Como funcionam os nanorrobôs

Imagine ir ao médico para tratar uma febre persistente. Em vez de lhe dar um comprimido ou uma injeção, o médico o encaminha para uma equipe médica especial que implanta um pequeno robô em sua corrente sanguínea. O robô detecta a causa de sua febre, viaja para o sistema apropriado e fornece uma dose do medicamento diretamente para a área infectada.

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O robô nesta ilustração nada pelas artérias e veias usando um par de apêndices da cauda. Veja mais fotos de robôs.

Surpreendentemente, não estamos muito longe de ver dispositivos como este realmente usados em procedimentos médicos. Eles são chamados de nanorrobôs e equipes de engenharia em todo o mundo estão trabalhando para projetar robôs que eventualmente serão usados para tratar tudo, desde hemofilia até câncer.

Maior nem sempre é melhor Em 1959, Richard Feynman, um engenheiro da CalTech, lançou um desafio para engenheiros em todos os lugares. Ele queria que alguém construísse um motor funcional que pudesse caber em um cubo de 1/64 de polegada de cada lado. Sua esperança era que, ao projetar e construir tal motor, os engenheiros desenvolveriam novos métodos de produção que poderiam ser usados no campo emergente da nanotecnologia. Em 1960, Bill McLellan reivindicou o prêmio, tendo construído um motor funcionando com as especificações adequadas. Feynman concedeu o prêmio, embora McLellan construísse o motor manualmente, sem conceber nenhuma nova metodologia de produção.

Como você pode imaginar, os desafios que os engenheiros enfrentam são assustadores. Um nanorrobô viável deve ser pequeno e ágil o suficiente para navegar pelo sistema circulatório humano, uma rede incrivelmente complexa de veias e artérias. O robô também deve ter capacidade para transportar medicamentos ou ferramentas em miniatura. Supondo que o nanorrobô não foi feito para ficar no paciente para sempre, ele também deve ser capaz de sair do hospedeiro.

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Neste artigo, aprenderemos sobre as aplicações potenciais dos nanorrobôs, as várias maneiras pelas quais os nanorrobôs navegam e se movem por nossos corpos, as ferramentas que usarão para curar pacientes, as equipes de progresso em todo o mundo fizeram até agora e o que os teóricos veem no futuro.

Na próxima seção, aprenderemos sobre as condições e doenças que os nanorrobôs tratarão no futuro.

Conteúdo

Pegue dois bots e me ligue de manhã
Navegação Nanorobot
Energizando o Nanorobot
Locomoção Nanorobot
Pequenininho, Ferramentas minúsculas
Nanorobôs:hoje e amanhã

Pegue dois bots e me ligue de manhã

Realizado corretamente, os nanorrobôs serão capazes de tratar uma série de doenças e condições. Embora seu tamanho signifique que eles só podem carregar cargas úteis muito pequenas de medicamentos ou equipamentos, muitos médicos e engenheiros acreditam que a aplicação precisa dessas ferramentas será mais eficaz do que os métodos mais tradicionais. Por exemplo, um médico pode administrar um antibiótico poderoso a um paciente por meio de uma seringa para ajudar seu sistema imunológico. O antibiótico se dilui enquanto viaja pela corrente sanguínea do paciente, causar apenas parte dele chega ao ponto de infecção. Contudo, um nanorrobô - ou equipe de nanorrobôs - poderia viajar até o ponto de infecção diretamente e entregar uma pequena dose de medicamento. O paciente potencialmente sofreria menos efeitos colaterais da medicação.

Vários engenheiros, cientistas e médicos acreditam que as aplicações dos nanorrobôs são praticamente ilimitadas. Alguns dos usos mais prováveis incluem:

Tratamento da arteriosclerose :Arteriosclerose se refere a uma condição em que a placa se forma ao longo das paredes das artérias. Os nanorrobôs poderiam possivelmente tratar a doença cortando a placa, que então entraria na corrente sanguínea.

