Nowy Projekt Narzędzi Do Projektowania Złożonych Robotów DNA i Nanourządzeń

Jednym z najbardziej obiecujących obszarów w dziedzinie robotyki są miniaturowe roboty i nanourządzenia oparte na DNA, które naukowcy uważają za 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 DNA i nanourządzeń niż było to wcześniej możliwe. Jednocześnie te bardziej złożone systemy mogą być rozwijane 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 częściami, takimi jak rotor i zawias. Te części 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 nanourządzenia, 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 nanourządzenia.

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

“Poprzednio mogliśmy budować urządzenia z maksymalnie sześcioma oddzielnymi komponentami i łączyć je za pomocą stawów i zawiasów, aby spróbować 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 nanourządzeń, które mogą wykonywać złożone akcje, które chcemy, aby wykonywały”.

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

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

Od Dołu Do Góry

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

Z podejściem “od góry”, mogą zdecydować, jak ogólna konstrukcja urządzenia powinna być kształtowana geometrycznie, a następnie zautomatyzować organizację nici DNA. Łącząc obie techniki, ogólna geometria może stać się bardziej złożona, jednocześnie zachowując precyzyjną kontrolę nad właściwościami poszczególnych komponentów.

Oprogramowanie pozwala również naukowcom symulować, jak zaprojektowane urządzenia DNA będą działać w świecie rzeczywistym.

“Gdy tworzymy te struktury bardziej złożone, trudno przewidzieć dokładnie, jak będą wyglądać i jak będą się zachowywać”, powiedział Castro.

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

Tworzenie Nanostruktur

Anjelica Kucinic jest współautorem i doktorantem na wydziale inżynierii chemicznej i biochemicznej na Ohio State. Kucinic kierował zespołem naukowców w tworzeniu i charakteryzowaniu nanostruktur zaprojektowanych 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 okazać się mieć duże znaczenie w opiece zdrowotnej.

“Bardziej złożone urządzenie może nie tylko wykryć, że coś złego się dzieje, ale także zareagować, uwalniając lek lub schwytając 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 nanourządzeń DNA”, kontynuował. “Myślę, że w ciągu najbliższych 5-10 lat zaczniemy widzieć komercyjne zastosowania nanourządzeń DNA i jesteśmy optymistami, że to oprogramowanie może pomóc w tym”.