อุปกรณ์ใหม่ออกแบบหุ่นยนต์และอุปกรณ์นาโนจาก DNA ที่ซับซ้อน

หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มมากที่สุดในด้านหุ่นยนต์เกี่ยวข้องกับหุ่นยนต์และอุปกรณ์นาโนที่ใช้ DNA ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าจะสามารถส่งยาตargeted ให้กับร่างกายมนุษย์ได้ในที่สุด นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการตรวจจับเชื้อโรคและนำไปสู่การพัฒนาอิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กลง

ความก้าวหน้าล่าสุดในพื้นที่นี้เกิดขึ้นเมื่อนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยรัฐโอไฮโอได้พัฒนาเครื่องมือใหม่ที่ช่วยให้สามารถออกแบบหุ่นยนต์และอุปกรณ์นาโนจาก DNA ที่ซับซ้อนกว่าที่เคยเป็นไปได้ก่อนหน้านี้ ในเวลาเดียวกัน ระบบที่ซับซ้อนเหล่านี้สามารถพัฒนาได้ภายในเวลาที่เป็นเพียงเศษเสี้ยวของเวลาก่อนหน้านี้

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเดือนที่แล้วใน tạp chí Nature Materials และได้รับการนำโดย Chao-Min Huang นักศึกษาด้านวิศวกรรม博士ที่เคยเป็นนักศึกษา

ซอฟต์แวร์ใหม่นี้ชื่อ MagicDNA ช่วยให้นักวิจัยสามารถออกแบบวิธีการรวมสาย DNA ที่เล็กที่สุดเพื่อสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนพร้อมส่วนประกอบ เช่น โรเตอร์และฮิงจ์ ส่วนประกอบเหล่านี้สามารถเคลื่อนไหวและทำงานต่างๆ เช่น การส่งยาที่มีเป้าหมาย

ตามที่ Carlos Castro ผู้ร่วมเขียนการวิจัยและผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและอวกาศของมหาวิทยาลัย กล่าวว่า นักวิจัยมักจะพึ่งพาเครื่องมือที่ช้ากว่าและขั้นตอนที่ทำด้วยมือสำหรับกระบวนการเหล่านี้

“แต่ตอนนี้ อุปกรณ์นาโนที่อาจใช้เวลาหลายวันในการออกแบบก่อนหน้านี้ ตอนนี้ใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที” Castro กล่าว

การออกแบบใหม่เหล่านี้ซับซ้อนกว่าและสร้างอุปกรณ์นาโนที่มีประสิทธิภาพ

Hai-Jun Su เป็นอีกผู้ร่วมเขียนและเป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและอวกาศของมหาวิทยาลัย

“ก่อนหน้านี้ เราสามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีส่วนประกอบเดี่ยวๆ ได้มากถึง 6 ส่วนและเชื่อมต่อกับส่วนประกอบอื่นๆ ด้วยข้อต่อและฮิงจ์ และพยายามทำให้พวกมันทำงานที่ซับซ้อน” Su กล่าว

“ด้วยซอฟต์แวร์นี้ ไม่ใช่เรื่องยากที่จะสร้างหุ่นยนต์หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่มีส่วนประกอบมากกว่า 20 ส่วนและควบคุมได้ง่ายกว่า มันเป็นก้าวสำคัญในการออกแบบอุปกรณ์นาโนที่สามารถทำงานที่ซับซ้อนได้”

นักวิจัยหวังว่าซอฟต์แวร์นี้จะไม่เพียงแต่สร้างการออกแบบที่ดีขึ้นและอุปกรณ์นาโนที่มีประโยชน์มากขึ้น แต่ยังช่วยให้สามารถใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้ได้เร็วขึ้น

