NANOROBOTS Vs STAMINALI, Dove si Applicano?

Corrado Paitoni

12 Luglio 2022

La definizione di nanorobot indica un sistema in grado di svolgere movimenti e operazioni controllato da remoto avente dimensioni nanometriche ovvero molecolari e in futuro addirittura atomiche.

L’applicazione principale dei nanorobots è sicuramente quella medicale ma sviluppi recenti hanno portato questa tecnica in altri campi applicativi come quello militare, aerospaziale e della biologia.

Il titolo vuole essere innanzitutto provocatorio e vuole sottolineare l’importanza dell’interazione multidisciplinare, oggi essenziale per raggiungere obiettivi tanto interessanti quanto necessari.

Cellule Staminali. Senza entrare nel merito scientifico, evitando ogni questione etica legata a questo delicato argomento, le cellule staminali sia embrionali sia adulte, sono senza dubbio la nuova frontiera della biologia per la cura di malattie come il cancro, l’Alzheimer, la distrofia muscolare e molte altre, intervenendo alla base della cellula, cercando di controllarne lo sviluppo e le sue eventuali malformazioni.

Ma qui parliamo di robotica e più precisamente di nanorobots, ovvero piccolissimi dispositivi che possono essere controllati a distanza al fine di svolgere funzioni come portare agenti chimici localizzati a livello cellulare.

Lo spirito di queste righe non è certamente confrontare le performance delle cellule staminali rispetto a quelle dei nanorobots, ma piuttosto evidenziare e trovare spunti di riflessione nei campi applicativi di quest’ultimi, i quali possono collaborare con la biologia cellulare per raggiungere traguardi molto ambiti.

Di seguito una panoramica del settore per farsi un’idea dello stato dell’arte, unitamente a vari link per portarti ad approfondire ogni aspetto.

NANOROBOTS A MOVIMENTO MAGNETICO

Molte specie in natura, come i batteri magnetotattici, gli uccelli, i pipistrelli, le farfalle, le aragoste e i salmoni, sono in grado di volare o nuotare su lunghe distanze percependo le indicazioni di navigazione dei campi geomagnetici. Alcune specie come, ad esempio, la termite Amitermes meridionalis, hanno persino la capacità di riorientare il proprio corpo o il proprio nido in base alle informazioni geomagnetiche.

Partendo da questi principi fisici, i ricercatori Huaijuan Zhou, Carmen Mayorga-Martinez, Salvador Pané, Li Zhang e Martin Pumera spiegano nel loro articolo Magnetically Driven Micro and Nanorobots pubblicato da ACS Pubblication, come sia possibile controllare, mediante campi magnetici, questi piccoli dispositivi per svolgere terapie mirate a livello cellulare.

NANOROBOTS NATANTI

Uno studio sviluppato da diverse università e centri di ricerca tra i quali il Dipartimento di Nanoingegneria dell’Università della California, dall’Harbin Institute of Technology, Cina e anche dall’Università di Haifa, Israele, ha portato la costruzione di dispositivi che imitano il movimento dell’essere umano nell’acqua. A differenza dei nanorobot precedenti, in grado di muoversi per mezzo di magneti manipolati dall’esterno, i nuovi nanodispositivi sono a tutti gli effetti robot miniaturizzati dotati di gambe funzionanti.

NANOROBOTS A MOVIMENTO ELETTRICO

Presso la Drexel University, Filadelfia, è stato sviluppato un metodo che utilizza i campi elettrici per aiutare i nanobots a rilevare ostacoli lungo il loro cammino e a muoversi agilmente nell’area di interesse, con applicazioni che potrebbero includere, in futuro, la consegna intracorporea di farmaci e la manipolazione di cellule staminali.

Tutti i nanodispositivi citati sono in fase di studio e di sperimentazione in laboratorio e sicuramente non sull’uomo, per il momento. Il percorso verso l’applicazione concreta sull’essere umano è ancora lungo e sarà costellato di importanti traguardi sul terreno del progresso scientifico.

NANOROBOTS A DNA-RNA

DNA-Robotics è al lavoro su un progetto per sviluppare dispositivi nanorobotici a base di RNA che possono essere prodotti nelle cellule per percepire, calcolare e agire a seconda dei segnali intracellulari. L’obiettivo di questa ricerca è interfacciare i dispositivi nanorobotici a RNA con le vie di segnalazione cellulare e di comunicare lo stato a dispositivi robotici esterni alla cellula attraverso nanopori a DNA.
Un progetto sviluppato da Carlos Castro, coautore dello studio e professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l’Ohio State University, ha la capacità di creare nanodispositivi complessi, con filamenti di DNA gestiti con software MagicDNA
I ricercatori della California Institute of Technology congiuntamente all’Università di Twente, Olanda, e alla German University del Cairo, hanno creato nanogru fatte di filamenti di DNA, capaci di sollevare e spostare microparticelle.
Anupama J. Thubagere e colleghi hanno ottenuto un prototipo di robot molecolare assemblando tre “blocchi” principali, composti ciascuno da una manciata di nucleotidi (le unità ripetitive di cui si compone il DNA), una “gamba” con due “piedi”, un “arto” provvisto di “mano” e un segmento di base in grado di segnalare alla macchina il punto esatto di rilascio del carico.

Un nanodispositivo a braccio robotico con artiglio in grado di raccogliere oggetti più piccoli.
Fonte: Ohio State University

NANOROBOTS PER ELIMINERE LE TOSSINE NEL SANGUE

Gli ingegneri dell’Università della California San Diego hanno sviluppato minuscoli robot alimentati a ultrasuoni in grado di nuotare nel sangue, rimuovendo i batteri nocivi insieme alle tossine da essi prodotte. I nanorobots sono circa 25 volte più piccoli della larghezza di un capello umano e possono viaggiare fino a 35 micrometri al secondo nel sangue quando sono alimentati dagli ultrasuoni. Questi nanorobots potrebbero un giorno offrire un modo sicuro ed efficiente per disintossicare e decontaminare i fluidi biologici.

SCIAME DI NANOROBOTS IN UN ORGANISMO VIVENTE

Per la prima volta è stato osservato il movimento collettivo di uno sciame di nanorobots nell’organismo di un topo vivo. È quanto emerge dallo studio pubblicato sulla rivista Science Robotics e condotto dal gruppo dell’Istituto spagnolo di bioingegneria della Catalogna coordinato da Samuel Sánchez, in collaborazione con l’Università autonoma di Barcellona.

I NANOROBOTS E LA CURA DEL CANCRO

I ricercatori del Politecnico di Zurigo e dell’Israel Institute of Technology hanno sviluppato un nanofilo di polipirrolo elastico controllato magneticamente, lungo circa 15 micrometri e spesso 200 nanometri che, nuotando in ambienti biologici fluidi alla velocità di 15 micrometri al secondo, potrebbe essere utilizzato per somministrare farmaci ed essere controllato magneticamente per attaccare cellule tumorali.

Per quanto concerne i nanorobot impiegati per operazioni di drug delivery, ossia come veicolo per il rilascio di sostanze all’interno del carcinoma, i modelli sperimentati sono di diversa natura e si muovono all’interno del corpo in modo differente. Considerando la struttura e il meccanismo di funzionamento sono progettati tramite un modello base, costituito da un braccio e da una “mano” su cui posizionare il principio attivo, che è il farmaco da somministrare.

Partendo da tale struttura è possibile crearne anche di più complesse, andando ad aggiungere, ad esempio, più braccia, nel caso in cui ci sia bisogno del rilascio contemporaneo di più molecole o di un’azione più complessa e mirata.

IL PROGETTO CELLOIDS

Il progetto europeo Celloids, partito il primo febbraio 2021, con scadenza fissata a fine gennaio 2026, si propone di realizzare nanobots che possano muoversi autonomamente in tutti i punti del corpo umano. Nell’ambito di tale progetto, i ricercatori hanno preso spunto dal comportamento delle cellule del sistema immunitario, alcune delle quali sono capaci di modificare continuamente la propria forma corporea per adattarsi all’ambiente circostante, riuscendo così a penetrare in tutti gli interstizi dei tessuti biologici.

COS’È UN XENOBOT E PERCHÉ È COSÌ SPECIALE?

Hussain Kanchwala ci spiega nel suo articolo perché gli Xenobot sono così importanti. Lo Xenobot è un robot organico vivente fatto di cellule viventi. La sua configurazione e il suo stile di locomozione sono progettati da algoritmi evolutivi su un supercomputer. I primi Xenobot sono stati creati da cellule staminali prelevate da Xenopus Laevis, una specie di rana, dalla quale si è preso il nome.

Sarah Moore riporta in un suo articolo le recenti ricerche che hanno contribuito alla creazione di xenobot, minuscoli robot di lunghezza inferiore a 1mm e costituiti da 500-1000 cellule viventi. Sono stati creati in una varietà di forme di base, tra cui alcune con le gambe. Gli studi hanno dimostrato che possono muoversi in modo lineare o circolare, unirsi ad altri xenobot per agire collettivamente, spostare piccoli oggetti e vivere per circa 10 giorni.

POSSONO I NANOROBOT CONTROLLARE IL NOSTRO CERVELLO?

Lo spirito di un divulgatore scientifico è quello di evitare allarmismi e nel contempo raccontare le potenzialità delle nuove tecnologie in modo da prepararsi al loro impiego massiccio.

Come spesso accade la tecnologia non è né buona né cattiva, è sempre l’essere umano responsabile del suo impiego.

I ricercatori Prithiv Kumar e Albert Alukal, nel loro articolo “Control of Mind using Nanotechnology” descrivono come l’argomentazione mentale è un parametro importante e difficile da analizzare mediante le tecniche attuali. Per ottenere questo risultato ci vuole una tecnologia potente come la nanotecnologia ottenendo così una combinazione illimitata di funzioni e proprietà delle cellule nervose.

Le nano particelle hanno materiali, dimensioni e forme diverse. Dimensioni che vanno da 1 a 100nm, a forma di tubi, sfere, strati singoli, doppi o multipli, fullereni con o senza rami e materiali come carbonio, metallo, ceramica, semiconduttori, polimeri e lipidi.

Le nanotecnologie cambiano le carte in tavola nell’industria farmaceutica, nei sistemi di somministrazione dei farmaci, nelle capsule di dimensioni nanometriche e negli strumenti medici.

POSSONO I NANOROBOT RENDERCI IMMORTALI ENTRO IL 2040?

In un articolo di qualche anno fa, il futurista Ray Kurzweil ipotizza che le nanotecnologie robotiche potranno incrementare notevolmente le aspettative di vita, fino a farci divenire “immortali”, entro qualche decennio. In attesa di verificare se e come questo può succedere, vi lascio il link all’articolo.

NANOROBOTS E IL MERCATO

Il mercato dei nanobots è in continua crescita e si stima arrivi a 8.68 miliardi di dollari entro il 2025, questo è quanto descrive una ricerca di Market Research Future (MRFR).

SLIME ROBOT

Questi particolari robot non sono propriamente nanorobots per le loro dimensioni millimetriche ma sono degni di nota in quanto sarà possibile inserirli nel corpo umano per svolgere funzioni controllate da campi magnetici. Inoltre, possono spostare oggetti, prendere due estremità di un filo e collegarle, cambiare forma, essere divisi in più parti e ricomporsi senza perdere le caratteristiche. Il professor Mengmeng Sun dell’università cinese di Hong Kong ci spiega di cosa si tratta in questo video.

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