¿Qué son los Nanobots? Entendiendo la Estructura, Operación y Usos de los Nanobots

A medida que avanza la tecnología, las cosas no siempre se vuelven más grandes y mejores, los objetos también se vuelven más pequeños. De hecho, la nanotecnología es uno de los campos tecnológicos de crecimiento más rápido, con un valor de más de 1 billón de USD, y se prevé que crezca aproximadamente un 17% en los próximos cinco años. Los nanobots son una parte importante del campo de la nanotecnología, pero ¿qué son exactamente y cómo operan? Analicemos los nanobots para entender cómo funciona esta tecnología transformadora y para qué se utiliza.

¿Qué son los Nanobots?

El campo de la nanotecnología se ocupa de la investigación y desarrollo de tecnología aproximadamente de uno a 100 nanómetros de escala. Por lo tanto, la nanorobótica se centra en la creación de robots que tienen aproximadamente este tamaño. En la práctica, es difícil ingeniar algo tan pequeño como un nanómetro de escala y el término “nanorobótica” y “nanobot” se aplica frecuentemente a dispositivos que son aproximadamente 0,1-10 micrómetros de tamaño, lo que sigue siendo bastante pequeño.

Es importante tener en cuenta que el término “nanorobot” a veces se aplica a dispositivos que interactúan con objetos a escala nanométrica, manipulando elementos a escala nanométrica. Por lo tanto, incluso si el dispositivo en sí es mucho más grande, puede considerarse un instrumento nanorobótico. Este artículo se centrará en los robots a escala nanométrica en sí mismos.

Gran parte del campo de la nanorobótica y los nanobots aún se encuentra en la fase teórica, con investigaciones centradas en resolver los problemas de construcción a una escala tan pequeña. Sin embargo, se han diseñado y probado algunos prototipos de nanomáquinas y nanomotores.

La mayoría de los dispositivos nanorobóticos existentes caen en una de cuatro categorías: interruptores, motores, transportadores y coches.

Los interruptores nanorobóticos operan al cambiar de un estado “apagado” a un estado “encendido”. Los factores ambientales se utilizan para hacer que la máquina cambie de forma, un proceso llamado cambio conformacional. El ambiente se altera mediante procesos como reacciones químicas, luz ultravioleta y temperatura, y los interruptores nanorobóticos cambian a diferentes formas como resultado, capaces de realizar tareas específicas.

Los nanomotores son más complejos que los simples interruptores y utilizan la energía creada por los efectos del cambio conformacional para moverse y afectar las moléculas en el entorno circundante.

Los transportadores son nanobots capaces de transportar productos químicos como medicamentos a regiones específicas y objetivo. El objetivo es combinar los transportadores con los nanomotores para que los transportadores puedan moverse a través de un entorno con un mayor grado de libertad.

Los “coches” nanorobóticos son los dispositivos nanomás avanzados en este momento, capaces de moverse de forma independiente con impulsos de catalizadores químicos o electromagnéticos. Los nanomotores que impulsan los coches nanorobóticos necesitan ser controlados para que el vehículo pueda ser dirigido, y los investigadores están experimentando con varios métodos de control nanorobótico.

Los investigadores de nanorobótica buscan sintetizar estos diferentes componentes y tecnologías en nanomáquinas que puedan realizar tareas complejas, logradas por enjambres de nanobots que trabajan juntos.

Foto: “Comparación de los tamaños de los nanomateriales con los de otros materiales comunes.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

¿Cómo se Crean los Nanobots?

El campo de la nanorobótica se encuentra en la intersección de muchas disciplinas y la creación de nanobots implica la creación de sensores, actuadores y motores. Es necesario realizar modelado físico y todo esto debe hacerse a escala nanométrica. Como se mencionó anteriormente, se utilizan dispositivos de nanomanipulación para ensamblar estas partes a escala nanométrica y manipular componentes artificiales o biológicos, lo que incluye la manipulación de células y moléculas.

