Son máquinas minúsculas que funcionan a nanoescala, siendo hasta 100.000 veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Estas máquinas, también conocidas como nanorobótica, están diseñadas para aumentar la raza humana de formas imprevistas.
Sin embargo, esta tecnología microscópica ha permanecido en la fase de prototipo durante las últimas dos décadas, sin poder realmente cumplir su promesa y rezagada debido a los difíciles procesos de fabricación, la falta de estandarización y las escasas revisiones de la literatura disponible.
Cañones a nanoescala. Créditos de imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Imagine un escenario en el que está enfermo y necesita ver a su médico. Sin embargo, en lugar de darle una pastilla o una inyección, su médico le inyecta un enjambre de pequeños robots.
Estas nanomáquinas luego trabajarán juntas de forma autónoma para escanear su entorno y detectar su enfermedad, luego de lo cual viajarán al órgano correspondiente para administrar una carga útil de medicamento de liberación lenta en el área infectada para curarlo.
Suena bastante ciencia ficción, ¿verdad? Bueno, puede que no esté tan lejos.
Esta ciencia se basa en la nanotecnología, un campo de innovación relacionado con la construcción de materiales y dispositivos a escala atómica y nanométrica. Para darle una idea de qué tan pequeña es esta escala, un nanómetro es solo una milmillonésima parte de un metro, también conocida como escala milmillonésima.
Debido a esta pequeña escala, muchas de las reglas ordinarias de la física y la química ya no se aplican aquí, ofreciendo propiedades imprevistas y extraterrestres. Un ejemplo de estas propiedades cuánticas es la materia construida en la nanoescala conocida como metamateriales.
Uno de esos materiales, compuesto por átomos de carbono, es 100 veces más resistente que el acero, pero seis veces más liviano. Otros metamateriales, como los puntos cuánticos, pueden producir mucha más energía que las células solares o eléctricas convencionales a pesar de ser de dimensión cero. Sorprendentemente, se predice que estas sustancias a nanoescala producirán una gran cantidad de materiales innovadores utilizados en la fabricación en todo el mundo, ayudando a acabar con la pobreza y el hambre, y posiblemente marcando el comienzo de un período de paz y prosperidad.
Pero las cosas no se han desarrollado tan rápido como muchos esperaban.
¿Qué es la nanorobótica?
La mayoría de los teóricos atribuyen el concepto de nanotecnología al físico Richard Feynman y su discurso de 1959 titulado: Hay mucho espacio en el fondo. En el discurso, Feynman predijo el desarrollo de máquinas que podrían miniaturizarse y codificar enormes cantidades de información en espacios minúsculos. Sin embargo, fue el libro de K. Eric Drexler de 1986, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, el que galvanizó la doctrina nanotecnológica.
Drexler planteó la idea de nanodispositivos programables y autorreplicantes. En efecto, estos nanorobots contendrían un plano para clonarse y construirse a sí mismos, y cualquier otro dispositivo necesario para cumplir su función. Como esta construcción se realizaría a escala atómica, estas nanomáquinas serían capaces de separar átomo a átomo cualquier tipo de material y fabricar dispositivos nunca antes vistos. Drexler concibió un universo donde los nanorobots podrían realizar tareas como la limpieza ambiental y limpiar el sistema capilar sanguíneo humano de toxinas. Las posibilidades que teorizó sobre la nanotecnología insinuaban abordar los desafíos globales contemporáneos y los dilemas futuros, con un potencial casi ilimitado una vez comercializados.
En un sentido práctico, la nanorobótica se refiere a robots a nanoescala, que pueden construir y manipular con precisión objetos a escala molecular. Un estudio líder sobre el tema en la serie de revistas The Frontiers utiliza el término micro/nanorobots para referirse a todos los dispositivos programables de nano a micrones capaces de viajar en la nanoescala utilizando una fuente de energía. El proceso que describen allí es la actuación o propulsión de nanomáquinas que clasifican en tres categorías.
