نانورباتها از مهمترین نوآوریهای قرن حاضر به شمار میروند که در مرز میان فناوری نانو، مهندسی مکانیک، مهندسی برق و زیستفناوری شکل گرفتهاند. این سامانههای فوقالعاده کوچک که ابعادی در حد چند ده تا چند صد نانومتر دارند، قادرند وظایفی را بر عهده گیرند که پیشتر تنها در قلمرو سلولها و مولکولها امکانپذیر بود. آنچه نانورباتها را برای محققان حوزههای گوناگون جذاب کرده، توانایی آنها در تعامل مستقیم با سیستمهای زیستی، حرکت در محیطهای سیال پیچیده مانند خون و ایفای نقش در فرآیندهایی چون همانندسازی DNA است. در ادامه بیشتر به هر کدام خواهیم پرداخت.
در مقیاس نانو، قوانین مکانیک تفاوتهای اساسی با مقیاس ماکرو دارند. نیروهای سطحی مانند واندروالس و کشش سطحی غالب میشوند و بر نیروی لختی غلبه میکنند. حرکت ذرات کوچک تحت تأثیر مستقیم حرکت براونی ناشی از برخوردهای تصادفی مولکولهای محیط است. همچنین جریان سیال در این مقیاس در محدوده عدد رینولدز بسیار پایین قرار دارد؛ یعنی حرکتها کاملاً آرام و تحت سلطه نیروی لزجت هستند. در چنین شرایطی طراحی یک ربات کوچک همانند طراحی یک ربات بزرگ نیست و لازم است قوانین جدیدی برای تحلیل حرکت و نیروها در نظر گرفته شود. برای مثال، یک بازوی مکانیکی در مقیاس نانو نمیتواند مانند بازوی یک ربات صنعتی عمل کند و باید با الهام از مکانیزمهای زیستی همچون حرکت دم باکتریها طراحی گردد.
طراحی مکانیکی نانورباتها مستلزم توجه ویژه به شکل بدنه، مواد بهکار رفته و سازگاری آنها با محیطِ زیستی است. بدنه باید هیدرودینامیک مناسبی داشته باشد تا کمترین مقاومت را در مایعات ایجاد کند. مواد سازنده نیز معمولاً شامل طلا، نقره، پلیمرهای زیستی یا ساختارهای مارپیچ دنیا یا DNA origami هستند که هم استحکام لازم را دارند و هم برای بدن انسان بیخطر محسوب میشوند. درجات آزادی حرکتی این رباتها محدود است اما امکان حرکت انتقالی در جهات مختلف و چرخش را فراهم میکند. محرکها نیز میتوانند متنوع باشند. پرههای مارپیچی تحت کنترل میدان مغناطیسی، واکنشهای شیمیایی سطحی که پیشران ایجاد میکنند یا محرکهای فوتونی که با نور فعال میشوند از انواع محرکها هستند.
روشهای ساخت نانورباتها به دو دسته اصلی تقسیم میشوند. روشهای بالا به پایین شامل فناوریهایی همچون لیتوگرافی نوری، پرتو الکترونی و ماشینکاری یونی متمرکز است که از ابزارهای دقیق برای تراش و شکلدهی مواد در ابعاد نانو بهره میگیرند. از سوی دیگر، روشهای پایین به بالا بر پایه خودآرایی مولکولی و فناوری DNA origami استوارند که در آن مولکولها بر اساس خصوصیات شیمیایی خود به شکلهای مورد نظر سازماندهی میشوند. در سالهای اخیر، پرینتر سهبعدی نانو با استفاده از لیزرهای دو فوتونی نیز تحولی چشمگیر در این زمینه ایجاد کرده و امکان ساخت اجسام پیچیده با دقت بسیار بالا را فراهم کرده است. همچنین توسعه فناوریهای MEMS و NEMS، راه را برای ترکیب اجزای مکانیکی و الکترونیکی در مقیاس نانو هموار کرده است.
یکی از چالشهای اساسی در نانورباتها نحوه حرکت و تأمین انرژی است. در محیطهای زیستی، امکان نصب باتری یا منبع انرژی بزرگ وجود ندارد. بنابراین، محققان از انرژی شیمیایی موجود در محیط مانند گلوکز خون استفاده میکنند. در موارد دیگر، میدانهای مغناطیسی و الکتریکی یا امواج فراصوت برای هدایت و حرکت به کار گرفته میشوند. محرکهها نیز بسته به نوع طراحی متفاوت هستند. رباتهای مغناطیسی با تبعیت از میدانهای مغناطیسی خارجی حرکت میکنند و جهت یا سرعت آنها از طریق تغییر شدت و جهت میدان قابل کنترل است. این ویژگی باعث میشود بتوان از آنها برای هدایت دقیق در محیطهای زیستی مانند رگهای خونی استفاده کرد. رباتهای فوتوترمالی با جذب نور (معمولاً لیزر یا نور مرئی) و تبدیل آن به گرما، اختلاف دمایی میان بخشهای مختلف خود ایجاد میکنند که این گرادیان حرارتی منجر به تولید نیروی پیشران و حرکت جهتدار میشود. این نوع نانورباتها بهویژه برای کنترل از راه دور در محیطهای شفاف و دقیق بسیار کاربردی هستند. در مقابل، رباتهای الکتروشیمیایی از واکنشهای شیمیایی در سطح خود یا در تماس با محیط اطراف، مانند تجزیهی کاتالیتیکی مواد، برای تولید حباب یا یون استفاده میکنند و از نیروی حاصل از این واکنشها برای پیشرانش بهره میبرند. هر یک از این سازوکارها امکان حرکت و کنترل نانورباتها را در مقیاس نانو و میکرو در شرایط مختلف محیطی فراهم میسازد.
