نانوربات‌ها در مهندسي پزشكي

[setarehbaran 669]

ربات به این کوچکی،‌کارها به این بزرگی

 

نویسنده: فاطمه مهندسی، پروفسور محرم حبیب نژاد کورایم

نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی ، تحولی در درمان بیماری هایی مانند سرطان ، بیماری های قلبی-عروقی ، بیماری های اعصاب ، عفونت و بیماری های دیگر ایجاد کرده است. نانوتکنولوژی باعث به وجود آمدن ابزار کوچک ، سریع و ارزان با عملکرد های جدید شده است . تحولات نانوتکنولوژی در علوم مختلف، سنسور ها ، کامپیوتر ها باعث ظهور نانو و میکرو ربات ها شده است. میکرو و نانو ربات ها از یک سو با حجم زیادی از اطلاعات سر و کار دارند و از سوی دیگر از طریق سنسور ها و عملگرها با جهان فیزیکی در ارتباط هستند.

نانورباتیک

نانورباتیک علم جدیدی است که شامل طراحی ، ساخت و برنامه نویسی نانو ربات است. نانورباتیک در ارتباط با موارد زیر کاربرد دارد:

1- ساخت ربات هایی با ابعاد نانو یا ساخت میکرو ربات هایی که از اجزای نانومتر یک تشکیل شده اند.

2- برنامه نویسی ربات ها

3- جابجایی ذرات نانومتریک و اسمبل کردن این ذرات

حیطه کاری نانو ربات ها درون بدن انسان است و می توانند مقدار ترکیبات مختلف را در بدن نشان داده و اطلاعات را در حافظه داخلی خود ذخیره کنند. نانو ربات ها قادر به معاینه یک بافت خاص بوده و خصوصیات بیوشیمیایی و بیومکانیک را با جزئیات کامل بررسی می کنند و به طور کلی شناسایی محیط بیولوژیک را به راحتی انجام می دهند. قابلیت های مطلوبی که یک نانو ربات باید داشته باشد عبارتند از:

تجمع هوشمند

هوشمند بودن نانو ربات ها در جمع شدن در یک محل خاص برای انجام عملیات پزشکی و اینکه پس از اتمام ماموریت،در صورت لزوم، پراکنده شوند.

رفتار های مشارکتی و همکاری

یعنی همکاری نانو ربات ها و هماهنگ عمل کردن آنها در ماموریت ها ، گاهی عملکرد دسته جمعی نانو ربات نتیجه بهتری دارد.

خود ترمیمی نانو ربات ها

برخی نانو ربات ها باید قادر باشند که به طور اتوماتیک خودشان را اسمبل کرده یا همانند موجودات تک سلولی تکثیر یابند و نیز در صورت صدمه دیدن بتوانند خودشان را تعمیر کنند.

برنامه ریزی و پردازش اطلاعات

پردازش اطلاعات جمع آوری شده از محیط بیولوژیک و برنامه نویسی کردن برای نانو ربات ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است .

از نظر عملکردی نانو ربات ها به دو دسته تقسیم می شوند:

1- ربات های خودمختار: هر کدام از نانو ربات های این دسته به طور جداگانه دارای یک نانو کامپیوتر است که نانو ربات را کنترل کرده و باعث می شود که نانو ربات مستقل عمل کند.

2- ربات های Insect : این نوع ربات ها در یک ناوگان نانورباتیک قرار دارند که همگی تحت یک کامپیوتر مرکزی کنترل می شوند.

نانو ربات های پزشکی

انتظار می رود که بیشتر نانو ربات های اولیه پزشکی برای تشخیص بیماری و ترمیم ضایعات و عفونت ها به کار روند. این طراحی شامل سیستم مویرگی نیز می شود. حد اکثر قطر مویرگ ها 20 میکرون است و قطر متوسط آنها 8 میکرون است. طراحی نانو ربات های پزشکی باید به گونه ای باشد که این اندازه ها را در بر گیرد ، زیرا سلول های خونی باید از این دیواره ها عبور کنند. سلول های خون انعطاف پذیر هستند در حالی که نانوربات ها به این صورت نیستند لذا باید به سلول ها بچسبند. ماده اولیه ای که نانو ربات های پزشکی از آن ساخته می شوند عموما کربن است که می تواند در اشکال و فرم های مختلف وجود داشته باشد. طبیعت الگوی مناسبی برای ساخت نانو ربات است.لذا برای ساخت نانو ربات از مواد طبیعی موجود مثل DNA، پروتئین و رشته های پپتید استفاده می شود. به این نوع ربات ها بیو-نانو ربات اطلاق می شود. به طور کلی nano device هایی که در پزشکی کاربرد دارند ،جایگزین مناسبی برای سلول های بیمار یا نا مناسب است.