Los ingenieros de nanorobótica deben ser capaces de resolver una multitud de problemas. Deben abordar cuestiones relacionadas con la sensación, el control de energía, las comunicaciones y las interacciones entre materiales inorgánicos y orgánicos.

El tamaño de un nanobot es aproximadamente comparable al de las células biológicas, y debido a este hecho, los nanobots futuros podrían ser empleados en disciplinas como la medicina y la preservación/remediación ambiental. La mayoría de los “nanobots” que existen hoy en día son solo moléculas específicas que han sido manipuladas para realizar tareas específicas.

Los nanobots complejos son esencialmente moléculas simples unidas y manipuladas con procesos químicos. Por ejemplo, algunos nanobots están compuestos de ADN, y transportan carga molecular.

¿Cómo Operan los Nanobots?

Dada la naturaleza aún muy teórica de los nanobots, las preguntas sobre cómo operan los nanobots se responden con predicciones en lugar de hechos. Es probable que los primeros usos importantes para los nanobots sean en el campo médico, moviéndose a través del cuerpo humano y realizando tareas como diagnosticar enfermedades, monitorear signos vitales y dispensar tratamientos. Estos nanobots necesitarán ser capaces de navegar a través del cuerpo humano y moverse a través de tejidos como los vasos sanguíneos.

Navegación

En cuanto a la navegación de los nanobots, hay varias técnicas que los investigadores y ingenieros de nanobots están investigando. Un método de navegación es la utilización de señalesales ultrasonoras para la detección y despliegue. Un nanobot podría emitir señalesales ultrasonoras que podrían ser rastreadas para localizar la posición de los nanobots, y los robots podrían ser guiados a áreas específicas con el uso de una herramienta especial que dirige su movimiento. Los dispositivos de Imagen por Resonancia Magnética (MRI) también podrían ser utilizados para rastrear la posición de los nanobots, y experimentos tempranos con MRI han demostrado que la tecnología puede ser utilizada para detectar y incluso maniobrar nanobots. Otros métodos de detección y maniobra de nanobots incluyen el uso de rayos X, microondas y ondas de radio. En este momento, nuestro control sobre estas ondas a escala nanométrica es bastante limitado, por lo que se necesitarían inventar nuevos métodos para utilizar estas ondas.

Los sistemas de navegación y detección descritos anteriormente son métodos externos, que dependen del uso de herramientas para mover los nanobots. Con la adición de sensores a bordo, los nanobots podrían ser más autónomos. Por ejemplo, sensores químicos incluidos a bordo de los nanobots podrían permitir que el robot escanee el entorno circundante y siga ciertos marcadores químicos hasta una región objetivo.

Poder

En cuanto al poder de los nanobots, también hay varias soluciones de energía que los investigadores están explorando. Las soluciones para alimentar los nanobots incluyen fuentes de energía externas y fuentes de energía internas/a bordo.

Las soluciones de energía interna incluyen generadores y condensadores. Los generadores a bordo del nanobot podrían utilizar los electrolitos encontrados dentro de la sangre para producir energía, o los nanobots podrían incluso ser alimentados utilizando la sangre circundante como un catalizador químico que produce energía cuando se combina con un químico que el nanobot lleva consigo. Los condensadores operan de manera similar a las baterías, almacenando energía eléctrica que podría ser utilizada para impulsar el nanobot. Otras opciones como fuentes de energía nuclear en miniatura también han sido consideradas.

En cuanto a las fuentes de energía externas, cables muy delgados podrían unir los nanobots a una fuente de energía externa. Dichos cables podrían estar hechos de cables de fibra óptica en miniatura, enviando pulsos de luz a lo largo de los cables y teniendo la electricidad real generada dentro del nanobot.

