میکرو روبات ها در پزشکی–تخیل «آسیموف» جان می‌گیرد
تابستان گرم سال ۶۳، یکی از کتاب‌های علمی تخیلی از ایزاک آسیموف می‌خواندم: سفر معجزه‌آسا!
داستانش را باید همه شما بدانید:
«دانشمند برجسته‌ای که به یکی از بزرگترین اکتشافات علمی جهان نایل آمده است، قبل از آنکه موفق به تشریح جزئیات اکتشافات خود شود، در جریان توطئه‌ای در یک سانحه اتومبیل، دچار عارضه مغزی می‌شود.
نجات جان این دانشمند معروف، برای بشریت واجد اهمیت حیاتی است. اما این امر میسر نیست، زیر عمل جراحی مغز از طریق شیوه‌هالی معمولی، احتمالا عوارضی بر جای خواهد گذاشت که به از بین رفتن حافظه وی منتهی خواهد شد.
تنها یک راه وجود دارد و آن این است که یک زیردریایی اتمی، هماره تیم کوچک جراحی، در مقیاس یک باکتری کوچک شده و به بدن او تزریق شوند تا از این طریق جریان خون به مغز راه یافته و لخته خون را از درون به وسیله اشعه لیزر منهدم کنند، ولی...
با استفاده از دانش نانوتكنولوژي محققان توانسته اند نانو ربات هاي زيستي طراحي كنند كه در بدن انسان قرار مي گيرند و نقش محافظ و درمانگر را ايفا مي كنند. اين ريز ماشين هاي هوشمند قادرند چندين نسخه از خودشان تهيه كنند و جايگزين بافت هاي فرسوده يا آسيب‌ديده كنند. اين فرايند را خود تكثيري مي‌نامند. در آينده نانو ربات هاي هوشمند در مغز و بدن هر انساني به تعداد زياد وجود خواهند داشت و انسان را از ابتلا به انواع بيماري ها مصون مي دارند حتي روند پير شدن بشر را به تعويق مي اندازند و نيز قدرت جسماني و حافظه را تقويت مي كنند. با استفاده از نانوتكنولوژي دستيابي به انرژي خورشيدي امكان پذير خواهد شد. انرژي خورشيدي قابل تبديل و استفاده به اشكال مختلف انرژي است و بشر را از منابع ديگر انرژي بي نياز مي كند.
با استفاده از دانش نانوتكنولوژي محققان توانسته اند نانو ربات هاي زيستي طراحي كنند كه در بدن انسان قرار مي گيرند و نقش محافظ و درمانگر را ايفا مي كنند. اين ريز ماشين هاي هوشمند قادرند چندين نسخه از خودشان تهيه كنند و جايگزين بافت هاي فرسوده يا آسيب ديده كنند. اين فرايند را خود تكثيري مي نامند. در آينده نانو ربات هاي هوشمند در مغز و بدن هر انساني به تعداد زياد وجود خواهند داشت و انسان را از ابتلا به انواع بيماري ها مصون مي دارند حتي روند پير شدن بشر را به تعويق مي اندازند و نيز قدرت جسماني و حافظه را تقويت مي كنند. با استفاده از نانوتكنولوژي دستيابي به انرژي خورشيدي امكان پذير خواهد شد. انرژي خورشيدي قابل تبديل و استفاده به اشكال مختلف انرژي است و بشر را از منابع ديگر انرژي بي نياز مي كند. نانوربات ها ماشين هاي كوچكي هستند كه براي انجام عملياتي خاص و بعضا تكرارشونده با دقت بسيار بالا طراحي شده اند. نانو به معني يك بيليونيوم يا يك ميلياردم است. نانو ربات ها نه تنها قادر به تشخيص محل دقيق سرطان خواهند بود بلكه داروي مناسب براي از بين بردن سلول هاي سرطاني را تزريق مي كنند. امروزه تحقيقات وسيعي در زمينه درمان بيماري هايي چون ديابت، بيماري هاي قلبي و ايدز در حال انجام است. نانوربات ها داراي امكانات بالقوه اي هستند كه با اجتماع و قرارگيري به صورت كلوني قادرند به طور موشكافانه و دقيق از سيستم حفاظت كنند. در واقع با ساختاري اتمي يا مولكولي