منابع انرژی برای نانو ربات ها

مؤثر ترین روش برای این که نانو ربات ها مدام در حال حرکت و فعالیت باشند(در هر محیطی نه صرفا محیط بیولوژیک)،ایجاد منابعی از انرژی است که از محیطی که نانو ربات در آن مشغول به کار است فراهم شود. انرژی جنبشی سیال،اشعه های الکترومغناطیسی که از نور ساطع می شوند گزینه های مناسبی برای منبع انرژی هستند، که این اشعه ها برای فضای کاری باز مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین استفاده از تغییرات دمایی یا کم و زیاد شدن نور نیز گزینه مناسبی هستند. اما برای یک فضای کاری گسترده انرژی تولید شده از ارتعاش مناسب تر خواهد بود که در محیط های مختلف از جمله محیط بیولوژیک می توان از آن استفاده کرد.

مزایا و مشکلات نانورباتیک

به طور کلی در ساخت نانو ربات دو مسئله مهم وجود دارند. اولا شبیه سازی و طراحی بر اساس ربات های ماکرو که شامل نیروی محرکه،برقراری ارتباط و جهت یابی است و ثانیا اسمبل کردن قطعات نانو ربات. تحقیقات در زمینه نانورباتیک جنبه تئوری داشته و تا کنون نانو ربات مصنوعی غیر بیولوژیک ساخته نشده است. اما از نظر تئوری مزایا و مشکلاتی مورد توجه واقع شده اند که عبارتند از:

1- با دوام بودن نانو ربات ، که از نظر تئوری سال ها دوام دارند.

2- زمان عملکرد آنها بسیار کم است،زیرا جابجایی آنها محدود بوده و اتفاقات بیولوژیک با همان سرعت رخ می دهند اما در زمان کمتر.

1- احتمال می رود که نانو ربات ها به دلیل اندازه کوچک ،از سوی بدن به عنوان عوامل بیماری زا شناسایی نشوند.

4- اندازه کوچک ، محدودیت هایی ایجاد می کند به این دلیل که اندازه های فوق العاده کوچک امکان عبور نانو ربات از هر ساختار نا مشخص و ناخواسته را می دهد بدون اینکه هدایت یا متوقف شود.

اجزای نانو ربات

بنا به نوع کاربری نانوربات اجزای آن تغییر می کنند اما اجزای بیان شده در این قسمت، اجزای اصلی نانو ربات ها هستند که در هر نانوربات صرف نظر از نوع کاربرد وجود دارند.

نانوسنسورها

نسل جدید سنسور ها،در مقیاس نانو، به سه دسته تقسیم می شوند:

1- سنسورهای فیبر نوری (اپتیکی)

2- سنسورهای مکانیکی

سنسورهای الکترونیکی

نانو سنسورهای اپتیکی

از این نانوسنسورها برای مطالعه متابولیسم در سلول های زنده استفاده می شود. پروب های فیبر نوری سر بسیار نازکی دارند (500-20 نانومتر) . هنگامی که نور به این فیبر تابیده می شود ، این سر نازک میدان ناپایداری تولید می کند.زیرا قطر این سر فیبر از طول موج نور کمتر است.وضوح تصویر با این پروب ها بسیار زیاد است. به دلیل این که این میدان ناپایدار حجم کوچکی از اطراف خود را تحریک می کند.

