Nanorobótica é um campo de tecnologia emergente que cria máquinas ou robôs cujos componentes estão na escala de um nanômetro (10 a 9 metros) ou próximo a ela. Mais especificamente, nanorobótica (em oposição a microrobótica) refere-se à disciplina de engenharia de nanotecnologia de projetar e construir nanorrobôs, com dispositivos que variam em tamanho de 0,1 a 10 micrômetros e construídos em nanoescala ou componentes moleculares. Os termos nanobot, nanoide, nanite, nanomachine ou nanomite também foram usados ​​para descrever esses dispositivos atualmente em pesquisa e desenvolvimento.

As nanomáquinas estão em grande parte na fase de pesquisa e desenvolvimento, mas algumas máquinas moleculares primitivas e nanomotores foram testadas. Um exemplo é um sensor com um interruptor de aproximadamente 1,5 nanômetro de diâmetro, capaz de contar moléculas específicas em uma amostra química. As primeiras aplicações úteis de nanomáquinas podem ser em nanomedicina. Por exemplo, máquinas biológicas poderiam ser usadas para identificar e destruir células cancerígenas. Outra aplicação potencial é a detecção de produtos químicos tóxicos e a medição de suas concentrações no meio ambiente. Rice University demonstrou um carro de molécula única desenvolvido por um processo químico e incluindo Buckminsterfullerenes (buckyballs) para rodas. Ele é acionado controlando a temperatura ambiente e posicionando uma ponta do microscópio de tunelamento de varredura.

Outra definição é um robô que permite interações precisas com objetos em nanoescala, ou pode manipular com resolução em nanoescala. Tais dispositivos estão mais relacionados à microscopia ou microscopia de varredura por sonda, em vez da descrição de nanorobôs como máquinas moleculares. Usando a definição de microscopia, mesmo um grande aparelho como um microscópio de força atômica pode ser considerado um instrumento nanorobótico quando configurado para realizar nanomanipulação. Para esse ponto de vista, os robôs de macroescala ou microrrobôs que podem se mover com precisão em nanoescala também podem ser considerados nanorobôs.

Teoria Nanorobótica
De acordo com Richard Feynman, foi seu ex-aluno de pós-graduação e colaborador Albert Hibbs que originalmente sugeriu a ele (por volta de 1959) a idéia de um uso médico para as micro-máquinas teóricas de Feynman (veja nanomachine). Hibbs sugeriu que certas máquinas de conserto poderiam um dia ser reduzidas em tamanho a ponto de, em teoria, fosse possível (como Feynman disse) “engolir o cirurgião”. A ideia foi incorporada no ensaio de 1959 de Feynman, Há Muito Espaço na Parte Inferior.

Como os nanorobôs seriam microscópicos em tamanho, provavelmente seria necessário que um número muito grande deles trabalhasse em conjunto para realizar tarefas microscópicas e macroscópicas. Esses enxames de nanorrobôs, tanto aqueles incapazes de se replicar (como na neblina de utilidade) quanto aqueles capazes de se replicar sem restrições no ambiente natural (como na gosma cinza e suas variantes menos comuns, como biologia sintética ou nevoeiro utilitário), são encontrados em muitas ciências. histórias de ficção, como as nanoprobes de Borg em Star Trek e The Outer Limits episódio “The New Breed”.

Alguns defensores dos nanorobóticos, em reação aos cenários cinzentos que antes ajudaram a propagar, mantêm a visão de que os nanorrobôs capazes de se replicar fora de um ambiente de fábrica restrito não formam uma parte necessária de uma suposta nanotecnologia produtiva, e que o processo de a auto-replicação, se alguma vez fosse desenvolvida, poderia ser inerentemente segura. Eles afirmam ainda que seus planos atuais para o desenvolvimento e uso de fabricação molecular não incluem, de fato, replicadores de forrageio livre.

A discussão teórica mais detalhada sobre nanorobótica, incluindo questões específicas de design como sensoriamento, comunicação de potência, navegação, manipulação, locomoção e computação a bordo, foi apresentada no contexto médico da nanomedicina por Robert Freitas. Algumas dessas discussões permanecem no nível de generalidade inacessível e não se aproximam do nível de engenharia detalhada.

