Nanoroboter suchen nach Organeinlässen, die eine Proteininjektion erfordern. Bildnachweis: Adriano Cavalcanti et al.

Von der Beseitigung der Nebenwirkungen der Chemotherapie bis zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit sind die potenziellen medizinischen Anwendungen von Nanorobotern groß und ehrgeizig. In den letzten zehn Jahren haben die Forscher zahlreiche Verbesserungen an den verschiedenen Systemen vorgenommen, die für die Entwicklung praktischer Nanoroboter wie Sensoren, Energieversorgung und Datenübertragung erforderlich sind.

Es bleibt jedoch noch viel zu tun, bevor winzige „molekulare Maschinen“ durch unsere Arterien wandern können, um unsere Beschwerden zu diagnostizieren oder zu behandeln. Um das Tempo zu beschleunigen, hat eine Forschergruppe kürzlich einen innovativen Ansatz entwickelt, der bei der Erforschung und Entwicklung von Nanorobotern - der virtuellen Realität - helfen soll.

Adriano Cavalcanti, Bijan Shirinzadeh, Robert Freitas Jr. und Tad Hogg, Vertreter von Institutionen in Melbourne, Australien und den USA, haben ihr Simulationsverfahren in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Nanotechnology veröffentlicht . So wie 3D-Simulationen Ingenieuren zuvor geholfen haben, die Entwicklungsforschung in der Halbleiterindustrie erheblich zu beschleunigen, hoffen Cavalcanti und Kollegen, dass virtuelle Nanoroboter, virtuelle Biomoleküle und virtuelle Arterien den Fortschritt der Entwicklung von Nanorobotern beschleunigen werden.

"Die Software NCD (Nanorobot Control Design) ist ein System, das als Prüfstand für das 3D-Prototyping von Nanorobotern implementiert wurde", sagte Cavalcanti, CEO des Zentrums für Automatisierung in Nanobiotech und Forscher an der Monash University in Melbourne, gegenüber PhysOrg.com . „Es ist ein fortschrittlicher Nanomechatronik-Simulator, der physikalische und numerische Informationen für die aufgabenbasierte Modellierung von Nanorobotern liefert. Die NCD-Simulationen dienen als schnelle Entwicklungsplattform für die Erforschung medizinischer Nanoroboter und zeigen, wie ein Nanoroboter im Körper interagiert und gesteuert werden kann. “

In einer Demonstration der Echtzeitsimulation hatten die Nanoroboter die Aufgabe, in einer dynamischen virtuellen Umgebung nach Proteinen zu suchen und diese Proteine ​​zu identifizieren und zu einem bestimmten „Organeinlass“ für die Arzneimittelabgabe zu bringen. Die Forscher analysierten, wie die Nanoroboter verschiedene Strategien verwendeten, um dieses Ziel zu erreichen. Zum Beispiel könnten die Nanoroboter unterschiedliche sensorische Fähigkeiten wie chemische und Temperatursensoren sowie zufällige Bewegungen einsetzen.

Für die Nanoroboter war es eines der schwierigsten Teile, nahe genug an ein Biomolekül zu manövrieren, um dieses Biomolekül zu erfassen und dabei viele verschiedene Kräfte und sich bewegende Körper zu berücksichtigen. Anders als auf der Makroskala dominiert die Viskosität die Bewegung in den Arterien und beeinflusst die Bewegung der Nanoroboter, da sie auf Hindernisse und Proteine ​​stößt, die sich passiv durch die Flüssigkeit bewegen.

Um das System zu demonstrieren, testeten die Forscher mehrere Fälle, in denen die Nanoroboter unterschiedliche Strategien zum Nachweis von Proteinen verwendeten, und zwar in Gefäßen mit unterschiedlichen Durchmessern. Wie erwartet zeigten ihre Ergebnisse, dass Nanoroboter in kleineren Gefäßen eine bessere Chance haben, ein Ziel zu finden. Auch die Verwendung von chemischen und thermischen Biosensoren verbesserte die Effizienz der Nanoroboter im Vergleich zu zufälligen Bewegungen erheblich.

Zusätzlich zur Wahrnehmung wird die Simulation hoffentlich interaktive Werkzeuge für viele herausfordernde Aspekte des Nanoroboter-Designs bieten, wie z. B. Steuerungsmethoden, Fertigungsansätze, Aktuator- (Motor-) Design und mehr. Die Forscher verwenden die Simulation derzeit für Tests in den Bereichen laparoskopische Chirurgie, Diabetes, Krebs, Gehirnaneurysmen, Kardiologie, militärische Abwehr von Biogefahren und Arzneimittelabgabe. Die Entwicklung ist in hohem Maße kollaborativ, wobei Fortschritte von zukünftigen Verbesserungen in der Nanoelektronik, neuen Materialien und der Genomforschung abhängen.

"Einer der Hauptfaktoren für die erfolgreiche Entwicklung von Nanorobotern ist die Zusammenführung von Fachleuten mit interdisziplinären Ansichten zu Wissenschaft und Technologie", sagte Cavalcanti. „Es ist notwendig, die Augen offen zu halten für Chemie, Werkstofftechnik, Elektronik, Computer, Physik, Mechanik, Photonik, Pharmazie und Medizintechnik. Unsere Arbeit schreitet schrittweise voran, da Experten mit unterschiedlichem Hintergrund teilnehmen. Wir alle verfolgen ein gemeinsames Interesse daran, gemeinsam medizinische Nanoroboter zu bauen. “

Mit all diesen Disziplinen kann ein präzises Simulationssystem den Forschern helfen, die Leistungsanforderungen für praktische Nanoroboter zu verstehen, noch bevor die Technologien existieren.

„Einige vorhandene Komponenten wie Sensoren, Motoren, Aktoren und Antennen sind bereits als Nanogeräte erhältlich“, sagte Cavalcanti. „Dann muss man den nächsten Schritt machen: Diese Komponenten sollten als eingebettete Teile in einen Nanoroboter integriert werden.“

Der größte Motivator für Innovationen liege in wirtschaftlichen und strategischen Interessen. Aufgrund der Vielzahl von Anwendungen bieten Nanoroboter mit ziemlicher Sicherheit wirtschaftliche Anreize.

"Im Fall von Nanorobotern haben Sie ein enormes Potenzial für die Kommerzialisierung mit enormen Gewinnchancen für den medizinischen und pharmazeutischen Sektor", sagte Cavalcanti. "Nanoroboter stellen unter anderem in der Medizin eine wichtige strategische Technologie für die militärische Abwehr von biologischen Gefahren dar, die zum Schutz vor verschiedenen Arten von Pandemie-Ausbrüchen beitragen soll."

Aufgrund dieser Motivation hofft Cavalcanti, dass arbeitende Nanoroboter in nicht allzu ferner Zukunft hier sein werden.

„Wenn man die Geschwindigkeit berücksichtigt, mit der sich die Miniaturisierung von der Mikro- zur Nanoelektronik bewegt, kann man leicht die Machbarkeit verstehen, medizinische Nanoroboter vor 2015 als nanoelektronische molekulare Maschine zu integrieren“, sagte er voraus und fügte hinzu, dass Nanoroboter wie alle medizinischen Technologien dies tun würden Es müssen noch Sicherheitstests durchgeführt werden, die den Termin für die Massenproduktion und Vermarktung verschieben würden.

Weitere Informationen: www.nanorobotdesign.com

Veröffentlichung: Cavalcanti, Adriano, Shirinzadeh, Bijan, Freitas, Robert A. Jr. und Hogg, Tad. „Nanoroboter-Architektur zur Identifizierung medizinischer Ziele.“ Nanotechnology 19 (2008) 015103 (15 Seiten).

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