نانوسنسورهای مکانیکی

در مقیاس نانو پیوندهایی قوی بین ساختار ها با خواص مکانیکی یا الکترونیکی یا شیمیایی وجود دارد که ساخت وسائل نانومتریک بسیار حساس به محیط و مواد شیمیایی را امکان پذیر می سازد. به وسیله این حساسیت بسیار بالا تغییر شکل های مکانیکی و سیگنال های گرمایی وآکوستیک قابل تشخیص هستند. شکل های زیر نانولوله های تحت بارگذاری ها را نشان می دهند. فشار محوری و کشش و خمش در این نانو لوله ها تغییرات زیادی در خواص الکتریکی ماده ایجاد می کنند.

یک مدل از نانوسنسورهای مکانیکی-شیمیایی نانواهرم ها هستند. ایده اصلی این نانوسنسور ها این است که یک ماده بیولوژیک به اهرم متصل شود. این اتصال باعث تغییر فرم در اهرم می شود که می تواند تغییر در جرم یا تغییر در تنش سطح اهرم باشد. از این تغییرات برای حس کردن می توان استفاده کرد. یک طرف اهرم با یک پوشش حس کننده یا ملکول های گیرنده پوشانده می شود.هنگامی که این اهرم در معرض محلول یا محیط خاصی قرار بگیرد، ملکول های مشخص یا هدف به آن می چسبند،که با این اتصال سطح انرژی اهرم تغییر کرده ،تغییر طول در اهرم ایجاد می کند.

نانومحرک ها

عملکرد این المان در مقیاس ملکولی ایجاد حرکت، نیرو، سیگنال یا ذخیره کردن اطلاعات است. این ماشین ها انرژی ذخیره شده الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می کنند. این تبدیل به دلیل وجود ارتباطات قوی بین ساختار ها است.به طور کلی کنترل حرکات مکانیکی در مقیاس ملکولی یکی از اهداف اصلی نانوتکنولوژی است.ماشین های ملکولی بسیار مورد توجه هستند زیرا:

1- بازده بسیار بالا یی دارند.

2- به دلیل خاصیت خود ترمیمی برای استفاده به تعداد انبوه قیمت مناسبی خواهند داشت.

3- به طور طبیعی در بدن وجود دارند.

نانومانیپیولیتور

نانومانیپیولیتور سیستمی است که به کمک آن و سیستم های بصری ، می توان ملکول ها و ذرات نانومتر یک را لمس، مشاهده و جابجا کرد.

کاربرد نانورباتیک در پزشکی

نانومدیسین

نانومدیسین در واقع استفاده از نانوتکنولوژی در درمان،تشخیص و کنترل سیستم های بیولوژیک است،که شامل شناسایی هدف مربوطه و انتخاب حامل های مناسب برای دست یابی به پاسخ های مناسب و حداقل ساختن اثرات جانبی داروها است. در زمینه نانومدیسین، نیازی به تغییر دادن ترکیبات دارویی نبوده و فقط طریقه حمل آن باید تغییر کند. این سیستم دارای یک حامل است که دارو توسط آن قسمت حمل می شود. مشخصه مهم یک سیستم دارو رسان مؤثر، توانایی برای انجام انتقال هدف دار و کنترل شده دارو است. برای این منظور داروها باید باسرعت مناسبی آزاد شوند. آزاد شدن سریع دارو باعث عدم جذب مناسب و اثرات جانبی دیگر دارد. به علاوه باید توجه داشت که دارو هنگام حمل تجزیه نشود، برای همین داروها را باید در محفظه هایی(کپسول هایی)قرار داد. ماده حامل دارو باید با دارو سازگار بوده تا دارو به راحتی با آن پیوند برقرار کند.

