DNA برای درمان سرطان است به‌طوریکه بتواند بدون کوچکترین تماس با سلول‌های سالم، سلول‌های سرطانی را نابود کند. ساخت نانوربات DNA در ابعاد سلولی، که می‌تواند عملیات منطقی را در رایانه‌های سیلیکونی در بدن موجود زنده انجام دهد، نیاز به برنامه‌ریزی پیچیده‌ای دارد که بتواند در تشخیص و درمان بیماری‌موثر باشد.

ساخت نانوموتور DNA همانند بخش‌های پیشین، در مراحل آزمایشگاهی و پژوهش قرار دارد و دانشمندان آن، ایده‌های فراوانی برای استفاده از این نانوفناوری در بخش درمان و انتقال هدفمند دارو دارند.

یک بخش عمده از تحقیقات در حال مطالعه در زمینه زیست‌فناوری، استفاده از ویروس و باکتری‌های مهندسی‌شده است. در سال‌های اخیر، امکان دستکاری ویروس و باکتری با هدف اولیه تغییر فعالیت آنها از عامل بیماری‌زایی به فاکتور درمان‌کننده، فراهم شده‌است. به این ساختارهای دستکاری‌شده، باکتری یا ویروس مهندسی‌شده گفته می‌شود. این ساختارها، به‌صورت ریزربات‌هایی هستند که می‌توانند در درمان و شناسایی بیماری بسیار موثر و قوی باشند. در یک طرح تحقیقاتی، دانشمندان در جستجوی راهی هستند تا ربات‌ویروس و ربات‌باکتری، سلول‌های توموری و سرطانی را پیدا کرده و آنها را بخورد و بعد از اتمام فرایند، به‌دلیل نداشتن غذا بمیرد. محققان امیدوار هستند در صورت موفقیت در طراحی ساخت این نوع نانوربات، از روش مشابه آن در درمان سرطان مغز و گردن نیز بهره ببرند[29].

ساخت میکروربات‌ باکتری‌مانند، در ابعاد طولی نانومتری و به کوچکی باکتری، با هدف رهایش دارو در محل هدف و رفع رسوبات درون رگ، توسط محققان آلمانی انجام شده‌است. شکل این میکروربات، به صورت مارپیچی است و به باکتری تاژکدار مصنوعی گفته‌ می‌شود. این باکتری مصنوعی می‌تواند در مایع شنا کند و حرکت آن توسط میکروسکوپ قابل رصد است و توسط میدان الکتریکی نیرو می‌گیرد. البته این طرح، در حال اجرای تحقیقات اولیه است و قبل از رسیدن به مرحله عملی، باید بررسی‌های بیشتری بر روی آن انجام شود[30].

استفاده از نانوربات‌های مهندسی شده نیز در مراکز مختلفی در حال بررسی است. اما کلیه این روش‌ها در مرحله بررسی کلینیکی قرار دارند و برای رسیدن به بازار هدف، مستلزم مطالعات بیشتر است.

2-3- نانوربات در بایومکانیک و نانومکانیک

دربخش‌های قبلی گزارش، پیشرفت طراحی نانوربات در زمینه پزشکی و زیست‌فناوری بررسی و ارائه شد. باید اذعان داشت که سرعت ساخت و طراحی نانوربات در زمینه مکانیکی (بایومکانیک و نانومکانیک) کندتر از سایر حوزه‌های تعریف شده‌است.

از پروژه‌های موفق در زمینه مکانیکی، ابداع روشی است که در آن از یک دستگاه جوش نانورباتیک به‌عنوان دستگاه جوش نقطه‌ای استفاده می‌شود. این دستگاه از نانولوله‌های کربنی پر شده با مس ساخته شده‌است. این ساختار درون یک میکروسکوپ الکترونی عبوری قرار داده می‌شوند که از آن برای گداختن و اتصال نانوساختارها به هم استفاده می‌شوند. با اعمال ولتاژ و ذوب شدن هسته‌های مسی با ضخامت 40 تا 80 نانومتر، مس از درون نانولوله‌ها جریان یافته و می‌تواند باعث لحیم شدن یک نانولوله به نانولوله دیگری شود. کنترل مکانی و زمانی و استفاده از جریان بسیار کم برای ذوب مس در حین فرایند از مزایایی است که در صنعت نیمه‌هادی مورد توجه متخصصان است[31].

یکی دیگر از کاربردهای نانوربات‌ها در زمینه تعمیر مدارها و ابزارهای الکترونیکی است. با پیشرفت صنعت الکترونیک، ابزارهای تعمیر و نگهداری آنها نیز باید پیچیده‌تر و پیشرفته‌تر از گذشته باشد. ساخت نانوموتورهایی که بتواند خراش‌های بسیار کوچک را برطرف کند از اهداف مهم در این حوزه است. محققان دانشگاه کالیفرنیا با الهام از سیستم دفاعی بدن، نانوموتوری ساختند که قادر به تشخیص معایب در ابزارهای الکترونیکی است و با استفاده از نانوذرات طلا و پلاتین درون یک سیال وظیفه خودترمیمی را به‌خوبی انجام می‌دهد. از این نانوموتور می‌توان در بخش‌های مختلف همچون حسگرهای انعطاف پذیر و باتری‌ها و اجزای الکترونیکی که به سختی قابل تعمیر هستند، استفاده کرد. البته این طرح در مراحل بررسی بیشتر قرار دارد و طراحان این طرح به تکمیل ساخت این نانوربات خوشبین هستند[32,33].