نانورباتها برای انجام وظایف خود نیازمند حسگرهای دقیق هستند. حسگرهای زیستی به آنها امکان شناسایی مولکولهای خاص DNA ها پروتئینها را میدهند. این حسگرها معمولاً از نانومواد پیشرفته مانند گرافن، نانولولههای کربنی یا نانوذرات طلا ساخته میشوند که حساسیت بسیار بالایی دارند و میتوانند حتی غلظتهای بسیار کم از یک مولکول خاص را تشخیص دهند. در کاربردهای پزشکی، چنین حسگرهایی به نانوربات اجازه میدهند تا سلولهای بیمار را از سالم تشخیص دهد و تنها در محل مورد نظر فعال شود.
حسگرهای نوری و الکتروشیمیایی نیز برای ردیابی تغییرات محیطی به کار میروند. حسگرهای نوری میتوانند واکنشهای فلورسانس یا تغییرات شدت نور را شناسایی کنند و از این طریق اطلاعات دقیقی از ترکیب محیط دریافت کنند؛ در حالی که حسگرهای الکتروشیمیایی تغییرات ولتاژ یا جریان الکتریکی ناشی از واکنشهای شیمیایی در اطراف نانوربات را اندازهگیری میکنند. این نوع حسگرها بهویژه در تشخیص شرایط شیمیایی سلولها، سطح pH، یا میزان اکسیژن محلول اهمیت بالایی دارند.
این اطلاعات باید پردازش شوند تا ربات بتواند واکنش نشان دهد. در مقیاس نانو، فضای پردازش بسیار محدود است، بنابراین از مدارهای زیستی مبتنی بر DNA برای تصمیمگیری استفاده میشود. در این مدارها، توالیهای DNA بهصورت منطقی عمل میکنند؛ یعنی بر اساس وجود یا عدم وجود مولکولهای خاص، دستورات خاصی صادر میشود. برای مثال، اگر غلظت یک نوع پروتئین زیاد باشد، نانوربات میتواند فرمان آزادسازی دارو را فعال کند.
در برخی موارد، الگوریتمهای ساده منطقی در سطح DNA بهکار گرفته میشوند که به ربات اجازه میدهد بر اساس شرایط محیط تصمیمگیری کند. این نوع تصمیمگیریهای مولکولی شباهت زیادی به سیستمهای منطقی در رایانهها دارد، با این تفاوت که در اینجا منطق توسط واکنشهای زیستی اجرا میشود. چنین فناوریای، نانوربات را قادر میسازد بدون دخالت مستقیم انسان، در محیط زیستی پیچیده رفتار هوشمندانهای از خود نشان دهد.
همچنین استفاده از هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در سطح بیرونی، امکان کنترل گروهی و بهینهسازی حرکت نانورباتها را فراهم میآورد. در این حالت، اطلاعات جمعآوریشده از چندین نانوربات تحلیل میشود تا رفتار جمعی آنها هماهنگ شود. این روش در حوزهای به نام Swarm Robotics شناخته میشود، که در آن گروهی از نانورباتها همانند اجتماع حشرات یا سلولهای بدن، با همکاری یکدیگر هدفی مشترک را دنبال میکنند.
حرکت گروهی یا همان Swarm Robotics به نانورباتها توان بیشتری میدهد زیرا همکاری جمعی آنها باعث افزایش احتمال موفقیت در رسیدن به هدف میشود. بهعنوان مثال، چندین نانوربات میتوانند با همکاری هم به سلول هدف نفوذ کرده، مسیر را برای ورود یکدیگر باز کنند و سپس همزمان دارو یا مواد ژنتیکی مورد نیاز را آزاد کنند. این هماهنگی گروهی باعث میشود سیستم در برابر خطا مقاومتر باشد و بتواند در شرایط متغیر زیستی، کارایی خود را حفظ کند. در نتیجه، ترکیب حسگرهای دقیق، پردازش منطقی زیستی و کنترل گروهی هوشمند، نانورباتها را به ابزارهایی بسیار قدرتمند در پزشکی پیشرفته، ژنتیک و درمان هدفمند تبدیل کرده است.
.
حرکت در محیطهایی مانند خون یا مایعات بدن، نیازمند مدلسازی ویژهای است. در این مقیاس، جریانها آرام و اصطکاکی هستند و نیروهای محرکه باید با دقت بر مقاومت لزجت غلبه کنند. در عین حال، حرکت براونی، مسیر نانورباتها را تغییر میدهد و آنها را به سمت رفتارهای تصادفی سوق میدهد. طراحی مناسب باید به گونهای باشد که رباتها بتوانند در چنین محیطی بدون گیر افتادن یا چسبیدن به دیوارهها حرکت کنند. به همین دلیل، شبیهسازیهای مکانیک سیالات در مقیاس نانو نقش مهمی در طراحی دارند. شبیهسازیهای مکانیک سیالات در مقیاس نانو در نانورباتها، به بررسی رفتار سیالات در ابعاد مولکولی میپردازد؛ جایی که قوانین کلاسیک مانند معادلات ناویر–استوکس دیگر بهتنهایی دقیق نیستند و باید از روشهای دینامیک مولکولی (Molecular Dynamics) یا دینامیک ذرات هموار (SPH) استفاده شود.در زمینهی فرآیند بیان ژن، نانورباتها ممکن است درون سلول یا نزدیک غشای سلولی حرکت کنند تا مولکولهای خاصی را حمل، آزاد یا شناسایی کنند. در این شرایط، شبیهسازیهای سیالات نانومقیاس برای پیشبینی چگونگی حرکت نانوربات در محیطهای زیستی بسیار چسبناک و غیریکنواخت (مثل سیتوپلاسم یا هسته) ضروری است. این شبیهسازیها به طراحان کمک میکند تا نیروهای برهمکنش بین نانوربات و مولکولهای زیستی، الگوی جریان اطراف نانوربات و بازده انتقال مواد ژنتیکی را در سطح نانومتر تحلیل کنند. در نتیجه، میتوان عملکرد نانورباتها را برای تحریک یا کنترل بیان ژن در سلولها بهصورت دقیقتر و هدفمندتر بهینهسازی کرد.
کاربرد نانورباتها در حوزه ژنتیک از هیجانانگیزترین زمینههای پژوهشی است. این رباتها میتوانند حامل مولکولهای DNA یا RNA باشند و آنها را مستقیماً به داخل سلولها منتقل کنند. همچنین قادرند سیستمهای ویرایش ژن مانند CRISPR-Cas9 را به محل مورد نظر برسانند و اصلاح ژنتیکی را با دقت بالا انجام دهند. در فرآیند همنندسازی DNA، نانورباتها بهعنوان مونتاژگرهای دقیق وارد عمل میشوند و با کنار هم قرار دادن قطعات DNA و کنترل محیط شیمیایی، احتمال خطا را کاهش میدهند. علاوه بر این، حسگرهای زیستی تعبیه شده در نانورباتها امکان تشخیص زودهنگام بیماریهای ژنتیکی و طراحی درمانهای شخصیسازیشده را فراهم میسازد.
اگرچه آینده نانورباتها روشن به نظر میرسد، اما محدودیتهایی جدی نیز وجود دارد. تولید انبوه این رباتها هنوز بسیار پرهزینه است و فناوریهای ساخت، نیاز به توسعه بیشتری دارند. از نظر زیستی نیز بدن انسان ممکن است واکنش ایمنی شدیدی به حضور نانورباتها نشان دهد. علاوه بر این، هدایت دقیق در محیط پیچیده بدن انسان دشوار است و مسائل اخلاقی مرتبط با ویرایش ژنتیکی نیز مانع بزرگی به شمار میرود. بنابراین محققان علاوه بر پیشرفتهای علمی، باید به ابعاد اخلاقی و ایمنی نیز توجه ویژه داشته باشند.
ترکیب فناوریهای مکانیک، الکترونیک و زیستشناسی مولکولی چشمانداز آیندهای را ترسیم میکند که در آن نانورباتها به بخشی جداییناپذیر از پزشکی مدرن تبدیل خواهند شد. نانورباتهای هوشمند خودگردان که قادر به یادگیری و تصمیمگیری در بدن انسان باشند، یکی از اهداف اصلی پژوهشهای آینده است. این فناوری میتواند پزشکی شخصی را به واقعیت تبدیل کند و درمانهای ژنتیکی را دقیقتر و مؤثرتر نماید.
نانورباتها نماد همگرایی علوم میانرشتهای هستند و نقطه تلاقی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و زیستفناوری محسوب میشوند. قوانین مکانیک در مقیاس نانو، فناوریهای پیچیده ساخت، سیستمهای پیشرفته محرکه و کنترل و کاربردهای ژنتیکی آنها نشاندهنده ظرفیت عظیمی است که این فناوری در اختیار بشر قرار میدهد. هرچند چالشهای فنی و اخلاقی هنوز پابرجاست، اما آیندهای که با نانورباتها ترسیم میشود، نویدبخش تحولی اساسی در پزشکی و ژنتیک خواهد بود.
