O que são Nanobots? Entendendo a Estrutura, Operação e Usos de Nanobots

À medida que a tecnologia avança, as coisas não sempre se tornam maiores e melhores, os objetos também se tornam menores. De fato, a nanotecnologia é um dos campos tecnológicos de crescimento mais rápido, valendo mais de 1 trilhão de USD, e está previsto crescer cerca de 17% nos próximos cinco anos. Os nanobots são uma parte importante do campo da nanotecnologia, mas o que são exatamente e como operam? Vamos dar uma olhada mais próxima nos nanobots para entender como essa tecnologia transformadora funciona e para que é usada.

O que são Nanobots?

O campo da nanotecnologia está preocupado com a pesquisa e desenvolvimento de tecnologia aproximadamente de um a 100 nanômetros de escala. Portanto, a nanorobótica está focada na criação de robôs que são cerca desse tamanho. Na prática, é difícil projetar algo tão pequeno quanto um nanômetro de escala e o termo “nanorobótica” e “nanobot” é frequentemente aplicado a dispositivos que são aproximadamente 0,1 a 10 micrômetros de tamanho, o que ainda é bastante pequeno.

É importante notar que o termo “nanorobô” às vezes é aplicado a dispositivos que interagem com objetos na escala nanométrica, manipulando itens nanométricos. Portanto, mesmo que o dispositivo em si seja muito maior, pode ser considerado um instrumento nanorobótico. Este artigo se concentrará em robôs nanométricos em si.

Muito do campo da nanorobótica e nanobots ainda está na fase teórica, com pesquisas focadas em resolver os problemas de construção em uma escala tão pequena. No entanto, alguns protótipos de nanomáquinas e nanomotores foram projetados e testados.

A maioria dos dispositivos nanorobóticos existentes cai em uma das quatro categorias: interruptores, motores, shuttles e carros.

Os interruptores nanorobóticos operam sendo acionados para mudar de um estado “desligado” para um estado “ligado”. Fatores ambientais são usados para fazer a máquina mudar de forma, um processo chamado de mudança conformacional. O ambiente é alterado usando processos como reações químicas, luz UV e temperatura, e os interruptores nanorobóticos mudam para diferentes formas como resultado, capazes de realizar tarefas específicas.

Os nanomotores são mais complexos do que simples interruptores e utilizam a energia criada pelos efeitos da mudança conformacional para se mover e afetar as moléculas no ambiente circundante.

Os shuttles são nanobots capazes de transportar substâncias químicas, como medicamentos, para regiões específicas e direcionadas. O objetivo é combinar shuttles com nanomotores para que os shuttles sejam capazes de um grau maior de movimento através de um ambiente.

Os “carros” nanorobóticos são os dispositivos nanométricos mais avançados no momento, capazes de se mover independentemente com prompts de catalisadores químicos ou eletromagnéticos. Os nanomotores que impulsionam os carros nanorobóticos precisam ser controlados para que o veículo possa ser direcionado, e os pesquisadores estão experimentando vários métodos de controle nanorobótico.

Os pesquisadores de nanorobótica visam sintetizar esses diferentes componentes e tecnologias em nanomáquinas que possam realizar tarefas complexas, realizadas por enxames de nanobots trabalhando juntos.

Foto: “Comparação dos tamanhos de nanomateriais com os de outros materiais comuns.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Como são Criados os Nanobots?

O campo da nanorobótica está na interseção de muitas disciplinas e a criação de nanobots envolve a criação de sensores, atuadores e motores. Modelagem física também deve ser feita, e tudo isso deve ser feito em escala nanométrica. Como mencionado acima, dispositivos de nanomanipulação são usados para montar essas partes nanométricas e manipular componentes artificiais ou biológicos, o que inclui a manipulação de células e moléculas.

Os engenheiros de nanorobótica devem ser capazes de resolver uma multidão de problemas. Eles devem abordar questões relacionadas à sensação, controle de energia, comunicações e interações entre materiais inorgânicos e orgânicos.

O tamanho de um nanobot é aproximadamente comparável ao de células biológicas, e devido a esse fato, os nanobots futuros poderiam ser empregados em disciplinas como medicina e preservação/remediação ambiental. A maioria dos “nanobots” que existem hoje são apenas moléculas específicas que foram manipuladas para realizar tarefas específicas.

Complexos nanobots são essencialmente apenas moléculas simples unidas e manipuladas com processos químicos. Por exemplo, alguns nanobots são compostos de DNA, e eles transportam carga molecular.

Como Operam os Nanobots?

Dada a natureza ainda fortemente teórica dos nanobots, as perguntas sobre como os nanobots operam são respondidas com previsões em vez de afirmações de fato. É provável que os primeiros usos importantes para os nanobots sejam no campo médico, movendo-se pelo corpo humano e realizando tarefas como diagnosticar doenças, monitorar sinais vitais e administrar tratamentos. Esses nanobots precisarão ser capazes de navegar pelo corpo humano e se mover por tecidos como vasos sanguíneos.

Navegação

Em termos de navegação de nanobots, existem várias técnicas que os pesquisadores e engenheiros de nanobots estão investigando. Um método de navegação é a utilização de sinais ultrassônicos para detecção e implantação. Um nanobot pode emitir sinais ultrassônicos que poderiam ser rastreados para localizar a posição dos nanobots, e os robôs poderiam então ser guiados para áreas específicas com o uso de uma ferramenta especial que direciona o seu movimento. Dispositivos de Imagem por Ressonância Magnética (MRI) também poderiam ser empregados para rastrear a posição dos nanobots, e experimentos iniciais com MRIs demonstraram que a tecnologia pode ser usada para detectar e até manobrar nanobots. Outros métodos de detecção e manobras de nanobots incluem o uso de raios-X, micro-ondas e ondas de rádio. No momento, nosso controle sobre essas ondas em escala nanométrica é bastante limitado, então novos métodos de utilização dessas ondas precisariam ser inventados.

