Comment les nanorobots fonctionneront

Imaginez aller chez le médecin pour obtenir un traitement pour une fièvre persistante. Au lieu de vous donner une pilule ou une piqûre, le médecin vous réfère à une équipe médicale spéciale qui implante un petit robot dans votre circulation sanguine. Le robot détecte la cause de votre fièvre, se rend au système approprié et fournit une dose de médicament directement à la zone infectée.

Galerie d'images de robots

Le robot de cette illustration nage dans les artères et les veines à l'aide d'une paire d'appendices de la queue. Voir plus de photos de robots.

Étonnamment, nous ne sommes pas si loin de voir des appareils comme celui-ci réellement utilisés dans les procédures médicales. On les appelle des nanorobots et des équipes d'ingénieurs du monde entier travaillent à la conception de robots qui seront éventuellement utilisés pour tout traiter, de l'hémophilie au cancer.

Plus gros n'est pas toujours meilleur En 1959, Richard Feynman, ingénieur chez CalTech, a lancé un défi aux ingénieurs du monde entier. Il voulait que quelqu'un construise un moteur fonctionnel pouvant tenir dans un cube de 1/64e de pouce de chaque côté. Son espoir était qu'en concevant et en construisant un tel moteur, les ingénieurs développeraient de nouvelles méthodes de production qui pourraient être utilisées dans le domaine émergent de la nanotechnologie. En 1960, Bill McLellan a réclamé le prix, avoir construit un moteur fonctionnel selon les spécifications appropriées. Feynman a décerné le prix même si McLellan a construit le moteur à la main sans concevoir de nouvelles méthodologies de production.

Comme vous pouvez l'imaginer, les défis auxquels sont confrontés les ingénieurs sont de taille. Un nanorobot viable doit être suffisamment petit et agile pour naviguer dans le système circulatoire humain, un réseau incroyablement complexe de veines et d'artères. Le robot doit également avoir la capacité de transporter des médicaments ou des outils miniatures. En supposant que le nanorobot n'est pas destiné à rester dans le patient pour toujours, il doit également pouvoir sortir de l'hôte.

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Dans cet article, nous découvrirons les applications potentielles des nanorobots, les différentes façons dont les nanorobots navigueront et se déplaceront dans notre corps, les outils qu'ils utiliseront pour soigner les patients, les progrès réalisés par les équipes du monde entier jusqu'à présent et ce que les théoriciens envisagent pour l'avenir.

Dans la section suivante, nous en apprendrons davantage sur les conditions et les maladies que les nanorobots traiteront à l'avenir.

Contenu

Prenez deux robots et appelez-moi le matin
Navigation nanorobot
Alimenter le Nanorobot
Locomotion Nanorobot
Minuscule, Petits outils
Nanorobots :aujourd'hui et demain

Prenez deux robots et appelez-moi le matin

Bien réalisé, les nanorobots seront capables de traiter une multitude de maladies et d'affections. Bien que leur taille signifie qu'ils ne peuvent transporter que de très petites charges utiles de médicaments ou d'équipement, de nombreux médecins et ingénieurs pensent que l'application précise de ces outils sera plus efficace que les méthodes plus traditionnelles. Par exemple, un médecin peut administrer un antibiotique puissant à un patient au moyen d'une seringue pour aider son système immunitaire. L'antibiotique se dilue pendant qu'il circule dans la circulation sanguine du patient, causant seulement une partie de celui-ci le rend au point d'infection. Cependant, un nanorobot - ou une équipe de nanorobots - pourrait se rendre directement au point d'infection et délivrer une petite dose de médicament. Le patient souffrirait potentiellement moins d'effets secondaires du médicament.

Plusieurs ingénieurs, les scientifiques et les médecins pensent que les applications des nanorobots sont pratiquement illimitées. Certaines des utilisations les plus probables incluent :

Traiter l'artériosclérose :L'artériosclérose fait référence à une maladie dans laquelle la plaque s'accumule le long des parois des artères. Les nanorobots pourraient éventuellement traiter la maladie en coupant la plaque, qui entrerait alors dans la circulation sanguine.

