ナノロボットのしくみ

Oct 11 2007

あなたはちょうど癌と診断されました。あなたは化学療法の準備をします-髪を失い、日ごとに衰弱します。しかし、あなたの医者は何か他のことを考えています。

持続的な発熱の治療を受けるために医者に行くことを想像してみてください。医者はあなたに錠剤やショットを与える代わりに、あなたの血流に小さなロボットを移植する特別な医療チームを紹介します。ロボットはあなたの熱の原因を検出し、適切なシステムに移動し、感染した領域に直接薬の投与量を提供します。

ロボット画像ギャラリー

この図のロボットは、一対の尾の付属肢を使用して動脈と静脈を泳いでいます。 ロボットの写真をもっと見る。

驚いたことに、私たちはこのようなデバイスが実際に医療処置で使用されているのを見るのにそれほど遠くはありません。彼らはナノロボットと呼ばれ、世界中のエンジニアリングチームが、血友病から癌まですべてを治療するために最終的に使用されるロボットの設計に取り組んでいます。

大きいほど良いとは限りません

1959年、カリフォルニア工科大学のエンジニアであるリチャードファインマンは、あらゆる場所のエンジニアにチャレンジを発行しました。彼は誰かに、各辺の1/64インチの立方体に収まる作動モーターを構築してもらいたかったのです。彼の望みは、そのようなモーターを設計および構築することにより、エンジニアがナノテクノロジーの新しい分野で使用できる新しい製造方法を開発することでした。 1960年、Bill McLellanは、適切な仕様で動作するモーターを構築し、賞を獲得しました。マクレランが新しい製造方法を考案せずに手作業でモーターを製造したにもかかわらず、ファインマンは賞を授与しました。

ご想像のとおり、エンジニアが直面している課題は困難です。実行可能なナノロボットは、静脈と動脈の信じられないほど複雑なネットワークである人間の循環器系をナビゲートするのに十分なほど小さくて機敏でなければなりません。ロボットには、薬やミニチュアツールを運ぶ能力も必要です。ナノロボットが永遠に患者の中にとどまるように意図されていないと仮定すると、それはまた、宿主から抜け出すことができなければなりません。

ビデオギャラリー：ロボットとローバー

スピリットエクスプロレーションローバーのしくみビデオ
ロボットビデオプレイリスト
ロボットビデオプレイリスト

この記事では、ナノロボットの潜在的なアプリケーション、ナノロボットが私たちの体をナビゲートして移動するさまざまな方法、患者を癒すために使用するツール、世界中の進歩チームがこれまでに作った進歩チーム、そして理論家が見ているものについて学びます将来は。

次のセクションでは、ナノロボットが将来治療する状態と病気について学びます。

内容

2つのボットを取り、朝に電話してください
ナノロボットナビゲーション
ナノロボットへの電力供給
ナノロボットの移動
小さな、小さなツール
ナノロボット：今日と明日

2つのボットを取り、朝に電話してください

適切に実現されれば、ナノロボットは多くの病気や状態を治療することができるでしょう。それらのサイズは、薬や機器の非常に小さなペイロードしか運ぶことができないことを意味しますが、多くの医師やエンジニアは、これらのツールの正確な適用が従来の方法よりも効果的であると信じています。たとえば、医師は、免疫系を助けるために注射器を介して強力な抗生物質を患者に投与する場合があります。抗生物質は、患者の血流を通過する間に希釈されます、その一部のみを引き起こすと、感染点に到達します。ただし、ナノロボット（またはナノロボットのチーム）は、感染点に直接移動して、少量の薬剤を投与する可能性があります。患者は、薬による副作用が少なくなる可能性があります。

何人かのエンジニア、科学者、医師は、ナノロボットのアプリケーションは事実上無制限であると信じています。最も可能性の高い用途には、次のものがあります。

動脈硬化症の治療：動脈硬化症とは、動脈壁に沿ってプラークが形成される状態を指します。ナノロボットは、おそらく血流に入るプラークを切り取ることによって状態を治療することができます。

ナノロボットは、動脈壁に沿ってプラークを物理的に削り取ることにより、動脈硬化症などの状態を治療する場合があります。

血栓の破壊：血栓は、筋肉の死から脳卒中までの合併症を引き起こす可能性があります。ナノロボットは血餅に移動し、それを壊す可能性があります。このアプリケーションは、ナノロボットの最も危険な用途の1つです。ロボットは、血流中の小片を失うことなく閉塞を取り除くことができなければなりません。小片は、体の他の場所に移動して、より多くの問題を引き起こす可能性があります。ロボットはまた、血流自体を妨げないように十分に小さくなければなりません。
癌との 闘い：医師は、癌患者を治療するためにナノロボットを使用することを望んでいます。ロボットは、レーザー、マイクロ波、または超音波信号を使用して腫瘍を直接攻撃するか、化学療法治療の一部として、癌部位に直接薬剤を投与することができます。医師は、少量ではあるが正確な量の薬を患者に投与することにより、薬の効果を損なうことなく副作用を最小限に抑えることができると信じています。
体の血栓を助ける：ナノロボットの1つの特定の種類は、血栓細胞、または人工血小板です。クロットサイトは、血漿と接触すると粘着性の膜に溶解する小さなメッシュネットを運びます。クロットサイトを設計したRobertA。Freitas、Jr。によると、凝固は体の自然な凝固メカニズムよりも最大1,000倍速くなる可能性があります[出典：Freitas ]。医師は血友病患者や重篤な開放創の患者を治療するために血友病患者を使用することができます。
寄生虫の除去：ナノロボットは、患者の体内のバクテリアや小さな寄生生物に対してマイクロウォーを行う可能性があります。すべての寄生虫を破壊するには、いくつかのナノロボットが協力して作業する必要があるかもしれません。
痛風：痛風は、腎臓が血流からの脂肪の分解から老廃物を取り除く能力を失う状態です。この老廃物は、膝や足首などの関節の近くで結晶化することがあります。痛風に苦しむ人々は、これらの関節に激しい痛みを経験します。ナノロボットは関節の結晶構造を破壊し、症状を緩和することができますが、状態を恒久的に逆転させることはできません。

腎臓結石の破壊：腎臓結石は非常に痛みを伴う可能性があります-石が大きいほど通過が困難になります。医師は超音波周波数を使用して大きな腎臓結石を砕きますが、それが常に効果的であるとは限りません。ナノロボットは、小さなレーザーを使用して腎臓結石を破壊する可能性があります。

ナノロボットは、腎臓結石に直接周波数を送るために小さな超音波信号発生器を運ぶかもしれません。

傷の洗浄：ナノロボットは傷から破片を取り除くのに役立ち、感染の可能性を減らします。それらは、より従来の方法を使用して治療することが難しいかもしれない穿刺創の場合に特に有用であろう。

次のセクションでは、ナノロボットが循環器系をどのようにナビゲートするかを見ていきます。

ナノロボットナビゲーション

科学者が体の中を移動するナノロボットを見るときに焦点を当てる必要がある3つの主な考慮事項があります-ナビゲーション、パワー、そしてナノロボットが血管の中をどのように移動するかです。ナノテクノロジー専門家は、これらの考慮事項のそれぞれについてさまざまなオプションを検討しており、それぞれにプラス面とマイナス面があります。ほとんどのオプションは、外部システムとオンボードシステムの2つのカテゴリのいずれかに分類できます。

外部ナビゲーションシステムは、さまざまな異なる方法を使用して、ナノロボットを適切な場所に操縦する場合があります。これらの方法の1つは、超音波信号を使用してナノロボットの位置を検出し、それを正しい目的地に向けることです。医師は超音波信号を患者の体に照射します。信号は、身体を通過するか、信号のソースに反射して戻るか、またはその両方になります。ナノロボットは超音波信号のパルスを放出することができ、医師は超音波センサーを備えた特別な機器を使用してそれを検出することができました。医師はナノロボットの位置を追跡し、それを患者の体の右側に移動させることができます。

写真提供： NASA
一部の科学者は制御を計画しています とパワーナノロボット このようなMRI装置を使用します。

用いた磁気共鳴イメージング（MRI）装置、医師は、その検出してnanorobotを見つけ、追跡することができ、磁気フィールドを。エコールポリテクニックデモントリオールの医師とエンジニアは、MRIを使用してナノロボットを検出、追跡、制御、さらには推進する方法を実証しました。彼らは、MRI装置の専用ソフトウェアを使用して、ブタの動脈を通して小さな磁性粒子を操作することにより、発見をテストしました。多くの病院がMRI装置を持っているので、これは業界標準になるかもしれません-病院は高価で証明されていない技術に投資する必要はありません。

医師はまた、患者の血流に放射性染料を注入することによってナノロボットを追跡するかもしれません。次に、透視室または同様のデバイスを使用して、循環系を移動する放射性染料を検出します。複雑な3次元画像は、ナノロボットが配置されている場所を示します。あるいは、ナノロボットは放射性染料を放出し、体内を移動するときにその背後に経路を作成することができます。

ナノロボットを検出する他の方法には、X線、電波、マイクロ波、または熱の使用が含まれます。現在、ナノサイズのオブジェクトにこれらの方法を使用する当社の技術は限られているため、将来のシステムは他の方法に依存する可能性がはるかに高くなります。

オンボードシステム、または内部センサーも、ナビゲーションで大きな役割を果たす可能性があります。化学センサーを備えたナノロボットは、特定の化学物質の痕跡を検出して追跡し、適切な場所に到達することができます。分光センサーは、ナノロボットが周囲の組織のサンプルを採取し、それらを分析し、化学物質の正しい組み合わせの経路をたどることを可能にします。

想像するのは難しいかもしれませんが、ナノロボットには小型テレビカメラが含まれている可能性があります。コンソールのオペレーターは、ライブビデオフィードを見ながらデバイスを操作し、手動で身体をナビゲートすることができます。カメラシステムはかなり複雑なので、ナノテクノロジストが小さなロボットの中に収まる信頼性の高いシステムを作成できるようになるまでには数年かかるかもしれません。

次のセクションでは、ナノロボットの電力システムについて見ていきます。

ナノロボットへの電力供給

ナビゲーションシステムと同様に、ナノテクノロジストは外部電源と内部電源の両方を検討しています。一部の設計は、電力を生成する方法として患者自身の体を使用するナノロボットに依存しています。他の設計には、ロボット自体に搭載された小さな電源が含まれます。最後に、一部の設計では、患者の体外の力を使用してロボットに動力を供給します。

ナノロボットは血流から直接電力を得ることができます。電極が取り付けられたナノロボットは、血液に含まれる電解質を使用してバッテリーを形成することができます。別のオプションは、エネルギーのために血液を燃やすために血液と化学反応を起こすことです。ナノロボットは、血液と組み合わせると燃料源となる化学物質の少量の供給を保持します。

ナノロボットは患者の体温を利用して電力を生成することができますが、それを管理するには温度の勾配が必要になります。発電はゼーベック効果の結果です。ゼーベック効果は、異なる金属で作られた2つの導体が、2つの異なる温度に保たれた2つのポイントで結合されたときに発生します。金属導体は熱電対になります。つまり、接合部の温度が異なると電圧が発生します。体内の温度勾配に依存することは難しいため、多くのナノロボットが体温を動力として使用することはほとんどありません。

ナノロボットの内部に収まるほど小さいバッテリーを作成することは可能かもしれませんが、それらは一般的に実行可能な電源とは見なされていません。問題は、バッテリーがそのサイズと重量に関連して比較的少量の電力を供給することです。そのため、非常に小さいバッテリーは、ナノロボットが必要とする電力のほんの一部しか供給しません。より可能性の高い候補は、パワーウェイトレシオがわずかに優れているコンデンサです。

©写真家：Newstocker I代理店： Dreamstime.com
エンジニアは、ナノロボットのような技術に電力を供給するより小さなコンデンサの構築に取り組んでいます。

ナノロボット電力のもう1つの可能性は、原子力を使用することです。原子力を動力源とする小さなロボットの考えは、一部の人々に意欲を与えますが、材料の量が少なく、一部の専門家によると、シールドが容易であることを覚えておいてください[出典： Rubinstein ]。それでも、原子力に関する世論は、この可能性をせいぜいありそうもないものにしている。

外部電源には、ナノロボットが外界につながれているシステム、または物理的なテザーなしで制御されているシステムが含まれます。テザーシステムでは、ナノロボットと電源の間にワイヤーが必要になります。ワイヤーは丈夫である必要がありますが、損傷を与えることなく人体を楽に移動する必要もあります。物理的なテザーは、電気または光学的に電力を供給することができます。光学システムは光ファイバーを介して光を使用し、それをロボットに搭載して電気に変換する必要があります。

圧電効果

一部の結晶は、力を加えると電荷を帯びます。逆に、これらの結晶の1つに電荷を加えると、結果として振動し、超音波信号を発します。クォーツは、おそらく圧電効果を備えた最もよく知られている水晶です。

テザーを使用しない外部システムは、マイクロ波、超音波信号、または磁場に依存する可能性があります。マイクロ波は、患者の体がほとんどのマイクロ波を吸収し、結果として熱くなるため、マイクロ波を患者に照射すると組織が損傷する可能性が最も低くなります。圧電膜を備えたナノロボットは、超音波信号を拾い上げて電気に変換することができます。医師がモントリオールで実験しているような磁場を使用するシステムは、ナノロボットを直接操作するか、ロボットの閉じた伝導ループに電流を誘導することができます。

次のセクションでは、ナノロボット推進システムについて見ていきます。

ナノロボットの移動

ナノロボットがつながれていないか、血流を介して受動的に浮くように設計されていないと仮定すると、体を回避するための推進手段が必要になります。それは血流に逆らって移動しなければならないかもしれないので、推進システムはそのサイズに対して比較的強力でなければなりません。もう1つの重要な考慮事項は、患者の安全です。システムは、ホストに損傷を与えることなくナノロボットを動かすことができなければなりません。

一部の科学者は、インスピレーションを得るために微生物の世界を見ています。ゾウリムシは、繊毛と呼ばれる小さな尾のような手足を使って環境の中を移動します。繊毛を振動させることで、ゾウリムシはどの方向にも泳ぐことができます。繊毛に似ているのはべん毛で、これは長い尾の構造です。生物は、さまざまな方法でべん毛を動かして動き回っています。

ナノロボットの設計者は、この大腸菌細胞のべん毛のように、推進力のインスピレーションを得るために微生物を見ることがあります。

イスラエルの科学者たちは、長さがわずか数ミリメートルのロボットであるマイクロロボットを作成しました。この ロボットは、小さな付属肢を使用して血管をつかみ、這い回っています。科学者は、患者の体の外側に磁場を作り出すことによって腕を操作します。磁場によってロボットの腕が振動し、血管を通してロボットがさらに押し出されます。科学者たちは、ナノロボットのエネルギーはすべて外部電源から供給されるため、内部電源は必要ないと指摘しています。彼らは、比較的単純な設計によって、さらに小さなロボットを簡単に構築できるようになることを望んでいます。

他のデバイスはさらにエキゾチックに聞こえます。一つは、使用するコンデンサの一端を介して導電性流体を引くことになる磁界発生する電磁ポンプとバックエンドからそれを撮影します。ナノロボットはジェット機のように動き回るでしょう。小型化されたジェットポンプは、プラズマを使用してナノロボットを前進させることもできますが、電磁ポンプとは異なり、可動部品が必要になります。

ナノロボットが動き回ることができる別の潜在的な方法は、振動膜を使用することです。ナノロボットは、膜の張力を交互に締めたり緩めたりすることで、少量の推力を発生させることができます。ナノスケールでは、この推力は実行可能な運動源として機能するのに十分なほど重要である可能性があります。

次のセクションでは、ナノロボットが医療の使命を果たすために持つ可能性のあるツールについて見ていきます。

小さな、小さなツール

写真提供： Garrigan.net
Nanorobotツールがなければならないでしょう 操作するのに十分小さい これらの赤血球のような細胞。

現在のマイクロロボットは、長さがわずか数ミリメートル、直径が約1ミリメートルです。ナノスケールと比較すると、それは巨大です。ナノメートルはわずか10億分の1メートルですが、ミリメートルは1000分の1メートルです。将来のナノロボットは非常に小さいので、顕微鏡の助けを借りてのみそれらを見ることができます。ナノロボットツールはさらに小さくする必要があります。ナノロボットのツールキットに含まれる可能性のあるアイテムのいくつかを次に示します。

薬の空洞-ナノロボット内の中空部分には、少量の薬や化学物質が入っている可能性があります。ロボットは、怪我や感染の部位に直接薬を放出する可能性があります。ナノロボットは、化学療法で使用される化学物質を運び、その部位で直接癌を治療することもできます。薬の量は比較的少ないですが、癌性組織に直接適用することは、患者の体全体に化学物質を運ぶために体の循環系に依存する従来の化学療法よりも効果的かもしれません。
プローブ、ナイフやノミ-閉塞や歯垢を除去するために、nanorobotはグラブに何かを必要とし、材料を打破します。彼らはまた、血餅を非常に小さな断片に粉砕するための装置を必要とするかもしれません。部分的な血餅が壊れて血流に入ると、循環器系のさらに下流でさらに問題が発生する可能性があります。
マイクロ波エミッターと超音波信号発生器-癌細胞を破壊するために、医師は細胞を破壊せずに殺す方法を必要としています。破裂したがん細胞は、がんをさらに拡大させる可能性のある化学物質を放出する可能性があります。微調整されたマイクロ波または超音波信号を使用することにより、ナノロボットは癌細胞の化学結合を破壊し、細胞壁を破壊することなくそれを殺すことができます。あるいは、ロボットは、癌細胞を破壊するのに十分なほど加熱するために、マイクロ波または超音波信号を発することができます。
電極- nanorobotから突出する2つの電極が生成することにより、癌細胞を殺すことができる電気それが死ぬまで、セルを加熱し、電流。
レーザー -小さくて強力なレーザーは、動脈プラーク、癌細胞、血栓などの有害物質を焼き払う可能性があります。レーザーは文字通り組織を蒸発させます。

これらの小さなツールに関して科学者が抱える2つの最大の課題と懸念は、ツールを効果的にすることと安全にすることです。たとえば、癌細胞を気化させるのに十分強力な小さなレーザーを作成することは大きな課題ですが、ナノロボットが周囲の健康な組織に害を及ぼさないように設計することは、作業をさらに困難にします。多くの科学チームが血流に入るのに十分小さいナノロボットを開発しましたが、それはナノロボットを実際の医療アプリケーションにするための最初のステップにすぎません。

次のセクションでは、ナノロボット技術が現在どこにあり、将来どこにあるのかについて学びます。

ナノロボット：今日と明日

世界中のチームが、最初の実用的な医療用ナノロボットの作成に取り組んでいます。直径1ミリメートルから比較的重い2センチメートルの範囲のロボットがすでに存在しますが、それらはすべてまだ開発のテスト段階にあり、人々に使用されていません。ナノロボットが医療市場に参入するのを見るのはおそらく数年先です。今日のマイクロロボットは、医療タスクを実行する機能を欠いている単なるプロトタイプです。

津野義和/ AFP / ゲッティイメージズ
この2センチのロボットですが 印象的な成果です、 将来のロボットは数百になります 何倍も小さい。

将来的には、ナノロボットは医学に革命を起こす可能性があります。医師は、今日のロボットよりもはるかに小さいスケールのバクテリアのサイズの小さなロボットを使用して、心臓病から癌まですべてを治療することができました。ロボットは、病気を根絶し、他の状態を治療するために、単独でまたはチームで働くかもしれません。一部の人々は、半自律型ナノロボットがすぐそこにあると信じています-医師は、ポップアップする問題に反応して、人体をパトロールできるロボットを移植します。急性期治療とは異なり、これらのロボットは患者の体内に永久に留まります。

ナノロボット技術のもう1つの潜在的な将来のアプリケーションは、病気に抵抗するように体を再設計し、体力を高め、さらには知能を向上させることです。元倫理学教授のリチャード・トンプソン博士は、ナノテクノロジーの倫理的意味について書いています。彼は、最も重要なツールはコミュニケーションであり、業界がまだ揺籃期にある間に、コミュニティ、医療機関、および政府がナノテクノロジーについて今話し合うことが極めて重要であると述べています。

いつの日か、何千もの顕微鏡ロボットが静脈を駆け巡り、矯正を行い、切り傷、打撲傷、病気を癒しますか？ナノテクノロジーでは、何でも可能だと思われます。