Resumen
En el presente documento se ha logrado realizar un estudio del arte acerca de la nanorobótica, definiéndola como la rama de la nanotecnología que estudia el desarrollo de nuevos objetos de tamaño nanométrico, sin embargo el estudio de la nanorobótica comprende un campo muy amplio por lo cual nos enfocaremos a los nanorobots y sus aplicaciones en la medicina, para tratar enfermedades como el cáncer, el aneurisma cerebral, la diabetes, y en la odontología, no sin antes revisar los conceptos básicos de la nanorobótica, su origen y principales aplicaciones.
Palabras clave: Términos índice— nanotecnología, nonorobótica, nanorobots.
Introducción
La nanotegnologia, un término mencionado por primera vez en 1959 por Richard Feman, es una tecnología que estudia lo pequeño, lo diminuto pues hace referencia a las ciencias y técnicas a nivel atómico y molecular, es decir trabaja a escalar nanométricas, entendiendo por nanométricas a una milésima millonésima de metro, aproximadamente 1/80000 del diámetro de un cabello humano.
La nanorobótica es un campo multidisciplinario pues involucra la química, la informática, ingeniería, biología y otras ciencias afines, para lograr controlar o modificar las propiedades, forma, tamaño de los nano-objetos y nano estructuras, de ahí su amplia gama de aplicación, sin embargo la medicina es el campo que recibe más atención , puesto que día a día se intenta mejorar nuevos procedimientos mediante los cuales las personas puedan combatir las enfermedades, como el cáncer, el aneurisma cerebral, la diabetes, etc.
Entonces conociendo la importancia del desarrollo de esta tecnología, en el siguiente documento se elaboró un estado del arte acerca de la nanorobótica, enfocando su estudio a los nanorobots médicos los cuales prometen ser el futuro de la medicina permitiendo el diagnóstico y tratamiento eficaz y exacto de enfermedades, siendo incluso capaces de manipular incluso nuestro material genético. [1], [6], [7], [13]
Nanorobótica
La nanorobótica es el campo de la nanotecnológica encargada de estudiar la robótica a una escala nanométrica; siendo un nanómetro milmillonésima parte de un metro, pero no solo estudia los robots cuyas dimensiones son nanometricas, también a los robots grandes que son capaces de manipular objetos de dimensiones manométricas, La nanorobótica es un campo multidisciplinario puesto que involucra la química, la informática, ingeniería, biología y otras ciencias afines, para lograr controlar o modificar las propiedades o forma tamaño los nanoobjetos y nanoestructuras. [5], [17]
Tiene varias aplicaciones en áreas como la ingeniería espacial, la biología, la industria manufacturera, la medicina, esta última es de especial importancia debido a que se enfoca al desarrollo de nanorobots, nanosensores, maquinas moleculares que servirán para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades como el cáncer o la diabetes, gracias a la nanomanipulación sin contacto de los materiales biológicos como las células, los virus, proteínas, ADN y ARN, utilizando técnicas como la fuerza magnética, pinzas ópticas, nano-pinas, etc. [2],[13],[17]
Figura 1 Recombinación de ADN (Propuesto para hacer una máquina de ADN) [2]
Nanorobots
Los nanorobots son sistemas inteligentes de dimensiones nanométricas en un rango entre 1 a 100nm, son construidos para realizar tareas específicas. [3]
Historia del origen de los nanorobots
Fue en 1959 cuando Richard Feynman menciono en su discurso, "Hay espacio de sobra aquí adentro", por primera vez el termino de nanotecnología, sosteniendo que no existe ley física alguna por la cual el hombre no sea capaz de diseñar, controlar y por ende construir objetos a escala microscópica, sin embargo mencionó también que existen limitaciones que se deben considerar para realizar objetos en miniatura puesto que estos serían fruto de manipulación y arreglo de los átomos. [4], [17], [19]
Luego del precedente de Feynman en 1974 el profesor Norio Taniguchi Taniguchi define a la nanotecnología como "El proceso de separación, consolidación y deformación de materiales de átomo por átomo o moléculas por molécula". [2]
Sin embargo los nanorobots fueron introducidos al mundo tecnológico gracias al Dr. Eric Drexler en su libro "Ingeniería de creación: la era de la nanotecnología" en el año de 1986 [2].