نانو جراحی

روش های جراحی کلاسیک به صورت ماکرو هستند؛ اما بعضی از جراحی های خاص مثل جراحی چشم نیازمند وسایل و ابزار ظریف تر و کوچک تر شدند. لذا میکرو جراحی ظهور کرد. در چند سال اخیر کوچک سازی،پیشرفت های زیادی در جراحی ایجاد کرده است.اولین مزیت نانوجراحی کاهش شوک ها و زخم های ناشی از جراحی کلاسیک است. همچنین شکاف و برش در نانوجراحی وجود ندارند. همین مسائل باعث بهبودی سریع تر بیمار می شود. جراحی های معمولی سنگین و طاقت فرسا هستند؛ هم برای بیمار و هم برای جراح از یک طرف بیمار دچار ترس و دلهره، دردهای متعدد و زمان بهبودی طولانی شده و از طرف دیگر جراح به تمرکز، برای مدت طولانی احتیاج دارد تا جراحی را کامل و دقیق انجام دهد. اشتباهات جراح که ناشی از خستگی و دید کم هستند اجتناب نا پذیرهستند. در نانوجراحی،جراح از دسته هایی برای فرمان استفاده می کند تا بازوهای نانو ربات را که مجهز به ابزار جراحی کوچک هستند کنترل کرده و به محل مورد نظر برساند. بازوی دیگر نانو ربات دوربینی حمل می کند که جراح می تواند محیط درون بدن را مشاهده کند.

معرفی دو مدل از میکرو- نانو ربات های ساخته شده

ربات پرنده

ساختن بال هایی برای نانو ربات نه تنها تحولی در نوع حرکت نانو ربات است، بلکه کاربرد آن را وسیع تر می سازد. حشرات می توانند با حمل باری در حدود وزن بدنشان پرواز کنند و حداکثر شتابی که به آنها می رسد 10 متر بر مجذور ثانیه است. علی رغم این که این ربات ها برای پرواز به هوا نیازمندند، اما قادر به حرکت در مکان های غیرقابل عبور برای ربات های پا دار نیزهستند.

این ربات در مقیاس میکرون هستند و از قوانین آیرودینامیک برای طراحی آنها استفاده شده است.

ربات خزنده

استفاده از این نانو ربات ها علاوه بر اطمینان در سلامتی افراد باعث کاهش هزینه های عمل جراحی نیز می شود. این نانو ربات ها فضاهای کاری دارند که ابزار معمولی قادر به رسیدن به آنها نیستند. سه عامل در این طراحی باید مد نظر قرار بگیرند:

1- سطح اتصال حداکثر شود.

2- برای افزایش نیروی اتصال، باری بین سطح عمودی و ربات برقرار شود.

3- اعمال نیروی جدا کننده در مرحله جدایی

نانوتکنولوژی پیشرفت های زیادی در عرصه های مختلف علوم ایجاد کرده است. در زمینه سلامت و درمان نیز تحولات شگرفی ایجاد خواهد کرد. استفاده از نانو ربات ها یا بیونانوربات ها برای دارو رسانی، از اثرات جانبی دارو ها کم کرده و عمل درمان سریع تر انجام خواهد گرفت؛ زیرا فقط بافت بیمار تحت دارو رسانی قرار می گیرد. با نانو ربات های جراح نیز جراحی ها راحت تر انجام خواهند شد. این ربات ها می توانند به نقاطی از بدن بروند که انسان و ابزار معمولی قادر به دسترسی به آنها را ندارند. خستگی و ناشی بودن جراح همیشه مشکلات فراوانی برای بیماران ایجاد می کند؛که با نانوجراحی این مشکلات از بین می رود؛ علاوه بر این، از استرس و دلهره بیماران پیش از عمل نیز کاسته می شود. اما مشکلاتی نیز در این زمینه وجود دارند. اولین مسئله ساخت مواد نانو مقیاس است که هنوز در مراحل اولیه به سر می برد. مشکل دیگری که در این ارتباط وجود دارد این است که این مسئله هنوز مشخص نیست که برخورد بدن در برابر ورود نانو ربات ها به بدن چگونه خواهد بود. آیا بدن آنها را به عنوان عوامل تهاجمی شناسایی خواهد کرد یا خیر؟ و این که آیا این مواد سمی هستند و در بدن تولید سم و مواد حساسیت زا می کنند؟ پاسخ این گونه سؤالات هنوز برای بشر مبهم است،اما احتمال می رود که حداکثر تا 10 سال آینده از این تکنولوژی برای درمان و تشخیص زود هنگام بیماری،که مهم تر از عمل درمان است، استفاده شود.