Les nanorobots peuvent traiter des affections telles que l'artériosclérose en éliminant physiquement la plaque le long des parois des artères.
Briser les caillots sanguins :Les caillots sanguins peuvent entraîner des complications allant de la mort musculaire à un accident vasculaire cérébral. Les nanorobots pourraient se rendre jusqu'à un caillot et le briser. Cette application est l'une des utilisations les plus dangereuses des nanorobots - le robot doit être capable de supprimer le blocage sans perdre de petits morceaux dans la circulation sanguine, qui pourraient alors voyager ailleurs dans le corps et causer plus de problèmes. Le robot doit également être suffisamment petit pour ne pas bloquer lui-même le flux sanguin.
Combattre le cancer :Les médecins espèrent utiliser des nanorobots pour traiter les patients atteints de cancer. Les robots pourraient soit attaquer les tumeurs directement à l'aide de lasers, des micro-ondes ou des signaux ultrasonores ou ils pourraient faire partie d'un traitement de chimiothérapie, l'administration de médicaments directement sur le site du cancer. Les médecins pensent qu'en administrant des doses de médicament petites mais précises au patient, les effets secondaires seront minimisés sans perte d'efficacité du médicament.
Aider le corps à coaguler :Un type particulier de nanorobot est le calotcyte , ou plaquettes artificielles. Le caillot porte un petit filet à mailles qui se dissout en une membrane collante au contact du plasma sanguin. Selon Robert A. Freitas, Jr., l'homme qui a conçu le caillot, la coagulation peut aller jusqu'à 1, 000 fois plus rapide que le mécanisme naturel de coagulation du corps [source :Freitas]. Les médecins pourraient utiliser les caillots pour traiter les hémophiles ou les patients présentant de graves plaies ouvertes.
Élimination des parasites :Les nanorobots pourraient mener une micro-guerre contre les bactéries et les petits organismes parasites à l'intérieur d'un patient. Il faudra peut-être plusieurs nanorobots travaillant ensemble pour détruire tous les parasites.
Goutte :La goutte est une maladie dans laquelle les reins perdent la capacité d'éliminer les déchets provenant de la dégradation des graisses de la circulation sanguine. Ces déchets se cristallisent parfois à des points proches des articulations comme les genoux et les chevilles. Les personnes qui souffrent de goutte ressentent une douleur intense au niveau de ces articulations. Un nanorobot pourrait briser les structures cristallines au niveau des articulations, soulager les symptômes, bien qu'il ne soit pas en mesure d'inverser la condition de façon permanente.
Briser les calculs rénaux :Les calculs rénaux peuvent être intensément douloureux - plus le calcul est gros, plus il est difficile de le faire passer. Les médecins brisent les gros calculs rénaux à l'aide de fréquences ultrasonores, mais ce n'est pas toujours efficace. Un nanorobot pourrait briser un calcul rénal à l'aide d'un petit laser.

Les nanorobots pourraient transporter de petits générateurs de signaux ultrasonores pour délivrer des fréquences directement aux calculs rénaux.
Nettoyer les plaies :Les nanorobots pourraient aider à éliminer les débris des plaies, diminuant le risque d'infection. Ils seraient particulièrement utiles en cas de plaies perforantes, où il pourrait être difficile de traiter en utilisant des méthodes plus conventionnelles.

Dans la section suivante, nous verrons comment les nanorobots navigueront dans le système circulatoire.

Navigation nanorobot

Il y a trois considérations principales sur lesquelles les scientifiques doivent se concentrer lorsqu'ils examinent des nanorobots se déplaçant dans le corps - la navigation , Puissance et comment le nanorobot se déplacera dans les vaisseaux sanguins. Les nanotechnologues étudient différentes options pour chacune de ces considérations, dont chacun a des aspects positifs et négatifs. La plupart des options peuvent être divisées en deux catégories :les systèmes externes et les systèmes embarqués.