Con el pasar del tiempo esta nueva tecnología se convirtió en tema de interés para muchos científicos quienes pusieron en práctica sus conocimientos a nivel atómico para poder desarrollarla. Es así que en 1991 se inventa el microscopio de fuerza atómica (AFM) usado para las nano-manipulaciones de átomos y moléculas. [2], [4], [17]
La siguiente imagen se muestra la manipulación de los átomos de xenón formando la palabra IBM.
Figura 2Manipulación de átomos de zenon [2]
Luego en el año 2000 se funda "United States National Nanotechnology Initiative" creada para coordinar la investigación y desarrollo de la nanotecnología, en ese mismo año nace "The company Nanofactory Collaboration" cuya investigación se enfoca en el desarrollo de nanorobots para uso médico, siendo este campo uno de los más trascendentales de estudio. [2], [17]
Aplicaciones de los nanorobots
Los nanorobots tienen muchas aplicaciones pero las que más se buscan desarrollar sin el de la medicina y la ingeniería espacial.
En el campo de la medicina
Los nanorobots se buscan desarrollar con el propósito de que sean capaces de diagnosticar, monitorear y tratar enfermedades en partes especificas del cuerpo. Además que puedan realizar tareas predefinidas en algunos procedimientos médicos. [15], [14]
En el campo de la ingeniería espacial
Los nanorobots se pueden utilizar en el campo de la ingeniería espacial para realizar tareas como el mapero y detección de grandes terrenos con los denominados "Networked TerraXplorers" (NTXp) los cuales serían lanzados en grandes cantidades para que interactúen con el terreno de manera que detecten la presencia de agua u otros minerales, además serían capaces de recolectar información de presión, temperatura, radiación entre otros. [10]
Nanorobots médicos
Los nanorobots médicos son dispositivos de dimensiones nanométricas desarrollados para ser utilizados en diversas ramas de la medicina, están formados por nano-componentes, diseñados para permitir nuevas metodologías en el diagnóstico, tratamientos médicos y cirugía mínimamente invasiva. [12], [14]
Elementos para fabricar nanorobots
Los elementos para fabricar los nanorobots son nanomateriales los cuales se puden dividir en nanocapas, nanopartículas y nanocompuestos.
El carbón es elemento más utilizado para construir un nano robot médico, especialmente en forma de diamante o compuestos de diamondoid/fullerene, debido a su fuerza e inercia química del diamante, esta propiedad hace referencia a la poca tendencia que un material posee para reaccionar químicamente con otro.[18], [21]
Figura 3 Estructura de nanomaterial creada a base de carbón [2]
Para realizar los engranes u otros componentes a nanoescala se pueden utilizar materiales como el silicio, oxigeno, azufre, entre otros. Con estos elementos a su vez se pueden crear nuevas combinaciones sintéticas para elaborar nanorobots, así tenemos la combinación de silicio y oxígeno, el cual posee alta estabilidad en condiciones oxidantes, alta resistencia y estabilidad termina, además de un fuerte enlace bidireccional covalente. [18], [21]
Nanorobots en odontología
La nanorobótica aplicada al campo de la odontología da origen a la denominada nano-odontología en donde los nanorobots ayudaran a la administración de anestesia en donde se podrían colocar varias partículas con anestesia sobre la encía del paciente en lugares específicos y estrictamente necesarios. Además se podrían usar para el tratamiento de ortodoncia en donde los permitirán podrán manipular directamente los tejidos periodontales que ayuden a un movimiento rápido de diente en unos cuantos minutos u horas. [3], [13]
Nanorobots en la detección y tratamiento del cáncer
Los nanorobots estarían encargados de ayudar al diagnóstico y dosificación de medicamento para los pacientes que sufren de cáncer
Esto sería posible gracias a que los nanorobots tendrían la capacidad de navegar a través del torrente sanguíneo y mediante los biosensores que poseen detectar las células tumorales, en cuanto a la dosificación los nanorobots podrían llevar las cantidades de medicamente correcta y exacta hacia las zonas del cuerpo específicas para tratar la enfermedad. [14], [20]
Figura 4 Nanorobots con biosensores navegando [2]
Nanorobots para diagnóstico y tratamiento de diabetes