Os nanorrobôs podem tratar doenças como a arteriosclerose, lascando fisicamente a placa ao longo das paredes das artérias.
Quebrando coágulos de sangue :Os coágulos sanguíneos podem causar complicações que vão desde a morte muscular a um acidente vascular cerebral. Os nanorrobôs podem viajar até um coágulo e quebrá-lo. Esta aplicação é um dos usos mais perigosos para os nanorrobôs - o robô deve ser capaz de remover o bloqueio sem perder pequenos pedaços na corrente sanguínea, que pode então viajar para outro lugar no corpo e causar mais problemas. O robô também deve ser pequeno o suficiente para não bloquear o próprio fluxo de sangue.
Lutando contra o câncer :Os médicos esperam usar nanorrobôs para tratar pacientes com câncer. Os robôs podem atacar tumores diretamente usando lasers, microondas ou sinais ultrassônicos ou podem fazer parte de um tratamento de quimioterapia, entrega de medicamentos diretamente no local do câncer. Os médicos acreditam que, ao administrar doses pequenas, mas precisas, de medicamentos ao paciente, os efeitos colaterais serão minimizados sem perda da eficácia do medicamento.
Ajudando o corpo a coagular :Um tipo particular de nanorrobô é o clotócito , ou plaquetas artificiais. O coágulo carrega uma pequena rede de malha que se dissolve em uma membrana pegajosa ao entrar em contato com o plasma sanguíneo. De acordo com Robert A. Freitas, Jr., o homem que projetou o clotócito, a coagulação pode ser de até 1, 000 vezes mais rápido do que o mecanismo natural de coagulação do corpo [fonte:Freitas]. Os médicos podem usar os coquetócitos para tratar hemofílicos ou pacientes com feridas abertas graves.
Remoção de Parasitas :Os nanorrobôs podem travar uma micro-guerra contra bactérias e pequenos organismos parasitas dentro de um paciente. Podem ser necessários vários nanorrobôs trabalhando juntos para destruir todos os parasitas.
Gota :A gota é uma condição em que os rins perdem a capacidade de remover os resíduos da decomposição das gorduras da corrente sanguínea. Esse desperdício às vezes se cristaliza em pontos próximos às articulações, como joelhos e tornozelos. Pessoas que sofrem de gota sentem dores intensas nessas articulações. Um nanorrobô pode quebrar as estruturas cristalinas nas articulações, proporcionando alívio dos sintomas, embora não seja capaz de reverter a condição permanentemente.
Quebrando pedras nos rins :As pedras nos rins podem ser extremamente dolorosas - quanto maior a pedra, mais difícil é sua eliminação. Os médicos quebram grandes cálculos renais usando frequências ultrassônicas, mas nem sempre é eficaz. Um nanorrobô pode quebrar pedras nos rins usando um pequeno laser.

Os nanorrobôs podem carregar pequenos geradores de sinais ultrassônicos para fornecer frequências diretamente às pedras nos rins.
Limpeza de feridas :Nanorrobôs podem ajudar a remover detritos de feridas, diminuindo a probabilidade de infecção. Eles seriam particularmente úteis em casos de feridas de punção, onde pode ser difícil tratar usando métodos mais convencionais.

Na próxima seção, veremos como os nanorrobôs irão navegar pelo sistema circulatório.

Navegação Nanorobot

Existem três considerações principais em que os cientistas precisam se concentrar ao observar os nanorrobôs que se movem pelo corpo - navegação , potência e como o nanorrobô se moverá através dos vasos sanguíneos. Os nanotecnologistas estão procurando diferentes opções para cada uma dessas considerações, cada um dos quais tem aspectos positivos e negativos. A maioria das opções pode ser dividida em uma de duas categorias:sistemas externos e sistemas integrados.

Os sistemas de navegação externos podem usar uma variedade de métodos diferentes para pilotar o nanorrobô até o local certo. Um desses métodos é usar sinais ultrassônicos para detectar a localização do nanorrobô e direcioná-lo para o destino certo. Os médicos enviariam sinais ultrassônicos para o corpo do paciente. Os sinais passariam pelo corpo, refletir de volta para a fonte dos sinais, ou ambos. O nanorrobô pode emitir pulsos de sinais ultrassônicos, que os médicos podem detectar usando equipamentos especiais com sensores ultrassônicos. Os médicos poderiam rastrear a localização do nanorrobô e manobrá-lo para a parte correta do corpo do paciente.

Foto cedida pela NASA
Alguns cientistas planejam controlar e nanorrobôs de energia usando dispositivos de ressonância magnética como este.

Usando um dispositivo de imagem por ressonância magnética (MRI), os médicos podem localizar e rastrear um nanorrobô detectando seu campo magnético. Médicos e engenheiros da Ecole Polytechnique de Montreal demonstraram como podiam detectar, acompanhar, controlar e até mesmo impulsionar um nanorrobô usando ressonância magnética. Eles testaram suas descobertas manobrando uma pequena partícula magnética através das artérias de um porco usando um software especializado em uma máquina de ressonância magnética. Porque muitos hospitais têm aparelhos de ressonância magnética, isso pode se tornar o padrão da indústria - os hospitais não terão que investir caro, tecnologias não comprovadas.