La primera categoría abarca los sistemas biohíbridos que integran materiales sintéticos con microorganismos móviles que actúan como motores utilizando sus apéndices naturales. La siguiente categoría involucra micro/nanorobots de propulsión química que son capaces de convertir combustibles químicos en locomoción. Y finalmente, la categoría más poblada cubre los nanorobots accionados mecánicamente que usan fuentes de energía externas como campos magnéticos, de ultrasonido o de luz para moverse.
Un esquema de un engranaje planetario molecular, un ejemplo de nanomaquinaria. Imagen vía Wikimedia.
El estudio también recopila el porcentaje de nanobots dentro de cada categoría que se han probado en sistemas biológicos vivos. Afirman que, a partir de 2018, el 20% de los nanorobots biohíbridos, el 30% son nanomáquinas químicas y el 50% de todos los sistemas mecánicos existentes se han utilizado dentro de animales vivos en ensayos.
A pesar del notable progreso, existen muchos obstáculos cuando se fabrica a escala milmillonésima, en un proceso conocido como nanomanipulación que se realiza bajo microscopía electrónica o de sonda de barrido utilizando herramientas como pinzas o pinzas ópticas y magnéticas. Aquí, los nanodispositivos se manipulan y se sueldan entre sí a escala molecular, lo que hace que el proceso sea costoso y lento, y que la comercialización sea inviable. Tal como está, todo el campo de la nanotecnología, incluida la nanorobótica, depende en gran medida del desarrollo de la nanomanipulación.
Los tipos de nanorobótica
La nanorobótica se divide en cuatro grandes grupos.
- La primera clasificación abarca nanobots puramente mecánicos que no contienen material biológico. Aquí, los nanorobots con energía física construidos con material sintético y/o metálico pueden activarse a través de una reacción química o entradas de energía externa, como campos magnéticos, de ultrasonido y de luz. Estos nanobots son intrincados en la milmillonésima escala y contienen articulaciones y apéndices para permitir capacidades flexibles para nadar o caminar.
Los nanobots mecánicos constan de múltiples materiales y recubrimientos. El revestimiento o el cuerpo de la máquina en sí está diseñado para degradarse en los fluidos corporales para impulsar el nanorobot en el caso de la propulsión química y/o liberar el agente terapéutico saliente para tratar la enfermedad. Debido a la facilidad de actuación, el modelo más popular en esta clasificación es, con diferencia, el nanobot de propulsión magnética, en el que los nanorobots que integran piezas magnéticas se mueven utilizando una fuerza magnética externa inocua. Debido al par magnético producido, estas nanomáquinas invariablemente atacan los coágulos de sangre utilizando un movimiento de sacacorchos para atravesar la embolia. Del mismo modo, estos nanobots también se pueden recubrir con una sustancia para provocar una respuesta inmune para ayudar a romper los coágulos mientras perforan la trombosis.
- La segunda categoría de nanobots está inspirada en la naturaleza e involucra la construcción biológica sintética de computadoras de ADN. También conocidos como nanorobots de ADN, se ensamblan utilizando origami, donde las moléculas de ADN se pliegan en una configuración 3D para expandir el área de superficie para el almacenamiento de datos y permitir la propulsión química.
La función o forma deseada de estas máquinas se logra pegando el código nucleico en las uniones de pares de bases salientes para crear varias configuraciones. Así es como se pueden diseñar apéndices, bodegas de carga e interruptores. En la actualidad, los científicos están utilizando tecnología de origami de ADN para diseñar computadoras de ADN que puedan monitorear y registrar su entorno, ejecutar programas y almacenar información dentro de su código nucleico. Uno de esos ejemplos proviene de Caltech, que diseñó computadoras de ADN autoensamblables que pueden realizar cálculos reprogramables, creando de hecho un nanorobot o hardware de seis bits que puede ejecutar diferentes programas en este campo de rápido movimiento.