Implicações legais e éticas

Tecnologia aberta
Um documento com uma proposta sobre desenvolvimento de nanobiotecnologia usando métodos de tecnologia de projeto aberto, como em hardware de código aberto e software de código aberto, foi endereçado à Assembléia Geral das Nações Unidas. De acordo com o documento enviado às Nações Unidas, da mesma forma que o código aberto tem acelerado nos últimos anos o desenvolvimento de sistemas de computação, uma abordagem semelhante deve beneficiar a sociedade em geral e acelerar o desenvolvimento de nanorrobôs. O uso da nanobiotecnologia deve ser estabelecido como uma herança humana para as gerações vindouras e desenvolvido como uma tecnologia aberta baseada em práticas éticas para propósitos pacíficos. A tecnologia aberta é declarada como uma chave fundamental para esse objetivo.

Corrida Nanorobot
Da mesma forma que a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico impulsionaram a corrida espacial e a corrida armamentista nuclear, está ocorrendo uma corrida por nanorrobôs. Há muito terreno que permite a inclusão de nanorrobôs entre as tecnologias emergentes. Algumas das razões são que grandes corporações, como a General Electric, a Hewlett-Packard, a Synopsys, a Northrop Grumman e a Siemens, têm trabalhado recentemente no desenvolvimento e pesquisa de nanorrobôs; cirurgiões estão se envolvendo e começando a propor maneiras de aplicar nanorobôs para procedimentos médicos comuns; universidades e institutos de pesquisa receberam fundos de agências governamentais que ultrapassaram US $ 2 bilhões para desenvolver nanodispositivos para medicina; Os banqueiros também estão estrategicamente investindo com a intenção de adquirir direitos antecipados e royalties sobre a futura comercialização de nanorrobôs. Alguns aspectos do litígio de nanorrobôs e questões relacionadas ao monopólio já surgiram. Um grande número de patentes foi concedido recentemente em nanorrobôs, feito principalmente para agentes de patentes, empresas especializadas exclusivamente na construção de portfólios de patentes e advogados. Após uma longa série de patentes e, eventualmente, litígios, ver, por exemplo, a Invenção do Rádio, ou a Guerra das Correntes, campos emergentes da tecnologia tendem a se tornar um monopólio, que normalmente é dominado por grandes corporações.

Abordagens de manufatura
Fabricar nanomáquinas montadas a partir de componentes moleculares é uma tarefa muito desafiadora. Devido ao nível de dificuldade, muitos engenheiros e cientistas continuam trabalhando cooperativamente em abordagens multidisciplinares para alcançar avanços nessa nova área de desenvolvimento. Assim, é perfeitamente compreensível a importância das seguintes técnicas distintas atualmente aplicadas na fabricação de nanorrobôs:

Biochip
O uso conjunto de nanoeletrônica, fotolitografia e novos biomateriais fornece uma abordagem possível para a fabricação de nanorrobôs para usos médicos comuns, como instrumentação cirúrgica, diagnóstico e administração de medicamentos. Este método de fabricação em escala de nanotecnologia está em uso na indústria eletrônica desde 2008. Portanto, os nanorrobôs práticos devem ser integrados como dispositivos nanoeletrônicos, o que permitirá a teleoperação e recursos avançados para instrumentação médica.

Nubots
Um robô de ácido nucléico (nubot) é uma máquina molecular orgânica na nanoescala. A estrutura do DNA pode fornecer meios para montar dispositivos nanomecânicos 2D e 3D. Máquinas baseadas em DNA podem ser ativadas usando pequenas moléculas, proteínas e outras moléculas de DNA. Portões de circuitos biológicos baseados em materiais de DNA foram projetados como máquinas moleculares para permitir a entrega in-vitro de medicamentos para problemas de saúde específicos. Tais sistemas baseados em materiais funcionariam mais de perto para a entrega inteligente do sistema de drogas biomateriais, embora não permitissem a teleoperação precisa in vivo de tais protótipos projetados.

Sistemas ligados à superfície
Vários relatórios demonstraram a fixação de motores moleculares sintéticos em superfícies. Mostrou-se que estas nanomáquinas primitivas se submetem a movimentos semelhantes a máquinas quando confinados à superfície de um material macroscópico. Os motores de superfície ancorada poderiam potencialmente ser usados ​​para mover e posicionar materiais em nanoescala em uma superfície na forma de uma correia transportadora.