Os médicos também podem rastrear os nanorrobôs injetando um corante radioativo na corrente sanguínea do paciente. Eles então usariam um fluoroscópio ou dispositivo semelhante para detectar o corante radioativo conforme ele se movia pelo sistema circulatório. Imagens tridimensionais complexas indicariam onde o nanorrobô está localizado. Alternativamente, o nanorrobô poderia emitir o corante radioativo, criando um caminho atrás dele conforme ele se move pelo corpo.

Outros métodos de detecção do nanorrobô incluem o uso de raios-X, ondas de rádio, microondas ou calor. Agora mesmo, nossa tecnologia usando esses métodos em objetos de tamanho nanométrico é limitada, portanto, é muito mais provável que sistemas futuros dependam mais de outros métodos.

Sistemas de bordo, ou sensores internos, também pode desempenhar um grande papel na navegação. Um nanorrobô com sensores químicos pode detectar e seguir a trilha de produtos químicos específicos para chegar ao local certo. Um sensor espectroscópico permitiria ao nanorrobô coletar amostras do tecido circundante, analisá-los e seguir o caminho da combinação certa de produtos químicos.

Por mais difícil que seja imaginar, os nanorrobôs podem incluir uma câmera de televisão em miniatura. Um operador em um console será capaz de dirigir o dispositivo enquanto assiste a um feed de vídeo ao vivo, navegando pelo corpo manualmente. Os sistemas de câmeras são bastante complexos, então pode levar alguns anos até que os nanotecnologistas possam criar um sistema confiável que caiba dentro de um minúsculo robô.

Na próxima seção, veremos os sistemas de energia dos nanorrobôs.

Energizando o Nanorobot

Assim como os sistemas de navegação, nanotecnologistas estão considerando fontes de energia externas e internas. Alguns projetos contam com o nanorrobô usando o próprio corpo do paciente como forma de geração de energia. Outros projetos incluem uma pequena fonte de energia a bordo do próprio robô. Finalmente, alguns projetos usam forças externas ao corpo do paciente para alimentar o robô.

Os nanorrobôs podem obter energia diretamente da corrente sanguínea. Um nanorrobô com eletrodos montados poderia formar uma bateria usando os eletrólitos encontrados no sangue. Outra opção é criar reações químicas com o sangue para queimá-lo para obter energia. O nanorrobô manteria um pequeno suprimento de produtos químicos que se tornariam uma fonte de combustível quando combinados com o sangue.

Um nanorrobô poderia usar o calor do corpo do paciente para criar energia, mas seria necessário haver um gradiente de temperatura para gerenciá-lo. A geração de energia seria resultado da Efeito Seebeck . O efeito Seebeck ocorre quando dois condutores feitos de metais diferentes são unidos em dois pontos mantidos em duas temperaturas diferentes. Os condutores de metal tornam-se um termopar, o que significa que eles geram tensão quando as junções estão em temperaturas diferentes. Uma vez que é difícil confiar nos gradientes de temperatura dentro do corpo, é improvável que vejamos muitos nanorrobôs usando o calor do corpo para gerar energia.

Embora seja possível criar baterias pequenas o suficiente para caber dentro de um nanorrobô, eles geralmente não são vistos como uma fonte de energia viável. O problema é que as baterias fornecem uma quantidade relativamente pequena de energia em relação ao seu tamanho e peso, portanto, uma bateria muito pequena forneceria apenas uma fração da energia de que um nanorrobô precisaria. Um candidato mais provável é um capacitor, que tem uma relação potência-peso ligeiramente melhor.

© Fotógrafo:Agência Newstocker I:Dreamstime.com
Os engenheiros estão trabalhando na construção de capacitores menores que irão alimentar tecnologias como os nanorrobôs.
Outra possibilidade para a energia dos nanorrobôs é usar uma fonte de energia nuclear. A ideia de um minúsculo robô movido a energia nuclear deixa algumas pessoas nervosas, mas tenha em mente que a quantidade de material é pequena e, de acordo com alguns especialistas, fácil de proteger [fonte:Rubinstein]. Ainda, as opiniões públicas em relação à energia nuclear tornam essa possibilidade improvável, na melhor das hipóteses.

Fontes externas de energia incluem sistemas em que o nanorrobô está amarrado ao mundo externo ou é controlado sem uma amarração física. Os sistemas amarrados precisariam de um fio entre o nanorrobô e a fonte de alimentação. O fio precisaria ser forte, mas também precisaria se mover sem esforço pelo corpo humano sem causar danos. Uma amarração física pode fornecer energia por eletricidade ou opticamente. Os sistemas ópticos usam luz por meio de fibra óptica, que então precisaria ser convertida em eletricidade a bordo do robô.

