רובוטיקה
כלי חדש מעצב רובוטי DNA מורכבים וננו-מכשירים
אחד התחומים המבטיחים ביותר בתחום הרובוטיקה כולל רובוטים וננו-מכשירים זעירים מבוססי DNA, אשר מדענים מאמינים שבסופו של דבר יוכלו לספק רפואה ממוקדת בגוף האדם. הם יכולים לשמש גם לאיתור פתוגנים ולהוביל לפיתוח של אלקטרוניקה קטנה יותר.
התקדמות לאחרונה בתחום זה הגיעה כאשר חוקרים מאוניברסיטת אוהיו סטייט פיתחו כלי חדש המאפשר תכנון של רובוטים וננו-ננו מורכבים הרבה יותר ממה שהיה אפשרי בעבר. יחד עם זאת, ניתן לפתח מערכות מורכבות יותר אלו רק בחלק מהזמן.
המחקר פורסם בחודש שעבר בכתב העת חומרי טבע, והוא הובל על ידי דוקטורנט להנדסה לשעבר צ'או-מין הואנג.
התוכנה החדשה, הנקראת MagicDNA, עוזרת לחוקרים לתכנן דרכים לשלב גדילים זעירים של DNA ליצירת מבנים מורכבים עם חלקים כמו רוטורים וצירים. חלקים אלה יכולים לנוע ולהשלים משימות שונות, כגון מתן תרופות.
לדברי קרלוס קסטרו, מחבר שותף של המחקר ופרופסור חבר להנדסת מכונות וחלל באוניברסיטה, חוקרים הסתמכו באופן מסורתי על כלים איטיים יותר ושלבים ידניים עבור תהליכים אלה.
"אבל עכשיו, ננו-מכשירים שאולי לקח לנו כמה ימים לעצב לפני, לוקח לנו רק כמה דקות", אמר קסטרו.
העיצובים החדשים הללו מורכבים הרבה יותר ויוצרים ננו-מכשירים יעילים.
Hai-Jun Su הוא מחבר נוסף ופרופסור להנדסת מכונות וחלל באוניברסיטה.
"בעבר, יכולנו לבנות מכשירים עם עד שישה רכיבים בודדים ולחבר אותם עם מפרקים וצירים ולנסות לגרום להם לבצע תנועות מורכבות", אמר סו.
"עם התוכנה הזו, לא קשה ליצור רובוטים או מכשירים אחרים עם למעלה מ-20 רכיבים שהרבה יותר קל לשלוט בהם. זהו צעד עצום ביכולת שלנו לעצב ננו-מכשירים שיכולים לבצע את הפעולות המורכבות שאנו רוצים שיעשו".
החוקרים מקווים שהתוכנה לא רק תיצור עיצובים טובים יותר וננו-מכשירים מועילים יותר, אלא שהיא גם תזרז את מסגרת הזמן שבה הם יהפכו לכלים יומיומיים.
הגישה החדשה מאפשרת לחוקרים לבצע את תהליך התכנון בתלת מימד. כלים קודמים עבדו ב-3D, מה שאומר שהחוקרים נאלצו למפות את היצירות ל-2D. בכך, המכשירים הוגבלו במורכבותם.
מלמטה למעלה או מלמעלה למטה
היבט מרכזי נוסף של התוכנה הוא שהיא מאפשרת לחוקרים ליצור מבני DNA "מלמטה למעלה" או "מלמעלה למטה". עם הראשון, החוקרים מארגנים גדילים בודדים של DNA למבנה הרצוי, כלומר הם יכולים לשלוט היטב על מבנה ומאפייני המכשיר המקומיים.
עם הגישה "מלמעלה למטה", הם יכולים להחליט כיצד יש לעצב את המכשיר הכולל בצורה גיאומטרית, ואז הם יכולים להפוך את הארגון של גדילי ה-DNA לאוטומטי. על ידי שילוב של שתי הטכניקות, הגיאומטריה הכוללת יכולה להפוך למורכבת יותר תוך שמירה על שליטה מדויקת על מאפייני רכיבים בודדים.
התוכנה גם מאפשרת לחוקרים לדמות כיצד מכשירי ה-DNA המעוצבים יפעלו בעולם האמיתי.
"ככל שאתה הופך את המבנים האלה למורכבים יותר, קשה לחזות בדיוק איך הם הולכים להיראות ואיך הם הולכים להתנהג", אמר קסטרו.
"זה קריטי להיות מסוגל לדמות כיצד המכשירים שלנו יפעלו בפועל. אחרת, אנחנו מבזבזים הרבה זמן".
יצירת הננו-מבנים
אנג'ליקה קוצ'יניץ' היא מחברת שותפה ודוקטורנטית בהנדסה כימית וביו-מולקולרית במדינת אוהיו. Kucinic הוביל את צוות החוקרים ביצירת ואפיון ננו-מבנים שתוכננו על ידי התוכנה.
המכשירים שיצר הצוות כללו זרועות רובוט עם טפרים, ומבנה בגודל מאה ננומטר שנראה כמו מטוס. האחרון קטן פי 1000 מרוחב של שערה אנושית אחת.
למכשירים אלה עשויות להיות השלכות גדולות בתחום הבריאות.
"מכשיר מורכב יותר עשוי לא רק לזהות שמשהו רע קורה, אלא יכול גם להגיב על ידי שחרור תרופה או לכידת הפתוגן", אמר קסטרו
"אנחנו רוצים להיות מסוגלים לעצב רובוטים שיגיבו בצורה מסוימת לגירוי או נעים בצורה מסוימת."
"יש יותר ויותר עניין מסחרי בננוטכנולוגיה של DNA", המשיך. "אני חושב שבחמש עד 10 השנים הקרובות נתחיל לראות יישומים מסחריים של מכשירי ננו-דנ"א ואנחנו אופטימיים שהתוכנה הזו יכולה לעזור לזה".