วิธีการใหม่นี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถดำเนินการออกแบบใน 3 มิติได้ เครื่องมือเก่าทำงานใน 2 มิติ ซึ่งหมายความว่านักวิจัยต้องสร้างสิ่งประดิษฐ์เหล่านี้ให้เป็น 3 มิติ โดยการทำเช่นนี้ อุปกรณ์เหล่านี้จึงมีข้อจำกัดในด้านความซับซ้อน

จากล่างขึ้นบน หรือจากบนลงล่าง

อีกด้านหนึ่งของซอฟต์แวร์คือความสามารถในการสร้างโครงสร้าง DNA “จากล่างขึ้นบน” หรือ “จากบนลงล่าง” ด้วยวิธีการแรก นักวิจัยสามารถจัดเรียงสาย DNA เดี่ยวๆ ให้เป็นโครงสร้างที่ต้องการ ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถควบคุมโครงสร้างและคุณสมบัติของอุปกรณ์ได้อย่างละเอียด

ด้วยวิธีการ “จากบนลงล่าง” พวกเขาสามารถตัดสินใจว่าอุปกรณ์ควรจะมีรูปร่างทางเรขาคณิตอย่างไร และจากนั้นจึงทำให้การเรียงสับเปลี่ยนของสาย DNA เป็นอัตโนมัติ โดยการรวมทั้งสองวิธีการ รูปร่างทางเรขาคณิตโดยรวมสามารถซับซ้อนมากขึ้น ในขณะที่ยังคงควบคุมคุณสมบัติของส่วนประกอบแต่ละส่วนได้อย่างแม่นยำ

ซอฟต์แวร์นี้ยังช่วยให้นักวิจัยสามารถจำลองการทำงานของอุปกรณ์ DNA ที่ออกแบบได้จริง

“เมื่อคุณทำให้โครงสร้างเหล่านี้ซับซ้อนขึ้น มันจะยากที่จะคาดเดาได้ว่าพวกมันจะดูเหมือนอะไรและจะทำงานอย่างไร” Castro กล่าว

“มันสำคัญที่จะต้องสามารถจำลองการทำงานของอุปกรณ์ของเราได้ หากไม่เช่นนั้น เราจะเสียเวลาไปมาก”

การสร้างนาโนโครงสร้าง

Anjelica Kucinic เป็นผู้ร่วมเขียนและเป็นนักศึกษาด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลของมหาวิทยาลัยรัฐโอไฮโอ Kucinic นำทีมนักวิจัยในการสร้างและวิเคราะห์นาโนโครงสร้างที่ออกแบบโดยซอฟต์แวร์

อุปกรณ์ที่ทีมนักวิจัยสร้างขึ้นรวมถึงแขนหุ่นยนต์ที่มีกรงเล็บ และโครงสร้างขนาด 100 นาโนเมตรที่ดูเหมือนเครื่องบิน โครงสร้างหลังนี้มีขนาดเล็กกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์ถึง 1,000 เท่า

อุปกรณ์เหล่านี้อาจมีผลกระทบอย่างมากต่อสุขภาพ

“อุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่าอาจไม่เพียงแต่ตรวจจับว่ามีอะไรไม่ดีเกิดขึ้น แต่ยังสามารถตอบสนองด้วยการปล่อยยาที่มีเป้าหมายหรือจับเชื้อโรคได้” Castro กล่าว

“เราต้องการออกแบบหุ่นยนต์ที่สามารถตอบสนองต่อการกระตุ้นในลักษณะเฉพาะหรือเคลื่อนไหวในลักษณะเฉพาะ”

“มีความสนใจเชิงพาณิชย์ที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในด้านนาโนเทคโนโลยีจาก DNA” เขายังคงพูดต่อไป “ฉันคิดว่าใน 5-10 ปีข้างหน้า เราจะเริ่มเห็นการใช้งานเชิงพาณิชย์ของอุปกรณ์นาโนจาก DNA และเรามีความหวังว่าซอฟต์แวร์นี้จะช่วยผลักดันให้เกิดสิ่งนั้น”