Nanoassembly posicional
A Nanofactory Collaboration, fundada por Robert Freitas e Ralph Merkle em 2000 e envolvendo 23 pesquisadores de 10 organizações e 4 países, se concentra no desenvolvimento de uma agenda de pesquisa prática especificamente voltada para o desenvolvimento de mecanossíntese de diamantes controlada por posição e uma nanofábrica diamantóide que teria a capacidade de construir nanorrobôs médicos diamantóides.

Biohybrids
O campo emergente de sistemas bio-híbridos combina elementos estruturais biológicos e sintéticos para aplicações biomédicas ou robóticas. Os elementos constituintes dos sistemas bio-nanoeletromecânicos (BioNEMS) são de tamanho nanoscópico, por exemplo, DNA, proteínas ou partes mecânicas nanoestruturadas. As resistências tioleno-ebem permitem a escrita direta de características em nanoescala, seguida pela funcionalização da superfície de resistência nativa reativa com biomoléculas. Outras abordagens usam um material biodegradável ligado a partículas magnéticas que permitem guiá-las ao redor do corpo.

Baseada em bactérias
Esta abordagem propõe o uso de microrganismos biológicos, como a bactéria Escherichia coli e Salmonella typhimurium. Assim, o modelo usa um flagelo para propósitos de propulsão. Campos eletromagnéticos normalmente controlam o movimento desse tipo de dispositivo biológico integrado. Químicos da Universidade de Nebraska criaram um medidor de umidade ao fundir uma bactéria a um chip de silicone.

Baseado em vírus
Os retrovírus podem ser retreinados para se ligarem às células e substituir o DNA. Eles passam por um processo chamado transcrição reversa para entregar embalagens genéticas em um vetor. Geralmente, esses dispositivos são genes Pol-Gag do vírus para o sistema Capsid and Delivery. Esse processo é chamado de terapia gênica retroviral, tendo a capacidade de reprojetar o DNA celular pelo uso de vetores virais. Esta abordagem apareceu na forma de sistemas de entrega de genes retrovirais, adenovirais e lentivirais. Esses vetores de terapia gênica têm sido usados ​​em gatos para enviar genes para o organismo geneticamente modificado (OGM), fazendo com que ele exiba o traço.

impressao 3D
Impressão 3D é o processo pelo qual uma estrutura tridimensional é construída através dos vários processos de manufatura aditiva. A impressão 3D em nanoescala envolve muitos dos mesmos processos, incorporados em uma escala muito menor. Para imprimir uma estrutura na escala de 5-400 µm, a precisão da máquina de impressão 3D é melhorada consideravelmente. Um processo de duas etapas de impressão 3D, usando um método de impressão 3D e placas gravadas a laser, foi incorporado como uma técnica de melhoria. Para ser mais preciso em nanoescala, o processo de impressão 3D usa uma máquina de gravação a laser, que grava em cada placa os detalhes necessários para o segmento de nanorrobô. A placa é então transferida para a impressora 3D, que preenche as regiões gravadas com a nanopartícula desejada. O processo de impressão 3D é repetido até que o nanorobô seja construído de baixo para cima. Este processo de impressão 3D tem muitos benefícios. Primeiro, aumenta a precisão geral do processo de impressão. Em segundo lugar, ele tem o potencial de criar segmentos funcionais de um nanorobô. A impressora 3D usa uma resina líquida, que é endurecida precisamente nos pontos corretos por um feixe de laser focalizado. O ponto focal do feixe de laser é guiado através da resina por espelhos móveis e deixa para trás uma linha endurecida de polímero sólido, com apenas algumas centenas de nanômetros de largura. Esta resolução fina permite a criação de esculturas intricadamente estruturadas tão pequenas como um grão de areia. Esse processo ocorre usando resinas fotoativas, que são endurecidas pelo laser em uma escala extremamente pequena para criar a estrutura. Este processo é rápido pelos padrões de impressão 3D em nanoescala. Características ultra-pequenas podem ser feitas com a técnica de micro-fabricação 3D usada em fotopolimerização multifotônica. Essa abordagem usa um laser focalizado para traçar o objeto 3D desejado em um bloco de gel. Devido à natureza não linear da excitação fotográfica, o gel é curado em um sólido somente nos locais onde o laser foi focalizado, enquanto o restante do gel é então lavado. Tamanhos de recursos de menos de 100 nm são facilmente produzidos, assim como estruturas complexas com partes móveis e intertravadas.