O Efeito Piezoelétrico Alguns cristais ganham uma carga elétrica se você aplicar força neles. Por outro lado, se você aplicar uma carga elétrica a um desses cristais, vai vibrar como resultado, emitindo sinais ultrassônicos. O quartzo é provavelmente o cristal mais familiarizado com efeitos piezoelétricos.

Os sistemas externos que não usam amarras podem contar com micro-ondas, sinais ultrassônicos ou campos magnéticos. Microondas são as menos prováveis, uma vez que transmiti-los a um paciente resultaria em tecido danificado, uma vez que o corpo do paciente absorveria a maior parte das microondas e, como resultado, aqueceria. Um nanorrobô com membrana piezoelétrica pode captar sinais ultrassônicos e convertê-los em eletricidade. Sistemas que usam campos magnéticos, como aquele que os médicos estão experimentando em Montreal, pode manipular o nanorrobô diretamente ou induzir uma corrente elétrica em um circuito fechado de condução no robô.

Na próxima seção, veremos os sistemas de propulsão de nanorrobôs.

Locomoção Nanorobot

Supondo que o nanorrobô não seja amarrado ou projetado para flutuar passivamente na corrente sanguínea, precisará de um meio de propulsão para contornar o corpo. Porque pode ter que viajar contra o fluxo de sangue, o sistema de propulsão deve ser relativamente forte para seu tamanho. Outra consideração importante é a segurança do paciente - o sistema deve ser capaz de mover o nanorrobô sem causar danos ao hospedeiro.

Alguns cientistas estão olhando para o mundo dos organismos microscópicos em busca de inspiração. Paramecium se move através de seu ambiente usando minúsculos membros em forma de cauda chamados cílios . Ao vibrar os cílios, o paramécio pode nadar em qualquer direção. Semelhantes aos cílios são flagelo , que são estruturas de cauda mais longas. Organismos chicoteiam flagelos de diferentes maneiras para se moverem.

Os designers de nanorrobôs às vezes olham para organismos microscópicos para obter inspiração de propulsão, como o flagelo nesta célula e-coli.
Cientistas em Israel criaram microrrobô , um robô com apenas alguns milímetros de comprimento, que usa pequenos apêndices para agarrar e rastejar pelos vasos sanguíneos. Os cientistas manipulam os braços criando campos magnéticos fora do corpo do paciente. Os campos magnéticos fazem com que os braços do robô vibrem, empurrando-o ainda mais através dos vasos sanguíneos. Os cientistas apontam que, como toda a energia do nanorrobô vem de uma fonte externa, não há necessidade de fonte de alimentação interna. Eles esperam que o design relativamente simples facilite a construção de robôs ainda menores.

Outros dispositivos parecem ainda mais exóticos. Alguém usaria capacitores para gerar campos magnéticos que puxariam fluidos condutores através de uma extremidade de um bomba eletromagnética e atire na parte de trás. O nanorrobô se moveria como um avião a jato. Miniaturizado bombas a jato poderia até usar plasma sanguíneo para empurrar o nanorrobô para frente, no entanto, ao contrário da bomba eletromagnética, precisaria haver peças móveis.

Outra forma potencial de os nanorrobôs se moverem é usando uma membrana vibratória. Ao apertar e relaxar alternadamente a tensão em uma membrana, um nanorrobô pode gerar pequenas quantidades de impulso. Na nanoescala, esse impulso pode ser significativo o suficiente para atuar como uma fonte viável de movimento.

Na próxima seção, veremos as ferramentas que os nanorrobôs podem carregar para cumprir suas missões médicas.

Pequenininho, Ferramentas minúsculas

Foto cedida por Garrigan.net
Ferramentas nanorrobôs terão que seja pequeno o suficiente para manipular células como essas células vermelhas do sangue.
Os microrrobôs atuais têm apenas alguns milímetros de comprimento e cerca de um milímetro de diâmetro. Comparado com a nanoescala, que é enorme - um nanômetro é apenas um bilionésimo de um metro, enquanto um milímetro é um milésimo de um metro. Os nanorrobôs futuros serão tão pequenos, você só poderá vê-los com a ajuda de um microscópio. As ferramentas dos nanorrobôs precisarão ser ainda menores. Aqui estão alguns dos itens que você pode encontrar no kit de ferramentas de um nanorrobô:

Cavidade de medicamento - uma seção oca dentro do nanorrobô pode conter pequenas doses de remédios ou produtos químicos. O robô pode liberar o medicamento diretamente no local da lesão ou infecção. Os nanorrobôs também podem carregar os produtos químicos usados na quimioterapia para tratar o câncer diretamente no local. Embora a quantidade de medicamento seja relativamente minúscula, aplicá-lo diretamente ao tecido canceroso pode ser mais eficaz do que a quimioterapia tradicional, que depende do sistema circulatório do corpo para transportar os produtos químicos por todo o corpo do paciente.
Probes , facas e cinzéis - para remover bloqueios e placa, um nanorrobô precisará de algo para agarrar e quebrar o material. Eles também podem precisar de um dispositivo para esmagar coágulos em pedaços muito pequenos. Se um coágulo parcial se soltar e entrar na corrente sanguínea, pode causar mais problemas no sistema circulatório.
Emissores de micro-ondas e geradores de sinal ultrassônico - para destruir células cancerosas, os médicos precisam de métodos que matem uma célula sem rompê-la. Uma célula cancerosa rompida pode liberar substâncias químicas que podem fazer com que o câncer se espalhe ainda mais. Ao usar microondas ou sinais ultrassônicos ajustados, um nanorrobô poderia quebrar as ligações químicas na célula cancerosa, matá-lo sem quebrar a parede celular. Alternativamente, o robô pode emitir microondas ou sinais ultrassônicos para aquecer a célula cancerosa o suficiente para destruí-la.
Eletrodos - dois eletrodos projetando-se do nanorrobô podem matar células cancerosas, gerando uma corrente elétrica, aquecendo a célula até que ela morra.
Lasers -- pequeno, lasers poderosos podem queimar materiais nocivos como placa arterial, células cancerosas ou coágulos sanguíneos. Os lasers literalmente vaporizariam o tecido.

Os dois maiores desafios e preocupações dos cientistas em relação a essas pequenas ferramentas são torná-las eficazes e seguras. Por exemplo, criar um pequeno laser poderoso o suficiente para vaporizar células cancerosas é um grande desafio, mas projetá-lo de forma que o nanorrobô não prejudique o tecido saudável circundante torna a tarefa ainda mais difícil. Embora muitas equipes científicas tenham desenvolvido nanorrobôs pequenos o suficiente para entrar na corrente sanguínea, esse é apenas o primeiro passo para tornar os nanorrobôs uma aplicação médica real.

Na próxima seção, aprenderemos onde a tecnologia dos nanorrobôs está hoje e onde poderá estar no futuro.

Nanorobôs:hoje e amanhã

Equipes em todo o mundo estão trabalhando na criação do primeiro nanorrobô médico prático. Robôs que variam de um milímetro de diâmetro a relativamente robustos dois centímetros de comprimento já existem, embora todos eles ainda estejam em fase de teste de desenvolvimento e não tenham sido usados em pessoas. Estamos provavelmente a vários anos de ver os nanorrobôs entrarem no mercado médico. Os microrrobôs de hoje são apenas protótipos sem a capacidade de realizar tarefas médicas.

Yoshikazu Tsuno / AFP / Getty Images
Embora este robô de 2 centímetros de comprimento é uma conquista impressionante, futuros robôs serão centenas de vezes menor.
No futuro, os nanorrobôs podem revolucionar a medicina. Os médicos poderiam tratar de tudo, desde doenças cardíacas a câncer, usando pequenos robôs do tamanho de bactérias, uma escala muito menor do que os robôs de hoje. Os robôs podem trabalhar sozinhos ou em equipes para erradicar doenças e tratar outras condições. Alguns acreditam que os nanorrobôs semiautônomos estão chegando - os médicos implantariam robôs capazes de patrulhar o corpo de um humano, reagir a quaisquer problemas que surjam. Ao contrário do tratamento agudo, esses robôs permaneceriam no corpo do paciente para sempre.

Outra possível aplicação futura da tecnologia de nanorrobôs é a reengenharia de nossos corpos para que se tornem resistentes a doenças, aumentar nossa força ou até mesmo melhorar nossa inteligência. Dr. Richard Thompson, um ex-professor de ética, escreveu sobre as implicações éticas da nanotecnologia. Ele diz que a ferramenta mais importante é a comunicação, e que é fundamental para as comunidades, organizações médicas e o governo para falar sobre nanotecnologia agora, enquanto a indústria ainda está em sua infância.

Será que um dia teremos milhares de robôs microscópicos correndo em nossas veias, fazendo correções e curando nossos cortes, hematomas e doenças? Com nanotecnologia, parece que tudo é possível.