- La tercera categoría involucra tanto productos biológicos nativos como sintéticos, conocidos como nanorobótica biohíbrida. Estos sistemas híbridos integran nanomateriales inorgánicos con organismos microscópicos vivos que pueden impulsarse a sí mismos o utilizar fuentes externas para la propulsión. Los nanorobots biohíbridos tienen muchas ventajas sobre los nanobots artificiales tradicionales. La ventaja más importante es su biocompatibilidad, con especial atención a los componentes que se originan en organismos biológicos como células inmunitarias minimizadas, ADN o esperma.
Las propiedades de las células nativas también se pueden explotar en situaciones no naturales. Un ejemplo de esto son los nanobots biohíbridos o neutrobots desarrollados por el Instituto de Tecnología de Harbin capaces de atravesar la barrera hematoencefálica (BBB) manipulando el sistema inmunológico. Los neutrobots hacen esto a través de la membrana bacteriana E. coli que alberga un núcleo compuesto por el fármaco contra el cáncer Paclitaxel mezclado con un hidrogel magnético. Cuando los nanobots se inyectaron en un modelo de ratón con glioma y se accionaron hacia el cerebro usando un campo magnético externo, fueron engullidos por neutrófilos de ratón in vitro atraídos por su cubierta de membrana bacteriana. Por lo tanto, pudieron pasar la BBB en el vientre de los glóbulos blancos para tratar los tumores de glioma en el cerebro del ratón.
Sin embargo, a pesar de su biocompatibilidad mejorada, los microbots biohíbridos siguen siendo potencialmente dañinos debido a sus componentes extraños. Por lo tanto, es altamente deseable una alternativa completamente natural y programable diseñada a partir de tejidos biológicos únicamente.
- Nuestra clasificación final cubre lo mencionado anteriormente donde se diseñan formas de vida biológicas sintéticas nunca antes vistas. Un estudio arquetípico sobre el tema de la Universidad de Vermont realizó con éxito la bioingeniería de miles de formas de vida desconocidas derivadas de embriones de rana. Estos exobiológicos vivos, que llevaron a cabo una variedad de programas, no poseían órganos reproductivos y simplemente se degradaron de manera segura para dejar de funcionar después de 7 días.
Recientemente, el mismo equipo actualizó sus xenobots para moverse más rápido, navegar en diferentes entornos y vivir más que la primera edición. Del mismo modo, aún pueden trabajar juntos en enjambres y curarse a sí mismos si están dañados. Pero ahora los astrobiológicos mejorados pueden registrar la memoria y usar esa información para modificar sus acciones y comportamiento. Su capacidad de lectura/escritura puede registrar un bit de información, utilizando una proteína indicadora fluorescente. De esta manera, las formas de vida alienígenas pueden escribir su experiencia de viaje, lo que podría resultar invaluable para las aplicaciones in vivo.
¿Cómo aplicará la raza humana la nanorobótica?
Diminuta nanomáquina que consiste en un vehículo de una rueda hecho de anillos de ADN. Créditos de la imagen: Julián Valero.
Dado su pequeño tamaño, los nanobots se prueban principalmente en la industria de la salud, aunque se utilizan en una amplia gama de industrias, como el control del clima y el ejército. Con respecto a las aplicaciones médicas, las funciones como curar heridas, equipos quirúrgicos a escala atómica y atravesar el cuerpo para encontrar y tratar dolencias son las más comúnmente teorizadas. Según un estudio de la Universidad Médica de Guangdong, los nanomedicamentos pueden reducir la toxicidad, prolongar la liberación controlada de fármacos y aumentar la permeabilidad.
Para agregar a esto, los nanorobots son lo suficientemente pequeños como para pasar a través de la brecha de células endoteliales vasculares de un tumor, causando lo que se conoce como efecto de retención y permeabilidad mejorada (efecto EPR). Se espera que esta acción aumentada permita la detección de cáncer a nivel de una sola célula. Además, esta penetración profunda, unida a la capacidad de atravesar muchas barreras de órganos y películas dentro del cuerpo, significa una mayor eficacia farmacológica para los productos farmacéuticos existentes. Del mismo modo, la función EPR antes mencionada puede resultar invaluable para imágenes médicas con nanorobótica magnética o de contraste dirigida fácilmente al tejido o estructura de elección para mejorar la tecnología de imágenes preexistente.
