كيف سيعمل الروبوت النانوي Nanorobots
كيف سيعمل الروبوت النانوي
قد يكون هذا السيناريو مدهشا ولكن المدهش اكثر إننا قريبون جدا من ان نشهد مثل هذه الأجهزة المتخصصة في العلاج الطبي. هذه الأجهزة تعرف باسم الروبوت النانوي Nanorobot والعديد من العلماء والمهندسين حول العالم يعملون على تصميم روبوتات مهمتها علاج أي شيء من أمراض الدم وحتى السرطان
.
وكما تتوقع فان التحدي الذي يواجه المهندسون هو صعوبة المهمة ومشقتها. فالروبوت يجب ان يكون صغيرا جدا ويتحرك بسرعة داخل نظام الأوعية الدموية في جسم الإنسان، تلك الشبكة المعقدة من الأوعية والشرايين. كما يجب ان يمتلك الروبوت القدرة على حمل الأدوية وأدوات دقيقة. افترض ان الروبوت لا يجب ان يبقى في جسم الإنسان إلى الأبد، وهنا عليها ان يجد طريقه للخروج من الجسم.
في هذا المقال من سلسلة مقالات كيف تعمل الأشياء سوف نتحدث عن التطبيقات الهامة للروبوتات النانوية، والطرق المختلفة للحركة داخل أجسامنا، والأدوات التي سيستخدمها لعلاج الأمراض، واهم التطورات التي توصلت لها الفرق البحثية حول العالم حتى الآن وما هي النظريات المتوقعة للمستقبل.
يسبح الروبوت في مجرى الدم ويتحرك باستخدام ملحق إضافي يشبه الذيل
في العام 1959 اصدر العالم رتشارد فاينمان في CalTech تحديا للمهندسين في كل مكان. لقد طلب ان يقوم شخص ما ببناء موتور صغير يمكن وضعه في مكعب بحجم 1/16 انش لكل ضلع من أضلاع المكعب. كان ريتشارد يهدف إلى انه اذا تم تحقيق ذلك الأمر فانه سوف يفتح المجال للدخول في مجال النانوتكنولجي. في العام 1960 حصل Bill McLellan على الجائزة بتصميمه لموتور حسب المواصفات. وقد منح ريتشارد الجائزة لـ Bill McLellan مع ان الموتور قد صمم وصنع يدويا.
تخيل ان يطلب منك طبيبك بان تأخذ روبوتين بدلا من الدواء وان تتصل به صباحا
من المتوقع ان تكون الروبوتات قادرة على معالجة الأمراض التي قد تصيب الإنسان. هذه الروبوتات صغيرة الحجم وهذا يعني إنها يمكن ان تحمل كميات صغيرة من الدواء أو المعدات، وكثير من الأطباء والمهندسين يتوقعون ان دقة هذه الأدوات سوف تكون اكثر فعالية من الطرق التقليدية المعروفة. على سبيل المثال عندما يقوم الطبيب بحقن مريض بجرعة من مضاد حيوي لتقوية نظام الحماية في الجسم. تخيل ان المضاد سوف يخفف أثناء مروره عبر الأوعية الدموية حتى يصل إلى المنطقة المصابة. ولكن الروبوت النانوي أو مجموعة من الروبوتات النانوية سوف تتوجه مباشرة إلى المنطقة المصابة وتقوم بتسليم الجرعة المناسبة للتغلب على المرض. ومن هذا التصور نتوقع ان تكون الأضرار الجانبية للأدوية اقل مما هي عليه الأن.
العديد من العلماء والمهندسين والأطباء يتوقعون ان استخدامات الروبوتات النانوية ستكون غير محدودة. ومن بعض هذه الاستخدامات ما يلي:
علاج تصلب الشرايين: وهو مرض يشير إلى تراكم المعيقات على جدران الشرايين الدموية الداخلية. يمكن للروبوت النانو يان يعالج هذه الحالات بإزالة المعيقات ليسمح بتدفق الدم في الشرايين من جديد.
يمكن للروبوتات النانوية من علاج انسداد الشرايين من خلال إزالة المعيقات على جدران الشرايين.
تكسير الدم المتجلط: جلطات الدم يمكن ان تسبب تعقيدات قد تصل إلى موت العضلة وحتى السكتة الدماغية. يمكن للروبوتات النانوية الانتقال إلى التجلط وتكسيره. هذا التطبيق هو واحد من اكثر التطبيقات خطورة للروبوت النانوي – على الروبوت ان يكون قادرا على إزالة الانسدادات دون ان يفقد أي جزء ولو صغير في مجرى الأوعية الدموية. كما ان الروبوت نفسه يجب ان يكون صغيرا حتى لا يعيق سريان الدم.
محاربة السرطان: يأمل الأطباء باستخدام الروبوتات النانوية لمعالجة المرضى المصابين بالسرطان. وعمل الروبوت هنا أما مهاجمة الخلايا السرطانية بأسلحة مثل الليزر وأشعة الميكروويف والموجات الفوق صوتية أو من خلال المشاركة في العلاج الكيميائي، بتزويد المواد الكيميائية المستخدمة مباشرة إلى الخلايا السرطانية. يتوقع الأطباء ان تسليم جرعات صغيرة من الدواء بشكل مباشر للخلية السرطانية سوف يقلل كثيرا من الأثار الجانبية بدون ان يقلل ذلك من كفاءة الدواء.
إزالة الطفيليات: يمكن للروبوتات ان تشن حربا على البكتيريا والطفيليات داخل المريض. وقد يتطلب الأمر مجموعة من الروبوتات تعمل مع بعض للقضاء على كل الطفيليات.
علاج داء المفاصل (النقرس): يحدث هذا المرض عندما تفقد الكلية قدرتها على التخلص من بقايا تكسير الدهون من مجرى الدم. هذه البقايا تتبلور على نقاط الوصلات مثل الركبة والرسغ. والناس الذين يعانون من الألم حادة عند هذه الوصلات. يمكن للروبوتات النانوية من تكسير التراكيب البلورية، مما يخفف الآلام وأعراض هذا المرض، حتى لو لم يتم علاج هذا المرض بالكامل.
تحطيم الحصوات في الكلية: حصوات الكلية تسبب الام شديدة – ومن الصعب التخلص من الحصوات الكبيرة. يقوم الأطباء بتكسير الحصوات الكبيرة في الكلية باستخدام الامواج فوق الصوتية، ولكن هذه الطريقة ليست فعالة في الكثير من الحالات. يمكن للروبوتات ان تقوم بتحطيم الحصوات باستخدام اجهزة ليزر دقيقة.
يمكن للروبوتات النانوية ان تحمل مولدات أمواج فوق صوتية أو ليزر وتوجهها مباشرة إلى حصوات الكلية وتفتتها
تنظيف الجراح: يمكن ان تقوم الروبوتات النانوية بالتخلص من بقايا الجروح، وتقليل أثار التلوث. وهذا مفيد جدا في حالة الجروح العميقة حيث يصعب معالجتها بالطرق التقليدية.
في الجزء التالي من هذا المقال سوف نتعرف على كيف تقوم الروبوتات النانوية بالحركة في داخل نظام الدورة الدموية
حركة الروبوتات النانوية
هناك ثلاثة اعتبارات رئيسية يجب على العلماء التركيز عليها عند الحديث عن حركة الروبوتات النانوية في جسم الإنسان – الملاحة والطاقة وكيف ستتحرك الروبوتات في الأوعية الدموية. علماء النانو يبحثون عن خيارات مختلفة لكل من هذه الاعتبارات، وكل خيار له مزاياه وعيوبه. يمكن تقسيم معظم الخيارات إلى فئتين هما: الأنظمة الخارجية والأنظمة الداخلية.