Les systèmes de navigation externes peuvent utiliser une variété de méthodes différentes pour piloter le nanorobot au bon endroit. L'une de ces méthodes consiste à utiliser signaux ultrasonores pour détecter l'emplacement du nanorobot et le diriger vers la bonne destination. Les médecins envoyaient des signaux ultrasonores dans le corps du patient. Les signaux passeraient soit par le corps, renvoient à la source des signaux, ou les deux. Le nanorobot pourrait émettre des impulsions de signaux ultrasonores, que les médecins pourraient détecter à l'aide d'un équipement spécial avec des capteurs à ultrasons. Les médecins pourraient suivre l'emplacement du nanorobot et le déplacer vers la bonne partie du corps du patient.

Photo avec l'aimable autorisation de la NASA
Certains scientifiques prévoient de contrôler et alimenter les nanorobots en utilisant des appareils d'IRM comme celui-ci.

À l'aide d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM), les médecins pourraient localiser et suivre un nanorobot en détectant son champ magnétique. Des médecins et des ingénieurs de l'École Polytechnique de Montréal ont démontré comment ils pouvaient détecter, Piste, contrôler et même propulser un nanorobot grâce à l'IRM. Ils ont testé leurs découvertes en faisant passer une petite particule magnétique dans les artères d'un porc à l'aide d'un logiciel spécialisé sur un appareil d'IRM. Étant donné que de nombreux hôpitaux disposent d'appareils d'IRM, cela pourrait devenir la norme de l'industrie - les hôpitaux n'auront pas à investir dans des technologies non éprouvées.

Les médecins pourraient également suivre les nanorobots en injectant un colorant radioactif dans la circulation sanguine du patient. Ils utiliseraient ensuite un fluoroscope ou un appareil similaire pour détecter le colorant radioactif lorsqu'il se déplace dans le système circulatoire. Des images tridimensionnelles complexes indiqueraient où se trouve le nanorobot. Alternativement, le nanorobot pourrait émettre le colorant radioactif, créant un chemin derrière lui lorsqu'il se déplace dans le corps.

D'autres méthodes de détection du nanorobot incluent l'utilisation de rayons X, les ondes radio, micro-ondes ou chaleur. À l'heure actuelle, notre technologie utilisant ces méthodes sur des objets nanométriques est limitée, il est donc beaucoup plus probable que les futurs systèmes s'appuieront davantage sur d'autres méthodes.

Systèmes embarqués, ou capteurs internes, pourrait également jouer un rôle important dans la navigation. Un nanorobot doté de capteurs chimiques pourrait détecter et suivre la trace de produits chimiques spécifiques pour atteindre le bon endroit. Un capteur spectroscopique permettrait au nanorobot de prélever des échantillons de tissus environnants, les analyser et suivre le chemin de la bonne combinaison de produits chimiques.

Aussi difficile que cela puisse être à imaginer, les nanorobots peuvent inclure une caméra de télévision miniature. Un opérateur à une console pourra piloter l'appareil tout en regardant un flux vidéo en direct, naviguer à travers le corps manuellement. Les systèmes de caméras sont assez complexes, il faudra donc peut-être quelques années avant que les nanotechnologues puissent créer un système fiable pouvant tenir à l'intérieur d'un petit robot.

Dans la section suivante, nous examinerons les systèmes d'alimentation des nanorobots.

Alimenter le Nanorobot

Tout comme les systèmes de navigation, les nanotechnologues envisagent à la fois des sources d'alimentation externes et internes. Certaines conceptions reposent sur le nanorobot utilisant le propre corps du patient comme moyen de générer de l'énergie. D'autres conceptions incluent une petite source d'alimentation à bord du robot lui-même. Finalement, certaines conceptions utilisent des forces extérieures au corps du patient pour alimenter le robot.