De manera análoga a esto, la capitalización potencial de la nanorobótica para la tecnología de detección de salud in vivo es extensa e incluso podría hacer que la necesidad de una biopsia desaparezca. Hasta la fecha, los microbots del tamaño de un óvulo humano que ya existen pueden almacenar datos, detectar su entorno y realizar tareas informáticas. Como se ve en un estudio de la Universidad de Alberta que consiste en nanomáquinas de ADN autónomas capaces de realizar funciones biológicas en células vivas y detectar una secuencia de microARN específica que se encuentra en las células de cáncer de mama. Como este nanobot puede detectar células de cáncer de mama en cantidades mínimas, se espera que detecte moléculas objetivo que otras técnicas no detectan una vez en la clínica.
No solo se están planificando sensores de salud, sino que también se está probando la percepción sensorial que involucra nuestro entorno. Se espera que esta percepción sensorial desbloquee nuevas capacidades aumentadas, con nanorobótica que nos permita sentir e interactuar con nuestro entorno de formas nunca antes vistas. De hecho, el eminente futurista Ray Kurzweil predijo en 2005 que la nanociencia haría inmortales a los humanos para 2040, dándonos habilidades sobrehumanas. En tentadoras declaraciones, Kurzweil postula que los nanobots podrían reemplazar las células sanguíneas nativas para curar el cáncer y respaldar los recuerdos mientras reponen las células envejecidas, lo que de hecho acaba con la demencia. Y si bien esto puede sonar emocionante, uno debe preguntarse cuándo exactamente este aumento se convierte en una evolución forzada. A medida que los científicos creen nuevas formas de vida y sinteticen ADN, ¿qué se transmitirá genéticamente a través de humanos mejorados? ¿Qué tan simbióticos se volverán los nanorobóticos? Ciertamente, hay muchas preguntas éticas que responder con respecto a la mejora a largo plazo y la detección de la salud mediante el uso de nanotecnología.
La curación de heridas, incluida la medicina regenerativa, es otra premisa popular en la nanorobótica. Con este fin, los investigadores de DGIST han desarrollado un microbot basado en andamios con la capacidad de administrar con precisión células madre para atacar el tejido dañado en el cerebro de una rata. El microbot recubierto de níquel y titanio trasplantó células madre de forma rápida y precisa donde las células madre a su vez proliferaron y se diferenciaron con éxito en astrocitos, oligodendrocitos y neuronas. Para agregar a esto, los microrobots basados en carbonato de calcio propulsados químicamente también han administrado trombina para detener el sangrado de heridas en la vasculatura de modelos de ratones y cerdos.
Kurzweil también sugirió que los nanobots nos permitirán conectar nuestros sistemas nerviosos a la nube para 2030 y que estos neutrobots desempeñarán un papel importante en la conexión de nuestros cerebros a las interfaces neuronales a través de la inteligencia artificial. Esto se hará mediante el desarrollo de nanodispositivos que puedan atravesar la barrera hematoencefálica, evitando la necesidad de electrodos torpes o cirugía cerebral invasiva. Una vez que estos nanobots lleguen al cerebro, comenzarán a escanear ondas cerebrales para comunicarse con hardware externo, como extremidades biónicas. En un desarrollo emocionante, DARPA anunció recientemente su estudio para desarrollar nanopartículas magnetoeléctricas que pueden penetrar la barrera hematoencefálica y transmitir señales de neuronas individuales a una interfaz cerebro-computadora para aplicaciones militares.