در يك فرايند شناخته شده قرار داده مي شوند تا چرخه اي را كامل كنند. تكنولوژي نانورباتيك آنقدر سريع در حال پيشرفت است كه به يقين زندگي انسان از اواسط قرن جاري به كلي متحول خواهد شد. اين تغييرات شامل از بين رفتن بسياري از بيماري ها، كاهش عوامل و عوارض بسياري از امراض و حتي جراحي ها است. يكي از مهمترين برنامه هاي گسترش علوم رباتيك در جهان بيشتر كردن عمر بشر و مبارزه با پيري و عـواقب آن است. از دهه 80 ميلادي تا كنون كوچك سازي (مينياتورسازي) از اهم فعاليت ها در زمينه علوم كامپيوتري بوده است. سرعت رشد تكنولوژي هر بيست سال دو برابر خواهد شد، در نتيجه تكنولوژي در سال 2050 حدود 32 برابر از سال 1950 جلوتر خواهد بود. يكي از شاخه هايي كه رشد تكنولوژي در آن بسيار چشمگير است، دانش پزشكي است. با ساخت ابزار و وسايل پزشكي در آينده روند پير شدن كند مي شود و مبـارزه بـا بيمـاري هـا آسـان تـر و مطمئـن تـر خـواهـد شـد. در زمينه كالبدشناسي از نانوربات‌ها به منظور تعيين محل دقيق آسيب استفاده خواهد شد. در شرايطي استفاده از نانو ربات‌هاي زيستي ضروري به نظر مي رسد كه امكان دسترسي به عضو موردنظر دشوار بوده يا امكان پذير نباشد يا حتي در مواردي كه عواقب دردناك و دشواري توسط پزشك پيش بيني شود. براي طراحي يك نانوربات دانشمندان از مدل هاي طبيعي مثل ساختار رشته هاي DNAبهره مي گيرند. با بهره گيري از دانش نانو تكنولوژي دانشمندان قادر به ساخت حسگرهاي زيستي در ابعاد يك ميلياردم هستند.
هم اكنون نانو ربات هايي كه در مراكز تحقيقاتي ساخته مي شود به اندازه اي كوچك هستند كه هنگام عطسه همراه با گرد و غبار به بيرون پرتاب مي شوند. يكي از اولين ريز ربات هايي كه براي كمك به علم پزشكي ساخته شد سلئو نام داشت. اين ميكرو ربات براي جاسازي در داخل روده انسان طراحي شده بود. سئلو مجهز به يك چنگال و چند حسگر بود. حسگرها بدين منظور تعبيه شده بودند تا مانع برخورد با موانع شوند، وظيفه چنگال نيز برداشتن نمونه از سطح روده است. اين ريز ماشين مي توانست يا خود حركت كند يا توسط پزشك با يك كنترل دستي به حركت درآيد. اسلوب كار نانو ربات هايي كه در داخل بدن كار گذاشته مي شوند، شبيه سازي از محيط در فضايي سه بعدي است و تجزيه و تحليل اطلاعات در آن ها بر مبناي روش هاي عددي است. نانوربات ها مانند انسـان بـه اطـلاعـات اطـرافشـان نياز دارند. به دليل نوع كار اين نانو ربات ها در بدن، تجهيزات و يا سخت افزار اين ماشين هاي مولكولي بسيار پيشرفته و ابتكاري است. در ســاخــت سـنـســورهــاي زيـسـتــي تـنـهــا روش هــاي مـيـكــروالـكـتــرونيكـي كـاربـرد دارد. نانوربات‌هاي زيستي داراي سنسورهايي در ابعاد بسيار كوچك هستند و در عين حال به گونه اي طراحي شده اند كه با شرايط زيستي بدن انسان سازگارند. نانوربات هاي زيستي با داشتن حسگرهاي بسيار حساس از تجهيزاتي خواهند بود كه امور پزشكي را به تدريج متحول مي كند. در واقع مدلي از ماشين هاي مولكولي هستند كه با روش هاي خاصي ارتباطات و اتصالات بين سلول هاي بيولوژيكي را كنترل كرده و بهبود مي‌بخشد، به عبارتي روي نحوه عملكرد سلول ها نظارت كرده و كنترل صحيح آن‌ها را به عهده مي‌گيرد. روش كار اين مدل هاي مولكولي بر اساس شبيه سازي در محيط سه بعدي است.
