หุ่นยนต์
เครื่องมือใหม่ออกแบบหุ่นยนต์ DNA และอุปกรณ์นาโนที่ซับซ้อน
หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มมากที่สุดของสาขาวิทยาการหุ่นยนต์นั้นเกี่ยวข้องกับหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่ใช้ DNA และอุปกรณ์นาโน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าในที่สุดจะสามารถส่งยาตามเป้าหมายในร่างกายมนุษย์ได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ตรวจหาเชื้อโรคและนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก
ความก้าวหน้าล่าสุดในด้านนี้เกิดขึ้นเมื่อนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอได้พัฒนาเครื่องมือใหม่ที่ช่วยให้สามารถออกแบบหุ่นยนต์ DNA และอุปกรณ์นาโนที่ซับซ้อนกว่าที่เคยทำได้ ในขณะเดียวกัน ระบบที่ซับซ้อนมากขึ้นเหล่านี้สามารถพัฒนาได้ในเวลาเพียงเศษเสี้ยวของเวลา
งานวิจัยตีพิมพ์เมื่อเดือนที่แล้วในวารสาร วัสดุธรรมชาติ, และนำโดยอดีตนักศึกษาปริญญาเอกด้านวิศวกรรม Chao-Min Huang
ซอฟต์แวร์ใหม่นี้เรียกว่า MagicDNA ช่วยให้นักวิจัยออกแบบวิธีการรวม DNA เส้นเล็กๆ เพื่อสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนด้วยชิ้นส่วนต่างๆ เช่น โรเตอร์และบานพับ ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่และทำงานต่างๆ ได้สำเร็จ เช่น การนำส่งยา
คาร์ลอส คาสโตร ผู้ร่วมเขียนงานวิจัยและรองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศของมหาวิทยาลัยกล่าวว่า ตามปกติแล้ว นักวิจัยมักอาศัยเครื่องมือที่ช้ากว่าและขั้นตอนแบบแมนนวลสำหรับกระบวนการเหล่านี้
“แต่ตอนนี้ อุปกรณ์นาโนที่อาจใช้เวลาหลายวันในการออกแบบ ก่อนหน้านี้ใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที” คาสโตรกล่าว
การออกแบบใหม่เหล่านี้ซับซ้อนกว่ามากและสร้างอุปกรณ์นาโนที่มีประสิทธิภาพ
Hai-Jun Su เป็นผู้ร่วมเขียนและศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศของมหาวิทยาลัย
“ก่อนหน้านี้ เราสามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีส่วนประกอบต่างๆ ได้สูงสุด XNUMX ชิ้น และเชื่อมต่อกับข้อต่อและบานพับ และพยายามทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อน” ซูกล่าว
“ด้วยซอฟต์แวร์นี้ ไม่ใช่เรื่องยากที่จะสร้างหุ่นยนต์หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่มีส่วนประกอบมากกว่า 20 ชิ้นที่ควบคุมได้ง่ายกว่ามาก นับเป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่ในความสามารถของเราในการออกแบบอุปกรณ์นาโนที่สามารถดำเนินการที่ซับซ้อนตามที่เราต้องการได้”
นักวิจัยหวังว่าซอฟต์แวร์จะไม่เพียงสร้างการออกแบบที่ดีขึ้นและอุปกรณ์นาโนที่มีประโยชน์มากขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยให้กรอบเวลาเร็วขึ้นเมื่ออุปกรณ์เหล่านี้จะกลายเป็นเครื่องมือในชีวิตประจำวัน
วิธีการใหม่นี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถดำเนินการตามขั้นตอนการออกแบบในรูปแบบ 3 มิติได้ เครื่องมือก่อนหน้านี้ทำงานในแบบ 2 มิติ ซึ่งหมายความว่านักวิจัยต้องแมปการสร้างสรรค์เป็น 3 มิติ การทำเช่นนี้ทำให้อุปกรณ์ถูกจำกัดด้วยความซับซ้อน
จากล่างขึ้นบนหรือบนลงล่าง
ลักษณะสำคัญอีกประการของซอฟต์แวร์คือช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างโครงสร้างดีเอ็นเอ "จากล่างขึ้นบน" หรือ "จากบนลงล่าง" ด้วยวิธีเดิม นักวิจัยจัดระเบียบสายดีเอ็นเอแต่ละเส้นให้เป็นโครงสร้างที่ต้องการ ซึ่งหมายความว่าสามารถควบคุมโครงสร้างและคุณสมบัติของอุปกรณ์ในพื้นที่ได้อย่างละเอียด
ด้วยวิธีการแบบ "จากบนลงล่าง" พวกเขาสามารถตัดสินใจได้ว่าอุปกรณ์โดยรวมจะต้องมีรูปทรงเรขาคณิตอย่างไร และจากนั้นพวกเขาสามารถจัดระเบียบสายดีเอ็นเอได้โดยอัตโนมัติ เมื่อรวมเทคนิคทั้งสองเข้าด้วยกัน รูปทรงเรขาคณิตโดยรวมจะซับซ้อนมากขึ้นในขณะที่ยังคงควบคุมคุณสมบัติของส่วนประกอบแต่ละชิ้นได้อย่างแม่นยำ
ซอฟต์แวร์นี้ยังช่วยให้นักวิจัยจำลองวิธีการทำงานของอุปกรณ์ DNA ที่ออกแบบในโลกแห่งความเป็นจริง
“เมื่อคุณสร้างโครงสร้างเหล่านี้ให้ซับซ้อนมากขึ้น ก็เป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาได้อย่างแน่ชัดว่าพวกมันจะออกมาหน้าตาเป็นอย่างไรและจะมีพฤติกรรมอย่างไร” คาสโตรกล่าว
“จำเป็นอย่างยิ่งที่จะสามารถจำลองได้ว่าอุปกรณ์ของเราจะทำงานอย่างไร มิฉะนั้นเราจะเสียเวลามาก”
การสร้างโครงสร้างนาโน
Anjelica Kucinic เป็นผู้เขียนร่วมและเป็นนักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลที่รัฐโอไฮโอ Kucinic นำทีมนักวิจัยในการสร้างและกำหนดลักษณะของโครงสร้างนาโนที่ออกแบบโดยซอฟต์แวร์
อุปกรณ์ที่ทีมสร้างขึ้นประกอบด้วยแขนหุ่นยนต์พร้อมกรงเล็บ และโครงสร้างขนาด 1000 นาโนเมตรที่ดูเหมือนเครื่องบิน หลังมีขนาดเล็กกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์ถึง XNUMX เท่า
อุปกรณ์เหล่านี้สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีผลอย่างมากต่อการดูแลสุขภาพ
“อุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่านี้อาจไม่เพียงแต่ตรวจพบว่ามีสิ่งเลวร้ายเกิดขึ้นเท่านั้น แต่ยังสามารถตอบสนองโดยการปล่อยยาหรือจับเชื้อโรค” คาสโตรกล่าว
“เราต้องการให้สามารถออกแบบหุ่นยนต์ที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าหรือเคลื่อนไหวในลักษณะใดลักษณะหนึ่งโดยเฉพาะ”
“มีความสนใจในเชิงพาณิชย์มากขึ้นในนาโนเทคโนโลยี DNA” เขากล่าวต่อ “ผมคิดว่าในอีก 10-XNUMX ปีข้างหน้า เราจะเริ่มเห็นการใช้งานเชิงพาณิชย์ของอุปกรณ์นาโน DNA และเรามองในแง่ดีว่าซอฟต์แวร์นี้สามารถช่วยขับเคลื่อนสิ่งนั้นได้”