Conocer la cantidad de glucosa en contenida en la sangre de un paciente con diabetes para mantener un nivel correcto es de vital importancia para su diagnóstico y tratamiento, existe un prototipo de nano robot simulado para realizar el diagnostico, este no es atacado por las células blancas por ende puede navegar libremente y tomar información mediante un sensor químico que monitorea la actividad de la proteína hSGLT3 en la sangre. [3], [7]
Cabe destacar que algunos de los nanorobots ya son una realidad, en la Universidad de Illinois en Chicago un investigador ha desarrollado una capsula que mide 7 nanómetros, la cual posee pequeños poros por donde libera insulina para combatir la diabetes. [3], [7]
Nanorobots en la terapia de genes
Los nanorobots pueden ser capaces de tratar las enfermedades de carácter genéticos puesto que interactúan directamente son las estructura moleculares de ADN y proteínas que se encuentran en las células.
Así por ejemplo en la terapia de reemplazo cromosómico, para tratar enfermedades como virales, diabetes o cáncer, el nano robot tendrá brazos que estiren la cadena del ADN y recolectar información, la cual luego podrá ser comparada con una base de datos de un nanorobot fuera del núcleo de la célula, lo cual dará como resultado un diagnóstico de las irregularidades encontradas para un posterior tratamiento. [13], [14]
Nanorobots para el aneurisma cerebral
En nano robot sede ser capaz de realizar un seguimiento de la lesión endotelial(zona interna de los vasos sanguíneos) , detectando los cambios de concentración química mediante un biosensor los cuales serán activados ante la presencia altas concentraciones intracraneales (NOS), en el caso de que el biosensor detecte una actividad normal es decir inferior a 50nA el nano robot la ignora, sin embargo si nota una alteración es decir mayor a este nivel de concentración entonces el nano robot entra en acción recopilando información sobre el lugar y dimensión de las altas concentraciones de proteínas, esta información servirá para pronosticar un posible aneurisma cerebral. [13], [14]
6.7 Nanorobots para la estimación de la velocidad de la sangre
Generalmente la velocidad de la sangre es definida mediante estimaciones o se presume que es conocido, la importancia de conocer la velocidad de la sangre para medir perturbaciones periódicas fisiológicas, para ellos es necesario agregar un nanorobot para que navegue en los vasos sanguíneos, en donde la fuerza de arrastre depende de la velocidad de la sangre. [15]
En la siguiente figura se muestra nanorobots agregados en los vasos sanguíneos. [15]
Figura 5 Nanorobots con biosensores navegando [15]
Nanorobots para cirugía
Los nanorobots pueden ayudar a realizar procedimientos quirúrgicos complejos puesto que están elaborados para realizar tareas predefinidas, las cuales deben ser ejecutadas con precisión, para la cual el procesamiento de datos y transmisión de dato debe usarse técnicas derivadas de la nanotecnología y de los sistemas de integración a gran escala (Very Large System Integration) que consiste en elaborar un circuito integrado con la combinación de miles de transistores en un solo chip miniatura. Así por ejemplo un chip CMOS con diseño VLSI usando litografía ultravioleta profunda (tecnología usada para fabricar chips) es capaz de proporcionar una alternativa para elaboración de los nanorobots. [9]
Nanorobot con inteligencia artificial
En un futuro se espera combinar la nanotecnología y la inteligencia artificial de manera que se puedan elaborar nanorobots para tratar cualquier patología, que naveguen por nuestro cuerpo y mediante la recolección de información, se adapten al tratamiento de cualquier enfermedad a tratar, además estos deberían ser dependientes de ningún organismo externo al momento de tomar decisiones, gracias a que estarán dotados de sistemas informáticos de gran memoria con una suficiente capacidad informativa. [1], [21]
Una muestra de esta tecnología es el cerebro artificial elaborado por la compañía Genobyte, el cual cuenta con unas 37.7 millones de neuronas además de un simulador que permite recrear los procesos de sinapsis y la comunicación entre ellas, aunque aún no es capaz de realizar todas las actividades que realiza un cerebro real. [1], [21]
Conclusiones
Luego de realizar el estado del arte acerca de la nanorobótica se pudo comprender que esta tecnología no solo tiene que ver con el desarrollo de objetos a escala nanométrica sino también con robots de escalas más grandes que son capaces de manipular objetos de dimensiones nanométricas.