Otras soluciones de energía externa incluyen campos magnéticos o señalesales ultrasonoras. Los nanobots podrían emplear algo llamado membrana piezoeléctrica, que es capaz de recoger ondas ultrasonoras y transformarlas en energía eléctrica. Los campos magnéticos pueden ser utilizados para catalizar corrientes eléctricas dentro de un bucle conductor cerrado contenido a bordo del nanobot. Como bonus, el campo magnético también podría ser utilizado para controlar la dirección del nanobot.

Locomoción

Abordar el problema de la locomoción de los nanobots requiere algunas soluciones inventivas. Los nanobots que no están unidos o no flotan libremente en su entorno necesitan tener algún método de movimiento hacia sus ubicaciones objetivo. El sistema de propulsión necesitará ser poderoso y estable, capaz de impulsar el nanobot contra las corrientes en su entorno circundante, como el flujo de la sangre. Las soluciones de propulsión bajo investigación a menudo están inspiradas en el mundo natural, con investigadores que observan cómo los organismos microscópicos se mueven a través de su entorno. Por ejemplo, los microorganismos a menudo utilizan colas largas y similares a látigos llamadas flagelos para impulsarse, o utilizan una serie de extremidades pequeñas y similares a pelos llamadas cilios.

Los investigadores también están experimentando con dar a los robots pequeños apéndices similares a brazos que podrían permitir que el robot nade, agarre y trepe. Actualmente, estos apéndices están controlados mediante campos magnéticos fuera del cuerpo, ya que la fuerza magnética hace que los brazos del robot vibren. Un beneficio adicional de este método de locomoción es que la energía para ello proviene de una fuente externa. Esta tecnología necesitaría ser aún más pequeña para ser viable para los verdaderos nanobots.

Hay otras estrategias de propulsión más inventivas que también están bajo investigación. Por ejemplo, algunos investigadores han propuesto utilizar condensadores para ingeniar una bomba electromagnética que podría atraer fluidos conductores y expulsarlos como un chorro, impulsando el nanobot hacia adelante.

Independientemente de la aplicación final de los nanobots, deben resolver los problemas descritos anteriormente, manejando la navegación, la locomoción y la energía.

¿Para Qué se Utilizan los Nanobots?

Como se mencionó, los primeros usos para los nanobots probablemente serán en el campo médico. Los nanobots podrían ser utilizados para monitorear daños en el cuerpo y potencialmente incluso facilitar la reparación de este daño. Los nanobots futuros podrían entregar medicamentos directamente a las células que los necesitan. Actualmente, los medicamentos se administran oralmente o por vía intravenosa y se dispersan por todo el cuerpo en lugar de golpear solo las regiones objetivo, causando efectos secundarios. Los nanobots equipados con sensores podrían ser utilizados fácilmente para monitorear cambios en regiones de células, informando cambios en el primer signo de daño o disfunción.

Todavía estamos lejos de estas aplicaciones hipotéticas, pero se está haciendo progreso todo el tiempo. Por ejemplo, en 2017, los científicos crearon nanobots que apuntaban a las células cancerosas y las atacaban con un taladro miniaturizado, matándolas. Este año, un grupo de investigadores de la Universidad ITMO diseñó un nanobot compuesto por fragmentos de ADN, capaz de destruir cadenas de ARN patógenas. Los nanobots basados en ADN también son capaces de transportar carga molecular, el nanobot está hecho de tres secciones de ADN diferentes, maniobrando con una “pierna” de ADN y llevando moléculas específicas con el uso de un “brazo”.

Más allá de las aplicaciones médicas, se está investigando el uso de nanobots para la limpieza y remediación ambiental. Los nanobots podrían potencialmente ser utilizados para eliminar metales pesados tóxicos y plásticos de cuerpos de agua. Los nanobots podrían llevar compuestos que rinden sustancias tóxicas inactivas cuando se combinan, o podrían ser utilizados para degradar desechos de plástico a través de procesos similares. También se está investigando el uso de nanobots para facilitar la producción de chips y procesadores de computadora extremadamente pequeños, esencialmente utilizando nanobots para producir circuitos de computadora a escala micro.