La limpieza ambiental también ha ganado mucha tracción con los nanorobots biohíbridos como el modo preferido de dispositivo. Aquí, se modificó una bacteria rotífera para construir un microrobot biohíbrido vivo. Los rotíferos son microorganismos marinos que poseen capacidad sensorial y autonomía. También brindan una capacidad de mezcla de fluidos a gran escala, lo que los convierte en excelentes candidatos para filtrar agua contaminada. Con esto en mente, se adhirieron microesferas funcionalizadas dentro de la boca de los rotíferos forzando un transporte eficiente del agua contaminada sobre las superficies activas de las microesferas recubiertas con descontaminante.
También hay mucho entusiasmo en torno al desarrollo de metamateriales diseñados mediante nanomanipulación que posee propiedades físicas basadas en la cuántica. Por ejemplo, los investigadores suecos ya han construido el biomaterial más fuerte que existe, una nanocelulosa que han transferido con éxito al mundo macro. El biomaterial supera al acero y la seda de araña de dragalina, el biomaterial anterior más fuerte del mundo. Estas supra propiedades también podrían extenderse a nuevos sistemas de energía y, con suerte, poner fin a la guerra de minerales raros que recientemente provocó una nueva elección general en Islandia. Lógicamente, se espera que los nanorobots estén compuestos por estos metamateriales, así como fabricarlos in situ.
Cabe señalar que la gran cantidad de aplicaciones potenciales de la nanorobótica es simplemente demasiado extensa para enumerarlas aquí con todo el espectro de la industria y las empresas globales que ya han invertido mucho en esta tecnología.
¿Cómo pueden hacerse realidad los nanorobots autónomos?
A medida que llegamos al final de nuestro viaje exploratorio hacia la nanorobótica cuántica, no hay duda de que estamos entrando en la siguiente fase de nuestro proceso evolutivo. Pero, ¿es esto algo bueno? De hecho, muchas preguntas éticas deben responderse antes de entrar en la siguiente etapa de nuestra biotransformación.
En resumen, sabemos que la nanorobótica compuesta por componentes a nanoescala es plausible porque existen muchos ejemplos en la naturaleza, como el transporte intracelular que involucra proteínas motoras de quinesina y dineína. Sea como fuere, la naturaleza es un sistema altamente evolucionado desarrollado durante miles de millones de años, lo que hace que la síntesis de dispositivos no naturales a nanoescala sea dolorosamente lenta y difícil. Por lo tanto, el desarrollo de la nanomanipulación es crucial para el desarrollo de los nanobots y, por extensión, para el avance de la raza humana. Permaneciendo estática durante muchas décadas, la nanomanipulación aún está en su infancia y los fenómenos químicos y físicos cuánticos a esta escala no se comprenden ni exploran por completo. En resumen, la fabricación barata y masiva de robots a pequeña escala que los mueva hacia la disponibilidad comercial es muy deseable, al mismo tiempo que proporciona más estudios y exploración en el mundo cuántico.
En el aspecto práctico, los micro/nanorobots tienen el potencial de realizar tareas complejas dentro del cuerpo humano, pero también presentan muchos desafíos, incluida la localización de robots in vivo. Cuestiones como la comunicación, el comportamiento del enjambre, la facilidad de fabricación, la biocompatibilidad, la biodegradabilidad y la dificultad en el control de nanorobots en tejidos profundos deben abordarse de frente. Para abordar todos estos problemas, los esfuerzos de investigación deben concertarse para proporcionar la estandarización de términos, técnicas, modelos y funciones de los dispositivos, así como revisiones periódicas de la literatura. Estudios multidisciplinarios de esta naturaleza pueden ayudar a señalar tendencias en la investigación e identificar áreas que pueden beneficiarse de la investigación colaborativa destinada a superar los desafíos actuales en el desarrollo de estos dispositivos.
Para concluir, necesitamos informes estandarizados periódicos que abarquen el diseño de los ensayos, la clasificación y la activación de los dispositivos, así como los resultados. Solo entonces seremos testigos de la traducción exitosa de la investigación multidisciplinaria en nanorobótica viable y sus procesos de fabricación asociados. El autor espera sinceramente que este artículo juegue un pequeño papel en este movimiento.
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