En cuanto a los nanorobots médicos se notó que a pesar de ser una idea futurista no es muy lejana sin embargo comprende grandes desafíos para su construcción, pero brindarían grandes beneficios para el tratamiento de enfermedades gracias a que trabajan a nivel atómico, tratando el problema desde la célula o en lugares específicos del cuerpo estarían básicamente diseñados para para reconocer patógenos utilizando sus nano-sensores para recolectar información por ende ayudarían al diagnóstico de las enfermedades, además podrían suministrar fármacos de manera muy precisa lo cual ayudaría al tratamiento de las diferentes enfermedades, los nanorobots podrían ser introducidos en nuestro cuerpo a través del sistema vascular u otros cavidades y viajar libremente en el cuerpo humano, el alcance de esta tecnológica podría llegar al punto en el cual los nanorobots posean la capacidad de tomar decisiones propias sin la necesidad de ningún elemento externo, por ende adaptarse y tratar cualquier problema de salud de las personas.
Referencias
[1] C. Fernández. "La Nanotecnología Esta Entre Nosotros"[Online]. Avaliable: http://www.revistasbolivianas.org.bo/pdf/rits/n1/n1a43.pdf
[2] L. Armstrong, C. Arnold , K. Barjara and A. Al-douah, " Nanomachines and Robots" [Online]. Avaliable: http://research.che.tamu.edu/groups/Seminario/materials/G01_Nanomachines.pdf
[3] M. Abhilash, "Nanorobots" [Online], International Journal of Pharma and Bio Sciences. vol. 1. January., 2010.Avaliable: http://www.ijpbs.net/51.pdf
[4] ABCciencia, "Nanobots: Tecnología Inimaginable"[Online]. Avaliable: http://www.abciencia.com.ar/tecnologia/nanobots-tecnologia-inimaginable
[5] A. Ummat, Dubey. A, G. Sharma and C. Mavroidis. "Nanorobotics "[Online]. Avaliable: http://www.fractal.org/Bio-Nano-Robotics/Nanorobotics.pdf
[6] J. Márquez. "Nanobioética, nanobiopolítica y nanotecnología"[Online]. Salud Uninorte. Vol. 24. January, 2008, pp.140-157. Avaliable:http://rcientificas.uninorte.edu.co/index.php/salud/article/view/3824/2435
[7] Inmmortality Institude, "Nanomedicina: La Busqueda de una espectativa de una vida saludable a pesar de los accidente" in La conquista cientifica de la muerte, 1ra. Ed., Amertown International S.A . 2008, pp. 56-62. Avaliable: https://books.google.es/books?hl=es&lr=lang_es&id=Jm4UVDeR2vgC&oi=fnd&pg=PA67&dq=nanorobotica&ots=XA2FLQBaAs&sig=D0BUKoawwX-z3YKALQzG5b1VrRE#v=onepage&q=nanorobotica&f=false
[8] P. Maza, M. Martínez and L. Otero. "APLICACIÓN CLÍNICA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN ODONTOLOGÍA "[Online]. Avaliable: http://recursostic.javeriana.edu.co/doc/nanotecnologia.pdf
[9] D. Murphy, B. Challacombe, T. Nedas, O. Elhage, K. Althoefer, L. Seneviratne y P. Dasgupta. "EQUIPAMIENTO Y TECNOLOGÍA EN ROBÓTICA"[Online]. Cirugía robótica en urología . Vol. 4., 2007, pp. 349-355. Avaliable:http://scielo.isciii.es/pdf/urol/v60n4/robotica3.pdf
[10] C. Mavroidis. "BIO-NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS "[Online]. Department of Mechanical and Industrial Engineering Northeastern University, Boston, Massachusetts. Avaliable:http://www.niac.usra.edu/files/library/meetings/annual/oct04/914Mavroidis.pdf