Les nanorobots pourraient être alimentés directement par la circulation sanguine. Un nanorobot avec des électrodes montées pourrait former une batterie en utilisant les électrolytes trouvés dans le sang. Une autre option consiste à créer des réactions chimiques avec le sang pour le brûler en énergie. Le nanorobot contiendrait une petite quantité de produits chimiques qui deviendraient une source de carburant lorsqu'ils seraient combinés avec du sang.

Un nanorobot pourrait utiliser la chaleur corporelle du patient pour créer de l'énergie, mais il faudrait un gradient de températures pour le gérer. La production d'électricité serait le résultat de la Effet Seebeck . L'effet Seebeck se produit lorsque deux conducteurs constitués de métaux différents sont joints en deux points maintenus à deux températures différentes. Les conducteurs métalliques deviennent un thermocouple, ce qui signifie qu'ils génèrent une tension lorsque les jonctions sont à des températures différentes. Comme il est difficile de se fier aux gradients de température dans le corps, il est peu probable que de nombreux nanorobots utilisent la chaleur corporelle pour produire de l'énergie.

Bien qu'il soit possible de créer des batteries suffisamment petites pour tenir dans un nanorobot, ils ne sont généralement pas considérés comme une source d'énergie viable. Le problème est que les batteries fournissent une quantité d'énergie relativement faible par rapport à leur taille et leur poids, Ainsi, une très petite batterie ne fournirait qu'une fraction de la puissance dont un nanorobot aurait besoin. Un candidat plus probable est un condensateur, qui a un rapport poids/puissance légèrement meilleur.

© Photographe :Newstocker I Agence :Dreamstime.com
Les ingénieurs travaillent à la construction de condensateurs plus petits qui alimenteront des technologies telles que les nanorobots.
Une autre possibilité pour l'alimentation des nanorobots consiste à utiliser une source d'énergie nucléaire. L'idée d'un petit robot propulsé par l'énergie nucléaire donne à certaines personnes des frissons, mais gardez à l'esprit que la quantité de matière est petite et, selon certains experts, facile à protéger [source :Rubinstein]. Toujours, les opinions publiques concernant l'énergie nucléaire rendent cette possibilité au mieux improbable.

Les sources d'alimentation externes comprennent des systèmes où le nanorobot est soit attaché au monde extérieur, soit contrôlé sans attache physique. Les systèmes captifs auraient besoin d'un fil entre le nanorobot et la source d'alimentation. Le fil devrait être solide, mais il devrait également se déplacer sans effort dans le corps humain sans causer de dommages. Une attache physique pourrait fournir de l'énergie électrique ou optique. Les systèmes optiques utilisent la lumière à travers des fibres optiques, qu'il faudrait ensuite convertir en électricité à bord du robot.

L'effet piézoélectrique Certains cristaux acquièrent une charge électrique si vous leur appliquez une force. Inversement, si vous appliquez une charge électrique à l'un de ces cristaux, il vibrera en conséquence, émettant des signaux ultrasonores. Le quartz est probablement le cristal le plus connu avec des effets piézoélectriques.

Les systèmes externes qui n'utilisent pas d'attaches pourraient s'appuyer sur des micro-ondes, des signaux ultrasonores ou des champs magnétiques. Les micro-ondes sont les moins probables, puisque les rayonner dans un patient entraînerait des tissus endommagés, puisque le corps du patient absorberait la plupart des micro-ondes et se réchaufferait en conséquence. Un nanorobot doté d'une membrane piézoélectrique pourrait capter les signaux ultrasonores et les convertir en électricité. Systèmes utilisant des champs magnétiques, comme celui que les médecins expérimentent à Montréal, peut soit manipuler directement le nanorobot, soit induire un courant électrique dans une boucle conductrice fermée du robot.

Dans la section suivante, nous examinerons les systèmes de propulsion des nanorobots.

Locomotion Nanorobot

En supposant que le nanorobot ne soit pas attaché ou conçu pour flotter passivement dans la circulation sanguine, il aura besoin d'un moyen de propulsion pour contourner le corps. Parce qu'il peut avoir à voyager à contre-courant du sang, le système de propulsion doit être relativement solide pour sa taille. Une autre considération importante est la sécurité du patient - le système doit être capable de déplacer le nanorobot sans endommager l'hôte.