محققان از دانشگاه گرونینگن[7] هلند، موفق به ساخت کوچکترین نانوربات الکتریکی جهان در مقیاس نانو شدند. این نانوربات اولین مدل مجهز به موتور است که می‌تواند توسط الکترونها، روی یک سطح مسی حرکتی به سمت جلو داشته باشد. در این مدل نانو ربات، برای ثابت ماندن مولکول از شرایط خلا و دمای پایین استفاده می‌شود. ساخت این نانوربات کوچک، قدم بسیار مهمی در راستای ساخت نانوربات‌های پیشرفته‌ای است که بتواند در سیستم‌های کنترلی همچون حرکت و دمای محیط  موثر باشد[33].

پروژه‌های متعدد دیگری در دنیا بر روی نانومکانیک و کاربرد نانوربات‌ها در زمینه های نانو مکانیک و بایومکانیک انجام می‌شود. ولی علاقمندی و گستردگی پژوهش ساخت نانوربات در زمینه زیست فناوری، پزشکی و درمان به مراتب از حوزه مکانیکی بیشتر است.

 

3-  مشکلات  و تهدیدات موجود در ساخت نانوربات

3-1- مشکلات ساخت نانوربات

ساخت و طراحی نانوربات‌ها در زمینه‌های مختلف، علی رغم تلاش‌های صورت گرفته با مشکلات متعددی مواجه است. ارتباط بین بخش‌های مختلف در یک نانوربات، سخت و پیچیده است، به‌طور مثال نانوربات‌های الکتریکی به تداخل الکتریکی از منابع خارجی همچون میدان‌های الکتریکی و یا امواج رادیویی[8] ،  بمب‌های الکترومغناطیسی که با انفجار خود، پالس‌های بسیار بزرگی را در محیط منتشر می‌کنند[9]  و میدان‌های سرگردان از دیگر سیستم‌های الکتریکی بسیار حساس هستند. علاوه بر موارد فوق، ساختن نانورباتی که بتواند با شرایط و اهداف مورد نظر، در بدن وارد شود و عملکرد موثری داشته‌باشد برای محققان اهمیت بالایی دارد. همچنین بالا بودن میزان اثر بخشی این نانوسیستم‌ها از زمان حرکت به سمت منطقه موردنظر و انجام ماموریت خود، از چالش‌های متخصصان این حوزه است. این موارد موجب شده، مرحله ساخت تا بهره‌برداری نانوربات و تجاری شدن آن، در مدت زمان طولانی به ثمر بنشیند.

همچنین هزینه طراحی و ساخت نانوربات بسیار بالا بوده و عدم صرفه اقتصادی یکی از موانع جدی فعلی بر سر راه تجاری شدن آن است[2].

3-2- تهدیدات نانوربات‌ها

در کنار مشکلات موجود در سر راه ساخت نانوربات، نگرانی‌هایی نیز از سوی متخصصان حوزه‌های مرتبط با آن وجود دارد. یکی از دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) پیش‌بینی کرده‌است که دهه 2040 نانوربات‌هایی ساخته‌ می‌شوند که می‌توانند از طریق خون، وارد مغز شوند. بنا به پیش‌بینی این دانشمند، با ورود نانوربات به مغز، می‌توان اطلاعات موجود را دریافت و داده‌های جدیدی وارد آن کرد، به‌عبارت دیگر، این نانوربات‌ها قادر به هک‌کردن اطلاعات مغز خواهند بود. بر طبق گفته وی، دهه‌های آینده، فناوری‌های زیست‌شناسی سنتزی[10] با مواد سیلسیوم از جمله فناوری‌های مخرب هستند[35].

 البته این نگرانی‌ها، توسط دانشمندان دیگری هم اعلام شده و برخی از دانشجویان و متخصصان، ترس خود را نسبت به استفاده فزاینده از هوش مصنوعی و کنترل این نانوابزارها ابراز کرده‌اند. بر این اساس، یکی از محققان علوم کامپیوتر در هوش‌مصنوعی، این نانوفناوری را تا حد سلاح هسته‌ای، خطرناک توصیف کرده‌است که می‌تواند در مصارف نظامی از آن سوءاستفاده شود[26]. به‌طور مثال از نانوربات‌ها می‌توان در زمینه تروریسم، شکنجه و صدمه زدن به سلامتی بشر در ابعاد ملکولی استفاده کرد[2].

 علاوه بر آن، در بلند‌مدت موضوعاتی هچون مسائل ایمنی و تهدیدات ایجاد شده توسط هوش مصنوعی یا ربات‌های قاتل نیز مطرح است که بی‌عدالتی‌های بیشتر و مشکلات امنیت سایبری و تجاوز به حریم خصوصی زندگی مردم را بیش از پیش تحت الشعاع قرار می‌دهد[36].

