أداة جديدة لتصميم روبوتات ونانوأجهزة دنا معقدة

من أحد المجالات الواعدة في مجال الروبوتات تتضمن روبوتات ونانوأجهزة دنا الصغيرة، والتي يعتقد العلماء أنها ستكون قادرة في النهاية على إيصال علاجات موجهة إلى الجسم البشري. كما يمكن استخدامها لاكتشاف مسببات الأمراض ويمكن أن تؤدي إلى تطوير إلكترونيات أصغر.

وتحقق تقدم最近 في هذا المجال عندما طور باحثون من جامعة ولاية أوهايو أداة جديدة تمكن من تصميم روبوتات ونانوأجهزة دنا أكثر تعقيدا من ما كان ممكنا في السابق. وفي الوقت نفسه ، يمكن تطوير هذه الأنظمة الأكثر تعقيدا في جزء صغير من الوقت.

نشر البحث الشهر الماضي في مجلة Nature Materials، وبه قاد الباحث السابق في الدراسات العليا في الهندسة تشاو-مين هوانغ.

تساعد البرمجيات الجديدة ، تسمى MagicDNA ، الباحثين على تصميم طرق لدمج خيوط دنا صغيرة لإنشاء هياكل معقدة مع أجزاء مثل المحركات والمفاصل. يمكن أن تتحرك هذه الأجزاء وتنفذ مهام مختلفة ، مثل توصيل العلاج.

وفقا لكارلوس كاسترو ، الذي شارك في البحث وأستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية والفضائية في الجامعة ، اعتمد الباحثون تقليديا على أدوات أبطأ وخطوات يدوية لهذه العمليات.

“لكن الآن ، يمكننا تصميم نانوأجهزة قد استغرق تصميمها عدة أيام في الماضي في بضع دقائق فقط ،” قال كاسترو.

تصميمات جديدة أكثر تعقيدا وتؤدي إلى إنشاء نانوأجهزة فعالة.

هي-جون سو هو أحد المشتركين في البحث وأستاذ في الهندسة الميكانيكية والفضائية في الجامعة.

“في السابق ، يمكننا بناء أجهزة مع ما يصل إلى ستة مكونات فردية وربطها بمفاصل ومحاور ومحاولة جعلها تنفذ حركات معقدة ،” قال سو.

“مع هذه البرمجيات ، ليس من الصعب إنشاء روبوتات أو أجهزة أخرى مع أكثر من 20 مكونا وتكون أكثر سهولة في التحكم. إنه خطوة كبيرة في قدرةنا على تصميم نانوأجهزة يمكنها أداء الإجراءات المعقدة التي نريد منها.

يتمنى الباحثون أن تساعد البرمجيات ليس فقط في إنشاء تصاميم أفضل وأجهزة نانو أكثر فائدة ، ولكن أيضا في تسريع الإطار الزمني لما سيصبح أدوات يومية.

تمكن النهج الجديد الباحثين من إجراء عملية التصميم في 3D. كانت الأدوات السابقة تعمل في 2D ، مما يعني أن الباحثين كانوا يضطرون إلى وضع الخلائط في 3D. من خلال القيام بذلك ، كانت الأجهزة محدودة في تعقيداتها.

من الأسفل إلى الأعلى أو من الأعلى إلى الأسفل

هناك جانب آخر مهم من البرمجيات هو أنها تمكن الباحثين من إنشاء هياكل دنا “من الأسفل إلى الأعلى” أو “من الأعلى إلى الأسفل”. مع الأولى ، يرتب الباحثون خيوط دنا فردية في الهيكل المرغوب فيه ، مما يعني أنهم يمكن أن يكونوا لديهم سيطرة دقيقة على هيكل الجهاز ومواصفاته المحلية.

مع نهج “من الأعلى إلى الأسفل” ، يمكنهم تحديد كيفية تشكيل الجهاز بشكل هندسي ، ويمكنهم بعد ذلك تلق.ai تنسيق خيوط دنا. من خلال الجمع بين التقنيتين ، يمكن أن يصبح الشكل الهندسي أكثر تعقيدا مع الحفاظ على السيطرة الدقيقة على خصائص المكونات الفردية.

تسمح البرمجيات أيضا للباحثين بمحاكاة كيفية عمل الأجهزة دنا المصممة في العالم الحقيقي.

“كلما زادت تعقيد هذه الهياكل ، يصبح من الصعب التنبؤ بدقة بالشكل الذي سيتخذونه والطريقة التي سيتحركون بها ،” قال كاسترو.

“من الحاسم أن نكون قادرين على محاكاة كيفية عمل أجهزتنا. وإلا ، سنضيع الكثير من الوقت.”

إنشاء النانوstructures

أنجيليكا كوسينيك هي أحد المشتركين في البحث وطالب دكتوراه في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في جامعة أوهايو. قادت كوسينيك فريقا من الباحثين في إنشاء وتحليل هياكل نانو مصممة بواسطة البرمجيات.

شملت الأجهزة التي أنشأها الفريق ذراع روبوت مع مخالب ، وهيكل بحجم 100 نانومتر يشبه الطائرة. الأخير أصغر 1000 مرة من عرض شعرة بشرية واحدة.

يمكن أن يكون لهذه الأجهزة عواقب كبيرة في مجال الرعاية الصحية.

“يمكن لأجهزة أكثر تعقيدا أن تكتشف ليس فقط أن هناك شيء سيء يحدث ، ولكنها يمكن أيضا أن تتفاعل عن طريق إطلاق دواء أو أسر المسببات المرضية ،” قال كاسترو.

“نريد أن نكون قادرين على تصميم روبوتات تستجيب بطريقة معينة لمحفز أو تتحرك بطريقة معينة.”

“هناك اهتمام تجاري متزايد بالتكنولوجيا النانوية الدنا ،” продолжил. “أعتقد أننا سوف نبدأ في رؤية تطبيقات تجارية لأجهزة دنا النانوية في течение الخمس إلى عشر سنوات القادمة ، ونحن متفائلون بأن هذه البرمجيات يمكن أن تساعد في دفع ذلك.”