Certains scientifiques s'inspirent du monde des organismes microscopiques. Les paramécies se déplacent dans leur environnement à l'aide de minuscules membres en forme de queue appelés cils . En faisant vibrer les cils, la paramécie peut nager dans n'importe quelle direction. Semblable aux cils sont flagelles , qui sont des structures de queue plus longues. Les organismes fouettent les flagelles de différentes manières pour se déplacer.

Les concepteurs de nanorobots s'inspirent parfois d'organismes microscopiques pour leur propulsion, comme le flagelle sur cette cellule e-coli.
Des scientifiques israéliens ont créé microrobot , un robot de quelques millimètres seulement, qui utilise de petits appendices pour saisir et ramper à travers les vaisseaux sanguins. Les scientifiques manipulent les bras en créant des champs magnétiques à l'extérieur du corps du patient. Les champs magnétiques font vibrer les bras du robot, en le poussant plus loin dans les vaisseaux sanguins. Les scientifiques soulignent que parce que toute l'énergie du nanorobot provient d'une source externe, il n'y a pas besoin d'une source d'alimentation interne. Ils espèrent que la conception relativement simple facilitera la construction de robots encore plus petits.

D'autres appareils semblent encore plus exotiques. On utiliserait des condensateurs pour générer des champs magnétiques qui tireraient des fluides conducteurs à travers une extrémité d'un pompe électromagnétique et tirez-le par l'arrière. Le nanorobot se déplacerait comme un avion à réaction. Miniaturisé pompes à jet pourrait même utiliser du plasma sanguin pour faire avancer le nanorobot, bien que, contrairement à la pompe électromagnétique, il faudrait des pièces mobiles.

Une autre façon potentielle pour les nanorobots de se déplacer consiste à utiliser une membrane vibrante. En resserrant et relâchant alternativement la tension sur une membrane, un nanorobot pourrait générer de petites quantités de poussée. A l'échelle nanométrique, cette poussée pourrait être suffisamment importante pour agir comme une source viable de mouvement.

Dans la section suivante, nous examinerons les outils que les nanorobots pourraient emporter pour remplir leurs missions médicales.

Minuscule, Petits outils

Photo gracieuseté de Garrigan.net
Les outils nanorobots devront être assez petit pour être manipulé des cellules comme ces globules rouges.
Les microrobots actuels ne mesurent que quelques millimètres de long et environ un millimètre de diamètre. Par rapport à l'échelle nanométrique, c'est énorme -- un nanomètre n'est qu'un milliardième de mètre, tandis qu'un millimètre est un millième de mètre. Les futurs nanorobots seront si petits, vous ne pourrez les voir qu'à l'aide d'un microscope. Les outils Nanorobot devront être encore plus petits. Voici quelques-uns des éléments que vous pourriez trouver dans la boîte à outils d'un nanorobot :