در کنار مسائل مطرح شده،  با توجه به علاقمندی فراوان متخصصان و صنعت در زمینه استفاده بیشتر از ربات‌ها و نانوربات‌ها و رشد سریع ماشین‌های هوشمند، پیش‌بینی می‌شود که در آینده از تعداد کارکنان انسانی کاسته شود و از ربات‌ها و نانوربات‌ها در زمینه‌های مختلف پزشکی، کشاورزی، مصارف خانگی و نظامی بیشتر به‌کار گرفته‌شود. براساس بررسی‌هایی‌که انجام شده‌است، احتمال 50 درصد وجود دارد که ماشین‌های با توان یادگیری سطح بالا تا سال 2050 به‌کار گرفته شوند و این شانس تا سال 2075 به 70 درصد خواهد رسید. بر این اساس، مشاغل با درامد بالا، چندین برابر بیشتر از مشاغل با درامد پایین‌تر در معرض جایگزینی با ربات‌ها قرار دارند[37].

 

نتیجه‌گیری:

با توجه به مزایا و مشکلات مطرح‌شده در زمینه طراحی و ساخت نانوربات‌ها، دانشمندان به کسب موفقیت‌های چشمگیر در طی سال‌های آینده امیدوار هستند. پیشرفت ساخت نانوربات‌ها در حوزه پزشکی و زیست‌فناوری بیشتر از سایر زمینه‌ها از جمله مکانیک و الکترونیک است و محققان سعی بر ساخت نانوربات‌هایی با هدف شناسایی عوامل بیماری، درمان بیماری و ترمیم اعضاء هستند و تقریبا در همه این زمینه‌ها پروژه‌های متعددی را در دست اجرا و تحقیق دارند. ولی از آنجا که پیچیدگی‌های بدن موجودات زنده بیشتر از نانوربات‌های طراحی‌شده‌است، محققان در حال حاضر برروی مطالعه و بررسی‌ ساخت نانوربات در مقیاس آزمایشگاهی متمرکز  هستند. رسیدن به این فناوری پیچیده، به پژوهش‌ها و هزینه‌های بیشتری از جهات مادی، زمان، مواد مناسب و دانش کامل‌تر، نیاز دارد تا به مرحله بازار مصرف و تجاری‌سازی برسد.

در اختیار داشتن فناوری ساخت نانوربات، موجب تحول بزرگی در زندگی بشریت می‌شود، امادر صورت استفاده سوء از سوی افراد با اهداف غیرانسانی، موجب صدمه‌زدن به حریم شخصی انسان‌ها و آشفتگی‌های بیشتر در جهان می‌شود. هرچند که این انتظار وجود دارد، پیشرفت فناوری نانوربات‌ها در مجموع باعث آرامش و رفاه بیشتر باشد.

 

منابع

 

مقاله کاربرد میکروربات و نانو رباتهای پزشکی در تله مدیسین [1]

[2]- Applications of Nanorobotics- International Journal of Scientific Research Engineering & Technology (IJSRET), ISSN 2278 – 0882- Volume 3, Issue 8, November 2014

[3]- http://wikirobot.ir/?p=114

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Biomechanics

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Nanomechanics

[6]-http://nbic.isti.ir/news/53746

[7]-http://nbic.isti.ir/news/51019

[8]-http://nbic.isti.ir/news/49667

[9]-http://nbic.isti.ir/news/50006

[10]- http://nbic.isti.ir/news/51490

[11]- http://nbic.isti.ir/news/50468

[12]- http://nbic.isti.ir/news/50467

[13]- http://nbic.isti.ir/news/51808

[14]- http://nbic.isti.ir/news/50048

[15]- http://nbic.isti.ir/news/50238

[16]- http://nbic.isti.ir/news/49952

[17]- http://nbic.isti.ir/news/51044

[18]-http://nbic.isti.ir/news/50760

[19]- http://nbic.isti.ir/news/50134

[20]- http://nbic.isti.ir/news/51454

[21]- http://nbic.isti.ir/news/52720

[22]- http://nbic.isti.ir/news/50237

[23]- http://nbic.isti.ir/news/51579

[24]- http://nbic.isti.ir/news/51882

[25]- http://nbic.isti.ir/news/50663

[26]- http://nbic.isti.ir/news/51245

[27]- http://nbic.isti.ir/news/50536

[28]- http://nbic.isti.ir/news/52327

[29]- http://nbic.isti.ir/news/49977

[30]- http://nbic.isti.ir/news/50063

[31]- http://nbic.isti.ir/news/51828

[32]- http://nbic.isti.ir/news/54076

[33]- http://nbic.isti.ir/news/53790

[34]- http://nbic.isti.ir/news/50013

[35]-‌http://nbic.isti.ir/news/51756

[36]- http://nbic.isti.ir/news/51815

[37]- http://nbic.isti.ir/news/51815