Usos potenciais

Nanomedicina
As utilizações potenciais para os nanorobóticos na medicina incluem o diagnóstico precoce e o fornecimento direcionado de drogas para o câncer, instrumentação biomédica, cirurgia, farmacocinética, monitoramento do diabetes e cuidados com a saúde.

Nesses planos, espera-se que a futura nanotecnologia médica empregue nanorrobôs injetados no paciente para realizar o trabalho em nível celular. Tais nanorrobôs destinados ao uso em medicina não devem ser replicativos, pois a replicação aumentaria desnecessariamente a complexidade do dispositivo, reduziria a confiabilidade e interferiria na missão médica.

A nanotecnologia fornece uma ampla gama de novas tecnologias para o desenvolvimento de meios personalizados para otimizar a entrega de medicamentos. Hoje, os efeitos colaterais prejudiciais de tratamentos como a quimioterapia são comumente resultado de métodos de entrega de medicamentos que não identificam com precisão as células-alvo pretendidas. Pesquisadores de Harvard e do MIT, no entanto, conseguiram prender fitas de RNA especiais, medindo cerca de 10 nm de diâmetro, a nanopartículas, preenchendo-as com um medicamento de quimioterapia. Essas cadeias de RNA são atraídas pelas células cancerígenas. Quando a nanopartícula encontra uma célula cancerosa, adere a ela e libera a droga na célula cancerosa. Este método direcionado de administração de medicamentos tem um grande potencial para o tratamento de pacientes com câncer, ao mesmo tempo em que evita efeitos negativos (comumente associados à administração inadequada de medicamentos). A primeira demonstração de nanomotores operando em organismo vivo foi realizada em 2014 na Universidade da Califórnia, em San Diego. Nanocápsulas guiadas por MRI são um potencial precursor de nanorrobôs.

Outra aplicação útil de nanorrobôs é auxiliar na reparação de células de tecido ao lado de glóbulos brancos. O recrutamento de células inflamatórias ou glóbulos brancos (que incluem granulócitos, linfócitos, monócitos e mastócitos de neutrófilos) para a área afetada é a primeira resposta dos tecidos à lesão. Devido ao seu pequeno tamanho, os nanorrobôs podem se unir à superfície dos glóbulos brancos recrutados, abrir caminho através das paredes dos vasos sanguíneos e chegar ao local da lesão, onde podem auxiliar no processo de reparo tecidual. Certas substâncias poderiam ser usadas para acelerar a recuperação.

A ciência por trás desse mecanismo é bastante complexa. A passagem de células através do endotélio sanguíneo, um processo conhecido como transmigração, é um mecanismo que envolve o envolvimento de receptores da superfície celular a moléculas de adesão, esforço de força ativa e dilatação das paredes dos vasos e deformação física das células migratórias. Ao ligar-se à migração de células inflamatórias, os robôs podem, na verdade, “pegar uma carona” pelos vasos sanguíneos, evitando a necessidade de um mecanismo de transmigração complexo.

A partir de 2016, nos Estados Unidos, a Food and Drug Administration (FDA) regula a nanotecnologia com base no tamanho.

Soutik Betal, durante sua pesquisa de doutorado na Universidade do Texas, San Antonio desenvolveu partículas de nanocompósito que são controladas remotamente por um campo eletromagnético. Esta série de nanorrobôs que agora estão inscritos no Recorde Mundial do Guinness, pode ser usada para interagir com as células biológicas. Os cientistas sugerem que esta tecnologia pode ser usada para o tratamento do câncer.

Referências culturais
Os Nanites são personagens do programa de televisão Mystery Science Theatre 3000. Eles são organismos auto-reprodutores e bioengenharia que trabalham na nave e residem nos sistemas de computador da SOL. Eles fizeram sua primeira aparição na 8 ª temporada.

Nanites são usados ​​em vários episódios da série “Travelers” da Netflix. Eles são programados e injetados em pessoas feridas para realizar reparos.