Os sistemas de navegação e detecção descritos acima são métodos externos, dependendo do uso de ferramentas para mover os nanobots. Com a adição de sensores a bordo, os nanobots poderiam ser mais autônomos. Por exemplo, sensores químicos incluídos a bordo dos nanobots poderiam permitir que o robô escaneasse o ambiente circundante e seguisse certos marcadores químicos até uma região-alvo.

Potência

Quando se trata de alimentar os nanobots, existem várias soluções de energia sendo exploradas por pesquisadores. Soluções para alimentar nanobots incluem fontes de energia externas e fontes de energia internas/a bordo.

As soluções de energia interna incluem geradores e capacitores. Geradores a bordo do nanobot poderiam usar os eletrólitos encontrados no sangue para produzir energia, ou os nanobots poderiam até ser alimentados usando o sangue circundante como um catalisador químico que produz energia quando combinado com um químico que o nanobot carrega consigo. Capacitores operam de forma semelhante a baterias, armazenando energia elétrica que poderia ser usada para impulsionar o nanobot. Outras opções, como fontes de energia nuclear minúsculas, também foram consideradas.

Quanto às fontes de energia externas, fios incrivelmente finos e delgados poderiam conectar os nanobots a uma fonte de energia externa. Esses fios poderiam ser feitos de cabos de fibra óptica miniaturizados, enviando pulsos de luz pelos fios e tendo a eletricidade real gerada dentro do nanobot.

Outras soluções de energia externa incluem campos magnéticos ou sinais ultrassônicos. Os nanobots poderiam empregar algo chamado de membrana piezelétrica, que é capaz de coletar ondas ultrassônicas e transformá-las em energia elétrica. Campos magnéticos podem ser usados para catalisar correntes elétricas dentro de um loop condutor fechado contido a bordo do nanobot. Como bônus, o campo magnético também poderia ser usado para controlar a direção do nanobot.

Locomoção

Abordar o problema de locomação de nanobots requer algumas soluções inventivas. Nanobots que não estão conectados ou não estão simplesmente flutuando em seu ambiente precisam ter algum método de se mover para suas localizações-alvo. O sistema de propulsão precisará ser poderoso e estável, capaz de impulsionar o nanobot contra correntes em seu ambiente circundante, como o fluxo do sangue. Soluções de propulsão sob investigação são frequentemente inspiradas no mundo natural, com pesquisadores olhando para como organismos microscópicos se movem por seu ambiente. Por exemplo, micro-organismos muitas vezes usam caudas longas e semelhantes a chicotes chamadas de flagelos para se impulsionar, ou usam uma série de pequenos membros semelhantes a cabelos chamados de cílios.

Os pesquisadores também estão experimentando dar aos robôs pequenos apêndices semelhantes a braços que poderiam permitir que o robô nadasse, agarrasse e rastejasse. Atualmente, esses apêndices são controlados via campos magnéticos fora do corpo, pois a força magnética promove a vibração dos braços do robô. Um benefício adicional a esse método de locomoção é que a energia para isso vem de uma fonte externa. Essa tecnologia precisaria ser feita ainda menor para ser viável para nanobots reais.

Existem outras estratégias de propulsão mais inventivas também sob investigação. Por exemplo, alguns pesquisadores propuseram usar capacitores para engenharia de uma bomba eletromagnética que puxaria fluidos condutores para dentro e os expulsaria como um jato, impulsionando o nanobot para a frente.

Independentemente da aplicação eventual dos nanobots, eles devem resolver os problemas descritos acima, lidando com navegação, locomoção e energia.

Para que são Usados os Nanobots?

Como mencionado, os primeiros usos para os nanobots provavelmente serão no campo médico. Os nanobots poderiam ser usados para monitorar danos ao corpo e potencialmente até facilitar a reparação desses danos. Nanobots futuros poderiam entregar medicamentos diretamente para as células que os necessitam. Atualmente, os medicamentos são administrados por via oral ou intravenosa e se espalham por todo o corpo em vez de atingir apenas as regiões-alvo, causando efeitos colaterais. Nanobots equipados com sensores poderiam facilmente ser usados para monitorar mudanças em regiões de células, relatando mudanças no primeiro sinal de dano ou disfunção.

Ainda estamos longe dessas aplicações hipotéticas, mas o progresso está sendo feito o tempo todo. Como exemplo, em 2017, cientistas criaram nanobots que visavam células cancerígenas e as atacavam com uma broca miniaturizada, matando-as. Este ano, um grupo de pesquisadores da Universidade ITMO projetou um nanobot composto por fragmentos de DNA, capaz de destruir cadeias de RNA patogênicas. Nanobots baseados em DNA também são atualmente capazes de transportar carga molecular, o nanobot é feito de três seções de DNA diferentes, manobrando com uma “perna” de DNA e carregando moléculas específicas com o uso de um “braço”.

Além das aplicações médicas, pesquisas estão sendo feitas sobre o uso de nanobots para fins de limpeza e remediação ambiental. Os nanobots poderiam potencialmente ser usados para remover metais pesados tóxicos e plásticos de corpos d’água. Os nanobots poderiam carregar compostos que tornam substâncias tóxicas inativas quando combinados, ou poderiam ser usados para degradar resíduos plásticos por meio de processos semelhantes. Pesquisas também estão sendo feitas sobre o uso de nanobots para facilitar a produção de chips e processadores de computador extremamente pequenos, essencialmente usando nanobots para produzir circuitos de computador em escala microscópica.