منابع انرژي براي نانو ربات ها
مؤثر ترين روش براي اين كه نانو ربات ها مدام در حال حركت و فعاليت باشند(در هر محيطي نه صرفا محيط بيولوژيك)، ايجاد منابعي از انرژي است كه از محيطي كه نانو ربـات در آن مـشـغـول بـه كـار اسـت فـراهـم شـود. انـرژي جـنـبـشـي سـيـال، اشـعه هاي الكترومغناطيسي كه از نور ساطع مي شوند گزينه هاي مناسبي براي منبع انرژي هستند، كه اين اشعه ها براي فضاي كاري باز مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين استفاده از تغييرات دمايي يا كم و زياد شدن نور نيز گزينه مناسبي هستند. اما براي يك فضاي كاري گسترده انرژي توليد شده از ارتعاش مناسب تر خواهد بود كه در محيط هاي مختلف از جمله محيط بيولوژيك مي توان از آن استفاده كرد.
مزايا و مشكلات نانورباتيك
به طور كلي در ساخت نانو ربات دو مسئله مهم وجود دارند. اولا شبيه سازي و طـراحـي بـر اسـاس ربـات هـاي مـاكـرو كـه شـامـل نـيـروي مـحركه، برقراري ارتباط و جهت‌‌يابي است و ثانيا اسمبل كردن قطعات نانو ربات. تحقيقات در زمينه نانورباتيك جنبه تئوري داشته و تا كنون نانو ربات مصنوعي غير بيولوژيك ساخته نشده است. اما از نظر تئوري مزايا و مشكلاتي مورد توجه واقع شده اند كه عبارتند از:
1- با دوام بودن نانو ربات ، كه از نظر تئوري سال ها دوام دارند.
1-زمان عملكرد آن‌ها بسيار كم است،زيرا جابجايي آن‌ها محدود بوده و اتفاقات بيولوژيك با همان سرعت رخ مي دهند اما در زمان كمتر.
2-احتمال مي رود كه نانو ربات ها به دليل اندازه كوچك ،از سوي بدن به عنوان عوامل بيماري زا شناسايي نشوند.
3-اندازه كوچك ، محدوديت هايي ايجاد مي كند به اين دليل كه اندازه هاي فوق العاده كوچك امكان عبور نانو ربات از هر ساختار نا مشخص و ناخواسته را مي دهد بدون اينكه هدايت يا متوقف شود.
اجزاي نانو ربات
بنا به نوع كاربري نانوربات، اجزاي آن تغيير مي كنند اما اجزاي بيان شده در اين قسمت، اجزاي اصلي نانو ربات ها هستند كه در هر نانوربات صرف نظر از نوع كاربرد وجود دارند.
نانوسنسورها
نسل جديد سنسور ها، در مقياس نانو، به سه دسته تقسيم مي شوند:
1-سنسورهاي فيبر نوري (اپتيكي)
2-سنسورهاي مكانيكي
3-سنسورهاي الكترونيكي
نانو سنسورهاي اپتيكي
از اين نانوسنسورها براي مطالعه متابوليسم در سلول هاي زنده استفاده مي شود. پروب هاي فـــيـــبـــــر نـــــوري ســـــر بــســيـــــار نـــــازكـــــي دارنـــــد (500-20 نـانـومـتـر.) هنگامي كه نور به اين فيبر تابيده مي شود، اين سر نازك ميدان ناپايداري توليد مي كند.زيرا قطر اين سر فيبر از طول موج نور كمتر است.وضوح تصوير با اين پروب ها بسيار زياد است. به دليل اين كه اين ميدان ناپايدار حـجــم كــوچـكــي از اطــراف خــود را تـحــريـك مي‌كند.
نانوسنسورهاي مكانيكي
در مقياس نانو پيوندهايي قوي بين ساختار ها بـا خـواص مكانيكي يا الكترونيكي يا شيميايي وجود دارد كه ساخت وسائل نانومتريك بسيار حساس به محيط و مواد شيميايي را امكان پذير مـي سـازد. بـه وسيلـه ايـن حساسيت بسيار بالا تـغـيـيــر شـكــل هــاي مـكــانيكـي و سيگنـال هـاي گرمايي وآكوستيك قابل تشخيص هستند.
نانومديسين
نــــــانــــــومـــــديـــســـيـــــن در واقـــــع اســـتـــفـــــاده از نــانـوتكنـولـوژي در درمـان، تشخيـص و كنتـرل سيستم هاي بيولوژيك است،كه شامل شناسايي هـدف مـربـوطـه و انـتـخاب حامل هاي مناسب براي دست يابي به پاسخ هاي مناسب و حداقل سـاخـتـن اثـرات جـانـبي داروها است. در زمينه نـانـومـديـسـيـن، نـيـازي بـه تـغـيـيـر دادن تـركيبات دارويي نبوده و فقط طريقه حمل آن بايد تغيير كند. اين سيستم داراي يك حامل است كه دارو توسط آن قسمت حمل مي شود. مشخصه مهم يك سيستم دارو رسان مؤثر، توانايي براي انجام انتقال هدف دار و كنترل شده دارو است. براي ايـن مـنـظـور داروهـا بايد باسرعت مناسبي آزاد شوند. آزاد شدن سريع دارو باعث عدم جذب مناسب و اثرات جانبي ديگر دارد. به علاوه بايد توجه داشت كه دارو هنگام حمل تجزيه نشود، بـراي هـمـيـن داروهـا را بـايـد در مـحـفـظـه هـايي (كپسول هايي) قرار داد. ماده حامل دارو بايد با دارو سازگار بوده تا دارو به راحتي با آن پيوند برقرار كند.
نانو جراحي
روش هاي جراحي كلاسيك به صورت ماكرو هستند؛ اما بعضي از جراحي هاي خاص مثل جراحي چشم نيازمند وسايل و ابزار ظريف تر و كوچك تر شدند. لذا ميكرو جراحي ظهور پيدا كرد و در چند سال اخير كوچك سازي، پيشرفت هاي زيادي در جراحي ايجاد كرده است. اولين مزيت نانوجراحي كاهش شوك ها و زخم هاي ناشي از جراحي كلاسيك است. همچنين شكاف و برش در نانوجراحي وجود ندارند. همين مسائل باعث بهبودي سريع تر بيمار مي شود. جراحي هاي معمولي سنگين و طاقت فرسا هستند؛ هم براي بيمار و هم براي جراح از يك طرف بيمار دچار ترس و دلهره، دردهاي متعدد و زمان بهبودي طولاني شده و از طرف ديگر جراح به تمركز، براي مدت طولاني احتياج دارد تا جراحي را كامل و دقيق انجام دهد. اشتباهات جراح كه ناشي از خستگي و ديد كم هستند اجتناب نا پذيرهستند. در نانوجراحي، جراح از دسته هايي براي فرمان استفاده مي كند تا بازوهاي نانو ربات را كه مجهز به ابزار جراحي كوچك هستند كنترل كرده و به محل مورد نظر برساند. بازوي ديگر نانو ربات دوربيني حمل مي‌كند كه جراح مي تواند محيط درون بدن را مشاهده كند.
نانو ربات عنكبوتي از جنس مولكول DNA
دانشمنـدان در آمـريكـا يـك ربـات مـولكـولـي از جنـس مولكول وراثتي DNA خلق كرده‌اند كه مانند عنكبوت در امتداد يك مسير ساخته شده از كد شيميايي براي حيات راه ميرود. اين ربات فقط چهار نانو متر قطر دارد كه چهار ميليارديوم يك متر است. اين نانوربات، شبيه به يك عنكبوت چهار پا طراحي شده است. اين هيولاي مينياتوري در امتداد زنجيره‌هاي DNA متصل شده به هم حركت مي‌كند كه درست به روش حركت ربات‌هاي صنعتي در امتداد يك خط مونتاژ است. بدن اين عنكبوت از پروتئين معمولي موسوم به <استرپتاويدين> ساخته شده است. اين دستاورد كه شرح آن در مجله علمي نيچر به چاپ رسيده گامي ديگر در آزمايشات مقياس نانو است كه در آينده به خلق ارتشي از نانوربات‌ها براي پاكسازي عروق و ترميم بافت‌هاي آسيب ديده منجر خواهد شد.
به كارگيري نانوربات براي جراحي
نانوربات قابل كنترلي كه قادر است در جراحي سرطان مورد استفاده قرار گيرد در حال ساخت است. دقت كار اين نانوربات بيش از فناوري‌هاي رايج امروزي است. اين نانوربات كه دقت بالا تنها يكي از مزاياي آن است، قادر است در طول 5 تا 10 سال آينده به خدمت جراحان درآيد. داخل اين دستگاه موتورهاي بسيار كوچكي قرار دارد كه اين دستگاه را قادر ميسازد تا به نقطه‌خاصي از تومور برود. اين در حالي است كه با هيچ دستگاه جراحي نمي‌تواند با دقت ميليمتري روي تومورها كار كرد؛ اما نانوربات‌ها اين دقت را زير نانو پايين ميآورند. با اين نانوربات ميتوان تست‌هاي پاتولوژي يا تشخيص طبي را طي چند دقيقه انجام داد و حتي ميتوان دارويي را به‌منظور از بين بردن تومور با دقـت وارد بدن بيمار كرد. هم‌اكنون طراحي الگوريتم‌هاي حركتي نانوربات تست فعاليت‌هاي مختلف اين نانوربات در حال انجام است.
استفاده از نانوربات به معني كنار زدن جراحان در فرايند جراحي نيست بلكه جراحان بايد به‌صورت ناظر روي فعاليت نانوربات‌ها در طول جراحي نظارت داشته باشند و مانند نقش هدايتي خلبان در اين مسير ايفاي نقش كنند.
ساخت نانو ربات كربني براي حمل دارو در بدن بيماران
نانو ربات كربني به ابعاد 100 نانومتر به وسيله دستگاه هاي كنترل شده، داروهاي تـزريقي را در بافت بدن بيماران هدايت مي كند. نانو ربات كربني قابليت حمل هر دارويي را در بدن دارد. پس از تزريق دارو به اين دستگاه دارو به تمام بافت هاي بيمار به خصوص بافت هاي سرطاني و ايدزي رسيده و آن ها را از بين مي برد. در حال حاضر شبيه سازي كامپيوتري اين طرح انجام شده است.
توليد نانو رباتها
ســاخــت نـانـوربـات‌هـا بـه كـار بـرده شـده در پزشكي مستلزم حصول پيشرفت‌هايي در مواد صــلـــب الــمـــاس‌گـــونـــه اســـت و ايـــن كـــار هــم امـكــان‌پــذيــر اســت و تــولـيــد نـانـو ابـزارهـا طـي سـال‌هـاي اخيـر رو بـه رشـد بـوده اسـت. تـوليد الـمــاس گــونــه‌هــا مــرحـلــه بــه مــرحلـه در حـال پـيشرفت است و براي حركت به سمت توليد ربـات‌هـا در ابـعـادي قابل مقايسه با باكتري‌ها، لازم است دركي از اين زمينه وجود داشته باشد. به عنوان مثال، چند ماه قبل، اولين ربات متحرك سـاخـتـه شـد كـه مـيـتـوانست تا ابعاد 60 در 250 ميكرون را اندازه بگيرد.
در ايـن مـقـياس، ميتوان پيش‌بيني نمود كه ابـعـاد ربـات‌هـايـي كـه در سـال‌هـاي آيـنده پديد ميآيند به سرعت به 100 ميكرون و بعد از آن 50 ميكرون و همين طور كاهش مي‌يابند. هم‌اكنون نمونهِ اوليهِ وسيلهِ 90 نانومتري Intel، يك 52 SRAM مـگابيتي كاملا كاربردي توليد كرده كه طول پايهِ ترانزيستور آن 50 نانو متر است و ابعاد سـلـول SRAMآن تـنـهـا حدود 1 يا تقريباً نصف اندازهِ سلول اغلب SRAMهاي پيشرفتهِ امروزي است.
تـا سال 2016، ICهاي با عملكرد بالا حاوي بـيـش از 8/8 مـيـليارد ترانزيستور، در فضايي به مـساحت 280 ميلي متر مربع خواهند بود. اين رقم بيش از 25 برابر تعداد ترانزيستورهايي است كه روي تراشه‌هاي امروزي با ابعاد 130 نانو متر قـــرار دارد. امـــا از آنــجــا كــه درون بــدن انـســان رگ‌هاي كوچكي به قطر 30 تا 60 ميكرون وجود دارد، مـي‌تـوان پـيدايش اولين نانوربات طي ده سال آينده را كاملا طبيعي دانست.
فناوري‌نانو در خدمت پزشكي
در واقـع تـاكنـون نـانوابزارهاي كاملا كاربردي بسياري مانند موتورها، حسگرها، محاسبه‌گرهاي زيست مولكولي و نانوترانزيستورها ساخته شده است. اما در حال حاضر عمده‌ترين چالش، مجتمع‌سازي چندين بخش مجزا از اين نانوابزارها روي يك نانوربات قابل كنترل است. در اين راه، شبيه‌سازي‌هاي نظري به عنوان ابزاري مفيد و ارزشمند براي مجتمع‌سازي سيستم و آزمايش‌پذير شدن آن به شمار ميآيد.
به هر حال، اطمينان از دستيابي به كنترل مناسب بر چنين نانوماشين‌هايي يكي از موضوعات بحث‌انگيز در راه محقق شدن نانوربات‌ها است و در واقع ميتوان از طريق روش‌هـاي نـانومكاترونيك )nanomechatronics( به ارزيابي و محاسبه آن پرداخت. استفاده از نانوربات‌ها در انسان پس از انجام صدها آزمايش با تمام جزئيات از ابتدا روي موش‌هاي آزمايشگاهي ممكن خواهد شد. در واقع، اين روند طولاني آزمايشگاهي، براي هر فناوري زيست پزشكي جديدي انجام مي‌شود. مانند فناوري نانوپوسته‌ها كه با موفقيت روي موش‌هاي آزمايشگاهي براي مبارزه با سرطان به كار گرفته شد.
استفاده از اين نانوپوسته‌ها نتيجهِ پيشرفت‌هاي به دست آمده در فناوري نانو است و بـه عنـوان يك روش درماني- دارويي نتايج مثبت و اميدواركنندهاي داشته است. با پيشرفت بيشتر در حركت به سمت نانوربات‌ها، ميتوان به نتايج مؤثرتر ديگري در زمينهِ مراقبت‌هاي بهداشتي اميدوار بود.
نانوربات در بدن انسان
بـــراي رســيـــدن بـــه بــيـشـتــريــن كــارايــي يــك نانوربات در بدن انسان، نانوربات‌ها در حالت ايدهآل نبايد قطري بزرگتر از 3 ميكرون داشته بــاشـنــد. ايــن نــانـــوربــات بــايــد داراي مـبــدل‌هـا (transducers) و مــحـــــرك‌هـــــا (actuator)هــــاي كـارآمـد بـا هـزينـه مصرفي كم بوده و بتوانند به محـض قـرار گـرفتـن درون بـدن انسـان بـه طور موثري با محيط پيرامون خود تعامل كنند.
بــراي پــاســخ‌دهــي مـؤثـر در زمـان واقعـي بـه مـحيط، در اين نانوربات بايد سيستم مجتمعي تـعـبيه شده باشد. به همين دليل انتظار ميرود هنگام نياز به چنين پاسخ‌هاي حركتي با استفاده از مـوتورهايي براي كشش ربات حركت‌هاي كـنـتـرلـي لازم را فـراهم كرد كاري كه با برخي دخـــالـــت‌هـــاي زيـســت پــزشـكــي قــابــل انـجــام است.كنترل نانورباتي مبتني بر حسگرها را هم ميتوان با استفاده از نانوحسگرهاي حرارتي يا شيميايي انجام داد.
تحقيقات در زمينه نانو ربات هايي كه مجهز به حـسـگـرهاي زيستي و دارويي باشند در سطح گسترده اي در حال انجام است.
منبع: نشریه مهندسی پزشکی
مطالب مرتبط : ربات ها در پزشکی . آشنایی با رباتهای پزشکی
وبسایت مهندسی پزشکی مهندسی زندگی
