Nowy narzędzie do projektowania złożonych robotów i urządzeń DNA

Jednym z najbardziej obiecujących obszarów robotyki są miniaturowe roboty i urządzenia oparte na DNA, które naukowcy uważają za potencjalnie zdolne do dostarczania celowanej medycyny w ludzkim organizmie. Mogą one również służyć do wykrywania patogenów i przyczyniać się do rozwoju mniejszych urządzeń elektronicznych.

Ostatni postęp w tej dziedzinie nastąpił, gdy naukowcy z Uniwersytetu Stanu Ohio opracowali nowe narzędzie, które umożliwia projektowanie znacznie bardziej złożonych robotów i urządzeń DNA niż było to możliwe wcześniej. Jednocześnie te bardziej złożone systemy mogą być opracowane w ułamku czasu.

Badania zostały opublikowane w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Nature Materials, a kierował nimi były doktorant na wydziale inżynierii Chao-Min Huang.

Nowe oprogramowanie, nazwane MagicDNA, pomaga naukowcom projektować sposoby łączenia małych nici DNA w celu tworzenia złożonych struktur z elementami takimi jak rotory i zawiasy. Te elementy mogą poruszać się i wykonywać różne zadania, takie jak dostarczanie leków.

Według Carlosa Castro, współautora badań i associate profesora inżynierii mechanicznej i lotniczej na uniwersytecie, naukowcy tradycyjnie polegali na wolniejszych narzędziach i ręcznych krokach w tych procesach.

“Ale teraz, urządzenia nano, które mogłyby nam zająć kilka dni projektowania wcześniej, teraz zajmują nam tylko kilka minut”, powiedział Castro.

Te nowe projekty są znacznie bardziej złożone i tworzą wydajne urządzenia nano.

Hai-Jun Su jest innym współautorem i profesorem inżynierii mechanicznej i lotniczej na uniwersytecie.

“Wcześniej mogliśmy budować urządzenia z maksymalnie sześcioma oddzielnymi komponentami i łączyć je za pomocą stawów i zawiasów, próbując wykonać złożone ruchy”, powiedział Su.

“Z tym oprogramowaniem, nie jest trudno zbudować roboty lub inne urządzenia z ponad 20 komponentami, które są znacznie łatwiejsze do kontrolowania. To ogromny krok w naszej zdolności do projektowania urządzeń nano, które mogą wykonywać złożone czynności, które chcemy, aby wykonywały.”

Naukowcy mają nadzieję, że oprogramowanie nie tylko stworzy lepsze projekty i bardziej przydatne urządzenia nano, ale także przyspieszy ramy czasowe, w których staną się one codziennymi narzędziami.

Nowy podejście umożliwia naukowcom przeprowadzenie procesu projektowania w 3D. Wcześniejsze narzędzia działały w 2D, co oznaczało, że naukowcy musieli mapować swoje kreacje w 3D. Dzięki temu, urządzenia były ograniczone pod względem złożoności.

Od dołu do góry lub od góry do dołu

Innym kluczowym aspektem oprogramowania jest to, że umożliwia naukowcom tworzenie struktur DNA “od dołu do góry” lub “od góry do dołu”. Z pierwszym, naukowcy organizują pojedyncze nici DNA w pożądaną strukturę, co oznacza, że mogą mieć dokładną kontrolę nad lokalną strukturą urządzenia i właściwościami.

Z podejściem “od góry do dołu”, mogą zdecydować, jak całe urządzenie powinno być kształtowane geometrycznie, a następnie zautomatyzować organizację nici DNA. Łącząc obie techniki, ogólna geometria może stać się bardziej złożona, jednocześnie zachowując precyzyjną kontrolę nad poszczególnymi właściwościami komponentów.

Oprogramowanie umożliwia również naukowcom symulowanie, jak zaprojektowane urządzenia DNA będą działać w świecie rzeczywistym.

“Im bardziej skomplikowane są te struktury, tym trudniej jest przewidzieć, jak będą wyglądać i jak będą się zachowywać”, powiedział Castro.

“Jest to kluczowe, aby móc symulować, jak nasze urządzenia będą działać. W przeciwnym razie, marnujemy dużo czasu.”

Tworzenie nanostruktur

Anjelica Kucinic jest współautorem i doktorantką na wydziale inżynierii chemicznej i bioinżynierii na Ohio State. Kucinic kierowała zespołem naukowców, którzy tworzyli i charakteryzowali nanostruktury zaprojektowane przez oprogramowanie.

Urządzenia stworzone przez zespół obejmowały ramiona robota z szczypcami oraz strukturę o wielkości 100 nanometrów, która wygląda jak samolot. Ostatnia jest 1000 razy mniejsza niż szerokość pojedynczego ludzkiego włosa.

Te urządzenia mogą mieć duże znaczenie w opiece zdrowotnej.

“Bardziej złożone urządzenie może nie tylko wykryć, że coś złego się dzieje, ale także zareagować, uwalniając lek lub schwytując patogen”, powiedział Castro

“Chcemy móc projektować roboty, które reagują w określony sposób na bodziec lub poruszają się w określony sposób.”

“Coraz więcej jest komercyjnego zainteresowania technologią nano DNA”, kontynuował. “Myślę, że w ciągu najbliższych pięciu do dziesięciu lat zaczniemy widzieć komercyjne zastosowania urządzeń nano DNA i jesteśmy optymistami, że to oprogramowanie może pomóc w tym.”