[11] K. Kostarelos. "Nanorobots for medicine: how close are we?"[Online]. Future medicina. Vol. 5., 2010, pp.341-342. Avaliable:http://www.futuremedicine.com/doi/pdf/10.2217/nnm.10.19
[12] S.M. Masudur, "Control System for Autonomous Medical Nanorobots", International Conference on Biomedical Engineering (ICoBE) 2012, February 27-28,Malasia, Penang
[13] R.B.Durairaj I, Shanker.P, and Dr.M. Sivasankar, "Nano Robots In Bio Medical Application", IEEE-International Conference On Advances In Engineering, Science And Management (ICAESM) 2012, March 30-31
[14] S. C. Lenaghan, Y. Wang, N. Xi, T. Fukuda, T. Tarn, W.R. Hamel, and M. Zhang, "Grand Challenges in Bioengineered Nanorobotics for Cancer Therapy", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 60, no. 3, March 2013
[15] M. Fruchard, L. Arcese, and E. Courtial, "Estimation of the Blood Velocity for Nanorobotics", IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL. 30, NO. 1, FEBRUARY 2014
[16] Matthieu Fruchard, Laurent Arcese, and Estelle Courtial, "Fabrication of an On-Chip Nanorobot Integrating Functional Nanomaterials for Single-Cell Punctures", IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL. 30, NO. 1, FEBRUARY 2014
[17] Springer, "Nanorobotics: The Vision and Applications," in Nanorobotics, Ed. New York: C. Mavroidis and A. Ferreira, 2013, pp. 3-20, 69-93.
[18] Robert A. Freitas Jr., "Meeting the Challenge of Building Diamondoid Medical Nanorobots," Intl. J. Robotics Res.( 2009) , April 28.
[19] P. Serena. "NANO-ROBOTS ¿REALIDAD O CIENCIA-FICCIÓN? "[Online]. Avaliable: http://www.fundacionsanpatricio.com/investiga/pdf/guias2012/GUIA_NANO-ROBOTS.pdf
[20] M. Cuevas (2008), "Comparación de dos estrategias Bio-Inspiradas de Búsqueda De Objetivos Aplicadas a la Navegación Nanorobótica Caso de estudio: Prevención del Cancer", Tesis para obtener el título de Licenciado en Sistemas Computacionales y Administrativos, Universidad Veracruzana, Facultad de Contaduría y Administración, Xalapa-Enriquez, Veracruz.
[21] V. Alaro, "Nanorobótica"[Online], IRevista de Información, Tecnología y Sociedad. vol. 5. November., 2010.Avaliable: http://www.revistasbolivianas.org.bo/scielo.php?pid=S1997-40442010000200009&script=sci_arttext&tlng=es
[22] K. Drexler and A. Books, " Engines of Creation : The Coming Era of Nanotechnology". Doubleday, 1986. Avaliable: http://web.mit.edu/cortiz/www/3.052/3.052CourseReader/3_EnginesofCreation.pdf
Enviado y Adaptado por:
Iván Pesantez,
(A"1994, M"9, D"25) Nació en Cuenca en la provincia del Azuay en Ecuador, el 25 de septiembre de 1994. Se graduó de primaria en la unidad educativa bilingüe Interamericana. Para su educación segundaria y por su habilidad con las materias técnicas se graduó de bachiller técnico industrial en Mecatrónica en el colegio Técnico Superior Salesiano, actualmente se encuentra cursando el 5to ciclo de ingeniería electrónica en la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca.