Tänk dig att gå till läkaren för att få behandling för en ihållande feber. Istället för att ge dig ett piller eller ett skott, läkaren hänvisar dig till ett särskilt medicinskt team som implanterar en liten robot i ditt blodomlopp. Roboten upptäcker orsaken till din feber, reser till lämpligt system och ger en dos medicin direkt till det infekterade området.
Robot Image Gallery
Förvånande, vi är inte så långt ifrån att se sådana här enheter som faktiskt används i medicinska procedurer. De kallas nanoroboter och ingenjörsteam runt om i världen arbetar med att designa robotar som så småningom kommer att användas för att behandla allt från hemofili till cancer.
Som du kan föreställa dig, utmaningarna som ingenjörer står inför är skrämmande. En livskraftig nanorobot måste vara liten och smidig nog att navigera genom det mänskliga cirkulationssystemet, ett otroligt komplext nätverk av vener och artärer. Roboten måste också ha kapacitet att bära medicin eller miniatyrverktyg. Om vi antar att nanoroboten inte är tänkt att stanna i patienten för alltid, den måste också kunna ta sig ur värden.
Videogalleri:Robots &RoversI den här artikeln, vi lär oss om de potentiella tillämpningarna av nanoroboter, de olika sätten nanoroboter kommer att navigera och röra sig genom våra kroppar, de verktyg de kommer att använda för att läka patienter, framstegsteam runt om i världen har gjort hittills och vad teoretiker ser i framtiden.
I nästa avsnitt, vi lär oss om de tillstånd och sjukdomar som nanoroboter kommer att behandla i framtiden.
Innehåll
Rätt insett, nanorobots kommer att kunna behandla en mängd sjukdomar och tillstånd. Medan deras storlek betyder att de bara kan bära mycket små nyttolaster medicin eller utrustning, många läkare och ingenjörer tror att den exakta tillämpningen av dessa verktyg kommer att vara mer effektiv än mer traditionella metoder. Till exempel, en läkare kan leverera ett kraftfullt antibiotikum till en patient genom en spruta för att hjälpa hans immunsystem. Antibiotikumet blir utspätt medan det passerar genom patientens blodomlopp, orsakar bara en del av det gör det till infektionspunkten. Dock, en nanorobot - eller ett team av nanoroboter - kan resa direkt till infektionsstället och leverera en liten dos medicinering. Patienten skulle potentiellt drabbas av färre biverkningar av medicinen.
Flera ingenjörer, forskare och läkare tror att nanorobot -applikationer är praktiskt taget obegränsade. Några av de mest troliga användningsområdena inkluderar:
I nästa avsnitt, vi får se hur nanoroboter kommer att navigera genom cirkulationssystemet.
Det finns tre huvudhänsyn som forskare måste fokusera på när man tittar på nanoroboter som rör sig genom kroppen - navigering , kraft och hur nanoroboten kommer att röra sig genom blodkärlen. Nanoteknologer tittar på olika alternativ för var och en av dessa överväganden, som alla har positiva och negativa aspekter. De flesta alternativ kan delas in i en av två kategorier:externa system och inbyggda system.
Externa navigationssystem kan använda en mängd olika metoder för att styra nanoroboten till rätt plats. En av dessa metoder är att använda ultraljudssignaler för att upptäcka nanorobotens plats och rikta den till rätt destination. Läkare skulle stråla ultraljudssignaler in i patientens kropp. Signalerna skulle antingen passera genom kroppen, reflektera tillbaka till signalkällan, eller båda. Nanoroboten kan avge pulser av ultraljudssignaler, som läkare kunde upptäcka med hjälp av specialutrustning med ultraljudssensorer. Läkare kunde hålla reda på nanorobotens placering och manövrera den till höger om patientens kropp.
Med hjälp av en magnetisk resonansavbildningsenhet (MRI), läkare kunde hitta och spåra en nanorobot genom att upptäcka dess magnetfält. Läkare och ingenjörer vid Ecole Polytechnique de Montreal visade hur de kunde upptäcka, Spår, kontrollera och till och med driva en nanorobot med MR. De testade sina fynd genom att manövrera en liten magnetisk partikel genom en grisartärer med hjälp av specialiserad programvara på en MR -maskin. Eftersom många sjukhus har MR -maskiner, detta kan bli branschstandard - sjukhus behöver inte investera i dyra, obevisad teknik.
Läkare kan också spåra nanoroboter genom att injicera ett radioaktivt färgämne i patientens blodomlopp. De skulle sedan använda ett fluoroskop eller liknande för att upptäcka det radioaktiva färgämnet när det rör sig genom cirkulationssystemet. Komplexa tredimensionella bilder skulle indikera var nanoroboten är placerad. Alternativt, nanoroboten kan avge det radioaktiva färgämnet, skapa en väg bakom den när den rör sig genom kroppen.
Andra metoder för att upptäcka nanoroboten inkluderar att använda röntgenstrålar, radiovågor, mikrovågor eller värme. Just nu, vår teknik som använder dessa metoder på objekt i nanostorlek är begränsad, så det är mycket mer troligt att framtida system kommer att förlita sig mer på andra metoder.
Inbyggda system, eller interna sensorer, kan också spela en stor roll i navigationen. En nanorobot med kemiska sensorer kunde upptäcka och följa spåren för specifika kemikalier för att nå rätt plats. En spektroskopisk sensor skulle göra det möjligt för nanoroboten att ta prover av omgivande vävnad, analysera dem och följ en väg för rätt kombination av kemikalier.
Svårt som det kan vara att föreställa sig, nanorobots kan innehålla en miniatyr -tv -kamera. En operatör vid en konsol kommer att kunna styra enheten medan han tittar på ett livevideofeed, navigera genom kroppen manuellt. Kamerasystem är ganska komplexa, så det kan dröja några år innan nanoteknologer kan skapa ett tillförlitligt system som får plats i en liten robot.
I nästa avsnitt, vi ska titta på nanorobot -kraftsystem.
Precis som navigationssystemen, nanoteknologer överväger både externa och interna strömkällor. Vissa mönster är beroende av att nanoroboten använder patientens egen kropp som ett sätt att generera kraft. Andra konstruktioner inkluderar en liten strömkälla ombord på själva roboten. Till sist, vissa konstruktioner använder krafter utanför patientens kropp för att driva roboten.
Nanoroboter kan få ström direkt från blodomloppet. En nanorobot med monterade elektroder kan bilda ett batteri med hjälp av elektrolyterna i blodet. Ett annat alternativ är att skapa kemiska reaktioner med blod för att bränna det för energi. Nanoroboten skulle innehålla en liten mängd kemikalier som skulle bli en bränslekälla i kombination med blod.
En nanorobot kan använda patientens kroppsvärme för att skapa kraft, men det skulle behöva en temperaturgradient för att hantera det. Kraftproduktion skulle vara ett resultat av Seebeck -effekt . Seebeck -effekten uppstår när två ledare av olika metaller sammanfogas vid två punkter som hålls vid två olika temperaturer. Metallledarna blir ett termoelement, vilket betyder att de genererar spänning när förbindelserna är vid olika temperaturer. Eftersom det är svårt att lita på temperaturgradienter i kroppen, det är osannolikt att vi kommer att se många nanoroboter använda kroppsvärme för kraft.
Även om det kan vara möjligt att skapa batterier som är tillräckligt små för att passa inuti en nanorobot, de ses i allmänhet inte som en livskraftig strömkälla. Problemet är att batterier levererar en relativt liten mängd ström relaterad till deras storlek och vikt, så ett mycket litet batteri skulle bara ge en bråkdel av den effekt en nanorobot skulle behöva. En mer trolig kandidat är en kondensator, som har ett något bättre förhållande mellan effekt och vikt.
Externa strömkällor inkluderar system där nanoroboten antingen är bunden till omvärlden eller styrs utan en fysisk bindning. Kopplade system skulle behöva en kabel mellan nanoroboten och strömkällan. Tråden skulle behöva vara stark, men den skulle också behöva röra sig enkelt genom människokroppen utan att orsaka skada. En fysisk bindning kan leverera ström antingen via elektricitet eller optiskt. Optiska system använder ljus genom fiberoptik, som sedan skulle behöva konverteras till el ombord på roboten.
Externa system som inte använder fästen kan lita på mikrovågor, ultraljudssignaler eller magnetfält. Mikrovågor är minst troliga, eftersom strålning av dem till en patient skulle resultera i skadad vävnad, eftersom patientens kropp skulle absorbera de flesta av mikrovågorna och värmas upp som ett resultat. En nanorobot med ett piezoelektriskt membran kan ta upp ultraljudssignaler och omvandla dem till elektricitet. System som använder magnetfält, som den läkare experimenterar med i Montreal, kan antingen manipulera nanoroboten direkt eller framkalla en elektrisk ström i en sluten ledande slinga i roboten.
I nästa avsnitt, vi ska titta på nanorobot framdrivningssystem.
Om vi antar att nanoroboten inte är bunden eller utformad för att flyta passivt genom blodomloppet, det kommer att behöva ett drivmedel för att komma runt i kroppen. Eftersom det kan behöva resa mot blodflödet, framdrivningssystemet måste vara relativt starkt för sin storlek. En annan viktig faktor är patientens säkerhet - systemet måste kunna flytta runt nanoroboten utan att skada värden.
Vissa forskare tittar på mikroskopiska organismers värld för inspiration. Paramecium rör sig genom sin miljö med små svansliknande lemmar som kallas cilia . Genom att vibrera cilia, paramecium kan simma åt alla håll. Liknar cilia är flagella , som är längre svansstrukturer. Organismer piskar flagellan på olika sätt att röra sig på.
Andra enheter låter ännu mer exotiska. Man skulle använda kondensatorer för att generera magnetfält som skulle dra ledande vätskor genom ena änden av en elektromagnetisk pump och skjuta ut den bakre änden. Nanoroboten skulle röra sig som ett jetplan. Miniatyriserad jetpumpar kan till och med använda blodplasma för att driva nanoroboten framåt, fastän, till skillnad från den elektromagnetiska pumpen, det måste finnas rörliga delar.
Ett annat potentiellt sätt nanoroboter kan röra sig på är genom att använda ett vibrerande membran. Genom att växelvis dra åt och slappna av spänningen på ett membran, en nanorobot kan generera små mängder dragkraft. På nanoskala, denna dragkraft kan vara tillräckligt stor för att fungera som en livskraftig rörelsekälla.
I nästa avsnitt, vi kommer att titta på de verktyg nanoroboter kan ha för att fullgöra sina medicinska uppdrag.
De två största utmaningarna och bekymmerna forskare har angående dessa små verktyg är att göra dem effektiva och göra dem säkra. Till exempel, att skapa en liten laser som är tillräckligt kraftfull för att förånga cancerceller är en stor utmaning, men att utforma det så att nanoroboten inte skadar omgivande frisk vävnad gör uppgiften ännu svårare. Medan många vetenskapliga team har utvecklat nanoroboter som är tillräckligt små för att komma in i blodomloppet, det är bara det första steget för att göra nanoroboter till en riktig medicinsk applikation.
I nästa avsnitt, Vi lär oss var nanorobot -tekniken är idag och var den kan vara i framtiden.
Lag runt om i världen arbetar med att skapa den första praktiska medicinska nanoroboten. Det finns redan robotar från en millimeter i diameter till en relativt rejäl två centimeter lång, även om de alla fortfarande är i testfasen av utveckling och inte har använts på människor. Vi är förmodligen flera år ifrån att se nanoroboter komma in på den medicinska marknaden. Dagens mikroroboter är bara prototyper som saknar förmåga att utföra medicinska uppgifter.
En annan potentiell framtida tillämpning av nanorobot-teknik är att konstruera om våra kroppar för att bli resistenta mot sjukdomar, öka vår styrka eller till och med förbättra vår intelligens. Dr Richard Thompson, en tidigare professor i etik, har skrivit om de etiska konsekvenserna av nanoteknik. Han säger att det viktigaste verktyget är kommunikation, och att det är avgörande för samhällen, medicinska organisationer och regeringen för att prata om nanoteknik nu, medan branschen fortfarande är i sin linda.
Kommer vi en dag få tusentals mikroskopiska robotar som rusar runt i våra ådror, göra korrigeringar och läka våra nedskärningar, blåmärken och sjukdomar? Med nanoteknik, det verkar som om allt är möjligt.
För att lära dig mer om nanoteknik, följ länkarna på nästa sida.
Relaterade artiklar om HowStuffWorks
Fler fantastiska länkar
Källor
