Công Cụ Mới Thiết Kế Robot và Thiết Bị Nano DNA Phức Tạp

Một trong những lĩnh vực hứa hẹn nhất trong lĩnh vực robot liên quan đến các robot và thiết bị nano dựa trên DNA, mà các nhà khoa học tin rằng cuối cùng sẽ có khả năng cung cấp thuốc mục tiêu trong cơ thể con người. Chúng cũng có thể được sử dụng để phát hiện mầm bệnh và dẫn đến sự phát triển của điện tử nhỏ hơn.

Một bước tiến gần đây trong lĩnh vực này là khi các nhà nghiên cứu từ Đại học Ohio State phát triển một công cụ mới cho phép thiết kế robot và thiết bị nano DNA phức tạp hơn nhiều so với trước đây. Đồng thời, những hệ thống phức tạp này có thể được phát triển chỉ trong một phần nhỏ của thời gian.

Nghiên cứu này được công bố vào tháng trước trên tạp chí Nature Materials, và nó được lãnh đạo bởi cựu sinh viên tiến sĩ kỹ thuật Chao-Min Huang.

Phần mềm mới, được gọi là MagicDNA, giúp các nhà nghiên cứu thiết kế cách kết hợp các sợi DNA nhỏ để tạo ra cấu trúc phức tạp với các bộ phận như rotor và bản lề. Những bộ phận này có thể di chuyển và hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau, chẳng hạn như phân phối thuốc.

Theo Carlos Castro, đồng tác giả của nghiên cứu và giáo sư phụ tá về kỹ thuật cơ khí và hàng không tại trường đại học, các nhà nghiên cứu truyền thống đã dựa vào các công cụ chậm hơn và các bước thủ công cho các quá trình này.

“Nhưng bây giờ, các thiết bị nano mà có thể mất vài ngày để thiết kế trước đây, bây giờ chỉ mất vài phút,” Castro nói.

Những thiết kế mới này phức tạp hơn nhiều và tạo ra các thiết bị nano hiệu quả.

Hai-Jun Su là đồng tác giả khác và giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không tại trường đại học.

“Trước đây, chúng tôi có thể xây dựng các thiết bị với tối đa khoảng sáu thành phần riêng biệt và kết nối chúng với các khớp và bản lề và cố gắng thực hiện các chuyển động phức tạp,” Su nói.

“Với phần mềm này, không khó để tạo ra các robot hoặc thiết bị khác với hơn 20 thành phần mà dễ dàng kiểm soát hơn. Đó là một bước tiến lớn trong khả năng thiết kế các thiết bị nano có thể thực hiện các hành động phức tạp mà chúng tôi muốn chúng làm.”

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng phần mềm sẽ không chỉ tạo ra các thiết kế tốt hơn và các thiết bị nano hữu ích hơn, mà còn giúp đẩy nhanh thời gian khi chúng sẽ trở thành các công cụ hàng ngày.

Phương pháp mới cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện quá trình thiết kế trong 3D. Các công cụ trước đây hoạt động trong 2D, điều này có nghĩa là các nhà nghiên cứu phải ánh xạ các sáng tạo vào 3D. Bằng cách này, các thiết bị bị giới hạn về độ phức tạp.

Từ Dưới Lên hoặc Từ Trên Xuống

Một khía cạnh quan trọng khác của phần mềm là nó cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra cấu trúc DNA “từ dưới lên” hoặc “từ trên xuống.” Với cách đầu tiên, các nhà nghiên cứu tổ chức các sợi DNA riêng biệt vào cấu trúc mong muốn, có nghĩa là họ có thể kiểm soát tốt hơn cấu trúc và tính chất của thiết bị địa phương.

Với cách “từ trên xuống”, họ có thể quyết định hình dạng tổng thể của thiết bị cần được tạo ra, và sau đó tự động hóa việc tổ chức các sợi DNA. Bằng cách kết hợp cả hai kỹ thuật, hình học tổng thể có thể trở nên phức tạp hơn trong khi vẫn duy trì kiểm soát chính xác các tính chất của từng thành phần.

Phần mềm cũng cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng cách các thiết bị DNA được thiết kế sẽ hoạt động trong thế giới thực.

“Khi bạn tạo ra các cấu trúc phức tạp hơn, rất khó để dự đoán chính xác chúng sẽ trông như thế nào và chúng sẽ hoạt động như thế nào,” Castro nói.

“Điều quan trọng là phải có thể mô phỏng cách các thiết bị của chúng tôi sẽ hoạt động thực sự. Nếu không, chúng tôi sẽ lãng phí rất nhiều thời gian.”

Tạo Ra Các Nano Cấu Trúc

Anjelica Kucinic là đồng tác giả và sinh viên tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và sinh học tại Ohio State. Kucinic đã lãnh đạo nhóm các nhà nghiên cứu trong việc tạo ra và đặc trưng hóa các nano cấu trúc được thiết kế bởi phần mềm.

Các thiết bị được tạo ra bởi nhóm bao gồm cánh tay robot với móng vuốt, và một cấu trúc có kích thước 100 nanomet, trông giống như một chiếc máy bay. Cấu trúc này nhỏ hơn 1000 lần so với chiều rộng của một sợi tóc người.

Những thiết bị này có thể chứng minh có những ý nghĩa lớn trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe.

“Một thiết bị phức tạp hơn không chỉ có thể phát hiện ra điều gì đó xấu đang xảy ra, mà còn có thể phản ứng bằng cách giải phóng một loại thuốc hoặc bắt giữ mầm bệnh,” Castro nói

“Chúng tôi muốn có thể thiết kế các robot phản ứng theo một cách nhất định với một kích thích hoặc di chuyển theo một cách nhất định.”

“Đang có ngày càng nhiều sự quan tâm thương mại đến công nghệ nano DNA,” ông tiếp tục. “Tôi nghĩ rằng trong vòng 5 đến 10 năm tới, chúng tôi sẽ bắt đầu thấy các ứng dụng thương mại của các thiết bị nano DNA và chúng tôi lạc quan rằng phần mềm này có thể giúp thúc đẩy điều đó.”