شکل1 – تصاویر تئوری از نانو ربات های ترمیم کننده سلول

شکل 2) نانونسورهای مکانیکی

شکل3- مو تورهای چر خان

شکل 4 نانو ربات پرنده

منبع: ماهنامه مهندسی پزشکی

[setarehbaran 669]

ربات به این کوچکی،‌کارها به این بزرگی

 

نویسنده: فاطمه مهندسی، پروفسور محرم حبیب نژاد کورایم

نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی ، تحولی در درمان بیماری هایی مانند سرطان ، بیماری های قلبی-عروقی ، بیماری های اعصاب ، عفونت و بیماری های دیگر ایجاد کرده است. نانوتکنولوژی باعث به وجود آمدن ابزار کوچک ، سریع و ارزان با عملکرد های جدید شده است . تحولات نانوتکنولوژی در علوم مختلف، سنسور ها ، کامپیوتر ها باعث ظهور نانو و میکرو ربات ها شده است. میکرو و نانو ربات ها از یک سو با حجم زیادی از اطلاعات سر و کار دارند و از سوی دیگر از طریق سنسور ها و عملگرها با جهان فیزیکی در ارتباط هستند.

نانورباتیک

نانورباتیک علم جدیدی است که شامل طراحی ، ساخت و برنامه نویسی نانو ربات است. نانورباتیک در ارتباط با موارد زیر کاربرد دارد:

1- ساخت ربات هایی با ابعاد نانو یا ساخت میکرو ربات هایی که از اجزای نانومتر یک تشکیل شده اند.

2- برنامه نویسی ربات ها

3- جابجایی ذرات نانومتریک و اسمبل کردن این ذرات

حیطه کاری نانو ربات ها درون بدن انسان است و می توانند مقدار ترکیبات مختلف را در بدن نشان داده و اطلاعات را در حافظه داخلی خود ذخیره کنند. نانو ربات ها قادر به معاینه یک بافت خاص بوده و خصوصیات بیوشیمیایی و بیومکانیک را با جزئیات کامل بررسی می کنند و به طور کلی شناسایی محیط بیولوژیک را به راحتی انجام می دهند. قابلیت های مطلوبی که یک نانو ربات باید داشته باشد عبارتند از:

تجمع هوشمند

هوشمند بودن نانو ربات ها در جمع شدن در یک محل خاص برای انجام عملیات پزشکی و اینکه پس از اتمام ماموریت،در صورت لزوم، پراکنده شوند.

رفتار های مشارکتی و همکاری

یعنی همکاری نانو ربات ها و هماهنگ عمل کردن آنها در ماموریت ها ، گاهی عملکرد دسته جمعی نانو ربات نتیجه بهتری دارد.

خود ترمیمی نانو ربات ها

برخی نانو ربات ها باید قادر باشند که به طور اتوماتیک خودشان را اسمبل کرده یا همانند موجودات تک سلولی تکثیر یابند و نیز در صورت صدمه دیدن بتوانند خودشان را تعمیر کنند.

برنامه ریزی و پردازش اطلاعات

پردازش اطلاعات جمع آوری شده از محیط بیولوژیک و برنامه نویسی کردن برای نانو ربات ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است .

از نظر عملکردی نانو ربات ها به دو دسته تقسیم می شوند:

1- ربات های خودمختار: هر کدام از نانو ربات های این دسته به طور جداگانه دارای یک نانو کامپیوتر است که نانو ربات را کنترل کرده و باعث می شود که نانو ربات مستقل عمل کند.

2- ربات های Insect : این نوع ربات ها در یک ناوگان نانورباتیک قرار دارند که همگی تحت یک کامپیوتر مرکزی کنترل می شوند.

نانو ربات های پزشکی

انتظار می رود که بیشتر نانو ربات های اولیه پزشکی برای تشخیص بیماری و ترمیم ضایعات و عفونت ها به کار روند. این طراحی شامل سیستم مویرگی نیز می شود. حد اکثر قطر مویرگ ها 20 میکرون است و قطر متوسط آنها 8 میکرون است. طراحی نانو ربات های پزشکی باید به گونه ای باشد که این اندازه ها را در بر گیرد ، زیرا سلول های خونی باید از این دیواره ها عبور کنند. سلول های خون انعطاف پذیر هستند در حالی که نانوربات ها به این صورت نیستند لذا باید به سلول ها بچسبند. ماده اولیه ای که نانو ربات های پزشکی از آن ساخته می شوند عموما کربن است که می تواند در اشکال و فرم های مختلف وجود داشته باشد. طبیعت الگوی مناسبی برای ساخت نانو ربات است.لذا برای ساخت نانو ربات از مواد طبیعی موجود مثل DNA، پروتئین و رشته های پپتید استفاده می شود. به این نوع ربات ها بیو-نانو ربات اطلاق می شود. به طور کلی nano device هایی که در پزشکی کاربرد دارند ،جایگزین مناسبی برای سلول های بیمار یا نا مناسب است.

منابع انرژی برای نانو ربات ها

مؤثر ترین روش برای این که نانو ربات ها مدام در حال حرکت و فعالیت باشند(در هر محیطی نه صرفا محیط بیولوژیک)،ایجاد منابعی از انرژی است که از محیطی که نانو ربات در آن مشغول به کار است فراهم شود. انرژی جنبشی سیال،اشعه های الکترومغناطیسی که از نور ساطع می شوند گزینه های مناسبی برای منبع انرژی هستند، که این اشعه ها برای فضای کاری باز مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین استفاده از تغییرات دمایی یا کم و زیاد شدن نور نیز گزینه مناسبی هستند. اما برای یک فضای کاری گسترده انرژی تولید شده از ارتعاش مناسب تر خواهد بود که در محیط های مختلف از جمله محیط بیولوژیک می توان از آن استفاده کرد.

مزایا و مشکلات نانورباتیک

به طور کلی در ساخت نانو ربات دو مسئله مهم وجود دارند. اولا شبیه سازی و طراحی بر اساس ربات های ماکرو که شامل نیروی محرکه،برقراری ارتباط و جهت یابی است و ثانیا اسمبل کردن قطعات نانو ربات. تحقیقات در زمینه نانورباتیک جنبه تئوری داشته و تا کنون نانو ربات مصنوعی غیر بیولوژیک ساخته نشده است. اما از نظر تئوری مزایا و مشکلاتی مورد توجه واقع شده اند که عبارتند از:

1- با دوام بودن نانو ربات ، که از نظر تئوری سال ها دوام دارند.

2- زمان عملکرد آنها بسیار کم است،زیرا جابجایی آنها محدود بوده و اتفاقات بیولوژیک با همان سرعت رخ می دهند اما در زمان کمتر.

1- احتمال می رود که نانو ربات ها به دلیل اندازه کوچک ،از سوی بدن به عنوان عوامل بیماری زا شناسایی نشوند.

4- اندازه کوچک ، محدودیت هایی ایجاد می کند به این دلیل که اندازه های فوق العاده کوچک امکان عبور نانو ربات از هر ساختار نا مشخص و ناخواسته را می دهد بدون اینکه هدایت یا متوقف شود.

اجزای نانو ربات

بنا به نوع کاربری نانوربات اجزای آن تغییر می کنند اما اجزای بیان شده در این قسمت، اجزای اصلی نانو ربات ها هستند که در هر نانوربات صرف نظر از نوع کاربرد وجود دارند.

نانوسنسورها

نسل جدید سنسور ها،در مقیاس نانو، به سه دسته تقسیم می شوند:

1- سنسورهای فیبر نوری (اپتیکی)

2- سنسورهای مکانیکی

سنسورهای الکترونیکی

نانو سنسورهای اپتیکی

از این نانوسنسورها برای مطالعه متابولیسم در سلول های زنده استفاده می شود. پروب های فیبر نوری سر بسیار نازکی دارند (500-20 نانومتر) . هنگامی که نور به این فیبر تابیده می شود ، این سر نازک میدان ناپایداری تولید می کند.زیرا قطر این سر فیبر از طول موج نور کمتر است.وضوح تصویر با این پروب ها بسیار زیاد است. به دلیل این که این میدان ناپایدار حجم کوچکی از اطراف خود را تحریک می کند.

نانوسنسورهای مکانیکی

در مقیاس نانو پیوندهایی قوی بین ساختار ها با خواص مکانیکی یا الکترونیکی یا شیمیایی وجود دارد که ساخت وسائل نانومتریک بسیار حساس به محیط و مواد شیمیایی را امکان پذیر می سازد. به وسیله این حساسیت بسیار بالا تغییر شکل های مکانیکی و سیگنال های گرمایی وآکوستیک قابل تشخیص هستند. شکل های زیر نانولوله های تحت بارگذاری ها را نشان می دهند. فشار محوری و کشش و خمش در این نانو لوله ها تغییرات زیادی در خواص الکتریکی ماده ایجاد می کنند.

یک مدل از نانوسنسورهای مکانیکی-شیمیایی نانواهرم ها هستند. ایده اصلی این نانوسنسور ها این است که یک ماده بیولوژیک به اهرم متصل شود. این اتصال باعث تغییر فرم در اهرم می شود که می تواند تغییر در جرم یا تغییر در تنش سطح اهرم باشد. از این تغییرات برای حس کردن می توان استفاده کرد. یک طرف اهرم با یک پوشش حس کننده یا ملکول های گیرنده پوشانده می شود.هنگامی که این اهرم در معرض محلول یا محیط خاصی قرار بگیرد، ملکول های مشخص یا هدف به آن می چسبند،که با این اتصال سطح انرژی اهرم تغییر کرده ،تغییر طول در اهرم ایجاد می کند.

نانومحرک ها

عملکرد این المان در مقیاس ملکولی ایجاد حرکت، نیرو، سیگنال یا ذخیره کردن اطلاعات است. این ماشین ها انرژی ذخیره شده الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می کنند. این تبدیل به دلیل وجود ارتباطات قوی بین ساختار ها است.به طور کلی کنترل حرکات مکانیکی در مقیاس ملکولی یکی از اهداف اصلی نانوتکنولوژی است.ماشین های ملکولی بسیار مورد توجه هستند زیرا:

1- بازده بسیار بالا یی دارند.

2- به دلیل خاصیت خود ترمیمی برای استفاده به تعداد انبوه قیمت مناسبی خواهند داشت.

3- به طور طبیعی در بدن وجود دارند.

نانومانیپیولیتور

نانومانیپیولیتور سیستمی است که به کمک آن و سیستم های بصری ، می توان ملکول ها و ذرات نانومتر یک را لمس، مشاهده و جابجا کرد.

کاربرد نانورباتیک در پزشکی

نانومدیسین

نانومدیسین در واقع استفاده از نانوتکنولوژی در درمان،تشخیص و کنترل سیستم های بیولوژیک است،که شامل شناسایی هدف مربوطه و انتخاب حامل های مناسب برای دست یابی به پاسخ های مناسب و حداقل ساختن اثرات جانبی داروها است. در زمینه نانومدیسین، نیازی به تغییر دادن ترکیبات دارویی نبوده و فقط طریقه حمل آن باید تغییر کند. این سیستم دارای یک حامل است که دارو توسط آن قسمت حمل می شود. مشخصه مهم یک سیستم دارو رسان مؤثر، توانایی برای انجام انتقال هدف دار و کنترل شده دارو است. برای این منظور داروها باید باسرعت مناسبی آزاد شوند. آزاد شدن سریع دارو باعث عدم جذب مناسب و اثرات جانبی دیگر دارد. به علاوه باید توجه داشت که دارو هنگام حمل تجزیه نشود، برای همین داروها را باید در محفظه هایی(کپسول هایی)قرار داد. ماده حامل دارو باید با دارو سازگار بوده تا دارو به راحتی با آن پیوند برقرار کند.

نانو جراحی

روش های جراحی کلاسیک به صورت ماکرو هستند؛ اما بعضی از جراحی های خاص مثل جراحی چشم نیازمند وسایل و ابزار ظریف تر و کوچک تر شدند. لذا میکرو جراحی ظهور کرد. در چند سال اخیر کوچک سازی،پیشرفت های زیادی در جراحی ایجاد کرده است.اولین مزیت نانوجراحی کاهش شوک ها و زخم های ناشی از جراحی کلاسیک است. همچنین شکاف و برش در نانوجراحی وجود ندارند. همین مسائل باعث بهبودی سریع تر بیمار می شود. جراحی های معمولی سنگین و طاقت فرسا هستند؛ هم برای بیمار و هم برای جراح از یک طرف بیمار دچار ترس و دلهره، دردهای متعدد و زمان بهبودی طولانی شده و از طرف دیگر جراح به تمرکز، برای مدت طولانی احتیاج دارد تا جراحی را کامل و دقیق انجام دهد. اشتباهات جراح که ناشی از خستگی و دید کم هستند اجتناب نا پذیرهستند. در نانوجراحی،جراح از دسته هایی برای فرمان استفاده می کند تا بازوهای نانو ربات را که مجهز به ابزار جراحی کوچک هستند کنترل کرده و به محل مورد نظر برساند. بازوی دیگر نانو ربات دوربینی حمل می کند که جراح می تواند محیط درون بدن را مشاهده کند.

معرفی دو مدل از میکرو- نانو ربات های ساخته شده

ربات پرنده

ساختن بال هایی برای نانو ربات نه تنها تحولی در نوع حرکت نانو ربات است، بلکه کاربرد آن را وسیع تر می سازد. حشرات می توانند با حمل باری در حدود وزن بدنشان پرواز کنند و حداکثر شتابی که به آنها می رسد 10 متر بر مجذور ثانیه است. علی رغم این که این ربات ها برای پرواز به هوا نیازمندند، اما قادر به حرکت در مکان های غیرقابل عبور برای ربات های پا دار نیزهستند.

این ربات در مقیاس میکرون هستند و از قوانین آیرودینامیک برای طراحی آنها استفاده شده است.

ربات خزنده

استفاده از این نانو ربات ها علاوه بر اطمینان در سلامتی افراد باعث کاهش هزینه های عمل جراحی نیز می شود. این نانو ربات ها فضاهای کاری دارند که ابزار معمولی قادر به رسیدن به آنها نیستند. سه عامل در این طراحی باید مد نظر قرار بگیرند:

1- سطح اتصال حداکثر شود.

2- برای افزایش نیروی اتصال، باری بین سطح عمودی و ربات برقرار شود.

3- اعمال نیروی جدا کننده در مرحله جدایی

نانوتکنولوژی پیشرفت های زیادی در عرصه های مختلف علوم ایجاد کرده است. در زمینه سلامت و درمان نیز تحولات شگرفی ایجاد خواهد کرد. استفاده از نانو ربات ها یا بیونانوربات ها برای دارو رسانی، از اثرات جانبی دارو ها کم کرده و عمل درمان سریع تر انجام خواهد گرفت؛ زیرا فقط بافت بیمار تحت دارو رسانی قرار می گیرد. با نانو ربات های جراح نیز جراحی ها راحت تر انجام خواهند شد. این ربات ها می توانند به نقاطی از بدن بروند که انسان و ابزار معمولی قادر به دسترسی به آنها را ندارند. خستگی و ناشی بودن جراح همیشه مشکلات فراوانی برای بیماران ایجاد می کند؛که با نانوجراحی این مشکلات از بین می رود؛ علاوه بر این، از استرس و دلهره بیماران پیش از عمل نیز کاسته می شود. اما مشکلاتی نیز در این زمینه وجود دارند. اولین مسئله ساخت مواد نانو مقیاس است که هنوز در مراحل اولیه به سر می برد. مشکل دیگری که در این ارتباط وجود دارد این است که این مسئله هنوز مشخص نیست که برخورد بدن در برابر ورود نانو ربات ها به بدن چگونه خواهد بود. آیا بدن آنها را به عنوان عوامل تهاجمی شناسایی خواهد کرد یا خیر؟ و این که آیا این مواد سمی هستند و در بدن تولید سم و مواد حساسیت زا می کنند؟ پاسخ این گونه سؤالات هنوز برای بشر مبهم است،اما احتمال می رود که حداکثر تا 10 سال آینده از این تکنولوژی برای درمان و تشخیص زود هنگام بیماری،که مهم تر از عمل درمان است، استفاده شود.

شکل1 – تصاویر تئوری از نانو ربات های ترمیم کننده سلول

شکل 2) نانونسورهای مکانیکی

شکل3- مو تورهای چر خان

شکل 4 نانو ربات پرنده

منبع: ماهنامه مهندسی پزشکی