Cavité de médecine -- une section creuse à l'intérieur du nanorobot peut contenir de petites doses de médicaments ou de produits chimiques. Le robot pourrait libérer des médicaments directement sur le site de la blessure ou de l'infection. Les nanorobots pourraient également transporter les produits chimiques utilisés en chimiothérapie pour traiter le cancer directement sur le site. Bien que la quantité de médicament soit relativement minime, l'appliquer directement sur le tissu cancéreux peut être plus efficace que la chimiothérapie traditionnelle, qui repose sur le système circulatoire du corps pour transporter les produits chimiques dans tout le corps du patient.
Sondes , des couteaux et ciseaux -- pour éliminer les blocages et la plaque, un nanorobot aura besoin de quelque chose pour saisir et décomposer le matériau. Ils peuvent également avoir besoin d'un appareil pour écraser les caillots en très petits morceaux. Si un caillot partiel se libère et pénètre dans la circulation sanguine, cela peut causer plus de problèmes plus loin dans le système circulatoire.
Émetteurs micro-ondes et générateurs de signaux ultrasonores -- détruire les cellules cancéreuses, les médecins ont besoin de méthodes qui tuent une cellule sans la rompre. Une cellule cancéreuse rompue peut libérer des produits chimiques qui pourraient aggraver la propagation du cancer. En utilisant des micro-ondes affinées ou des signaux ultrasonores, un nanorobot pourrait rompre les liaisons chimiques dans la cellule cancéreuse, le tuer sans briser la paroi cellulaire. Alternativement, le robot pourrait émettre des micro-ondes ou des signaux ultrasonores afin de chauffer suffisamment la cellule cancéreuse pour la détruire.
Électrodes -- deux électrodes dépassant du nanorobot pourraient tuer les cellules cancéreuses en générant un courant électrique, chauffer la cellule jusqu'à ce qu'elle meure.
Lasers -- minuscule, les lasers puissants pourraient brûler des matières nocives comme la plaque artérielle, cellules cancéreuses ou caillots sanguins. Les lasers vaporiseraient littéralement le tissu.

Les deux plus grands défis et préoccupations des scientifiques concernant ces petits outils sont de les rendre efficaces et sûrs. Par exemple, créer un petit laser assez puissant pour vaporiser les cellules cancéreuses est un grand défi, mais le concevoir de manière à ce que le nanorobot n'endommage pas les tissus sains environnants rend la tâche encore plus difficile. Alors que de nombreuses équipes scientifiques ont développé des nanorobots suffisamment petits pour pénétrer dans la circulation sanguine, ce n'est que la première étape pour faire des nanorobots une véritable application médicale.

Dans la section suivante, nous apprendrons où en est la technologie des nanorobots aujourd'hui et où elle pourrait être à l'avenir.

Nanorobots :aujourd'hui et demain

Des équipes du monde entier travaillent à la création du premier nanorobot médical pratique. Il existe déjà des robots allant d'un millimètre de diamètre à un relativement gros deux centimètres de long, bien qu'ils soient tous encore en phase de test de développement et n'aient pas été utilisés sur des personnes. Nous sommes probablement à plusieurs années de voir les nanorobots entrer sur le marché médical. Les microrobots d'aujourd'hui ne sont que des prototypes qui n'ont pas la capacité d'effectuer des tâches médicales.

Yoshikazu Tsuno/AFP/Getty Images
Bien que ce robot de 2 centimètres de long est une réalisation impressionnante, les futurs robots seront des centaines de fois plus petit.
À l'avenir, les nanorobots pourraient révolutionner la médecine. Les médecins pourraient tout traiter, des maladies cardiaques au cancer, en utilisant de minuscules robots de la taille d'une bactérie, une échelle beaucoup plus petite que les robots d'aujourd'hui. Les robots peuvent travailler seuls ou en équipe pour éradiquer la maladie et traiter d'autres conditions. Certains pensent que les nanorobots semi-autonomes approchent à grands pas - les médecins implanteraient des robots capables de patrouiller le corps d'un humain, réagir à tous les problèmes qui surgissent. Contrairement au traitement aigu, ces robots resteraient pour toujours dans le corps du patient.

Une autre application future potentielle de la technologie des nanorobots consiste à réorganiser notre corps pour qu'il devienne résistant aux maladies, augmenter notre force ou même améliorer notre intelligence. Dr Richard Thompson, un ancien professeur d'éthique, a écrit sur les implications éthiques de la nanotechnologie. Il dit que l'outil le plus important est la communication, et qu'il est essentiel pour les collectivités, organisations médicales et le gouvernement de parler de nanotechnologie maintenant, alors que l'industrie en est encore à ses balbutiements.

Aurons-nous un jour des milliers de robots microscopiques qui se précipitent dans nos veines, faire des corrections et guérir nos coupures, contusions et maladies ? Avec la nanotechnologie, il semble que tout soit possible.