يمكن لأنظمة الملاحة الخارجية ان تستخدم طرق مختلفة لإرشاد الروبوت النانوي للتوجه إلى المكان الصحيح. من هذه الطرق استخدام إشارات الأمواج فوق الصوتية لاكتشاف موقع الروبوتات النانوية وتوجيهها إلى المسار الصحيح. يقوم الأطباء هنا بتوجيه إشارات أمواج فوق صوتية إلى داخل جسم الإنسان. هذه الإشارات إما ان تعبر من الجسم أو تنعكس وتعود إلى مصدر الأرسال او كلاهما. يمكن للروبوت النانو يان يرسل نبضات من الأمواج الفوق صوتية تمكن الأطباء من التقاطها باستخدام معدات خاصة مزودة بمجسات فوق صوتية. ويتتبع الطبيب موقع الروبوت النانوي ويحركه إلى الجزء المطلوب داخل جسم الإنسان.
باستخدام أجهزة تصوير الرنين المغناطيسي Magnetic Resonance Imaging (MRI)، يمكن للأطباء ان يتتبعوا مكان الروبوت النانوي من خلال التقاط مجاله المغناطيسي. الأطباء والمهندسون في Ecole Polytechnique de Montreal وضحوا كيف يمكنهم رصد وتتبع والتحكم وحتى تحريك الروبوت النانوي باستخدام أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. وقد فحصوا نتائجهم تلك من خلال تحريك جسيم مغناطيسي صغير داخل أوعية حيوان اختبار باستخدام برمجيات خاصة مثبتة على جهاز تصوير بالرنين مغناطيسي. وحيث ان الكثير من المستشفيات تمتلك أجهزة تصوير بالرنين المغناطيسي فيتوقع ان تكون هذه الطريقة المثالية للتحكم بالروبوتات النانوية حيث لا يتطلب من المستشفيات شراء أجهزة مكلفة إضافية.
يخطط بعض العلماء تشغيل الروبوتات النانوية والتحكم بها باستخدام أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي
كما يمكن للأطباء تتبع الروبوت النانوي من خلال حقن صبغة مشعة في مجرى دم المريض. ومن ثم يمكنهم استخدام تقنية الفلوروسكوب للكشف عن الصبغة المشعة أثناء حركتها في نظام الأوعية الدموية. والصور الثلاثية الأبعاد سوف تظهر موضع الروبوت النانوي. وبديل اخر هو ان يشع الروبوت النانوي تحت تأُثير الصبغة المشعة، مما سوف يترك خلفه اثر كلما تحرك في داخل الجسم.
من الطرق الأخرى لرصد الروبوت النانوي هو استخدام أشعة اكس، وأشعة الراديو، وأشعة الميكروويف أو الحرارة. حتى الأن، التقنيات المتوفرة التي تستخدم هذه الطرق على أجسام نانوية محدودة جدا، ولذلك من المحتمل ان تعتمد الأنظمة المستقبلية على طرق أخرى.
أنظمة محمولة أو مجسات داخلية، يمكن ان تلعب دورا كبيرا في الحركة. الروبوتات النانوية المزودة بمجسات كيميائية يمكنها ان تتبع اثر مادة كيميائية محددة حتى تصل إلى المكان الصحيح. المجس الطيفي يمكن الروبوت النانوي من اخذ عينات من الأنسجة المحيطة وتحليها ومن ثم اتباع مسار المكونات الكيميائية الصحيحة.
كما يمكن ان يحتوي الروبوت النانوي على كاميرا تلفزيونية صغيرة. ومن خلال لوحة التشغيل يمكن التحكم بالروبوت مع مشاهدة فيديو حي لما يحيط بالروبوت في جسم الإنسان. أنظمة الكاميرا معقدة جدا وربما تطلب الأمر سنوات عدة قبل ان يتمكن العلماء من تطوير نظام تصوير فيديو صغير يمكن تثبيته داخل الروبوت النانوي.
في الجزء التالي من المقال سوف نتحدث عن أنظمة الطاقة المستخدمة في الروبوتات النانوية
الطاقة المستخدمة لتشغيل الروبوتات النانوية
تماما مثل أنظمة الحركة والملاحة، فكر العلماء في نظامين لتزويد الروبوت النانوي بالطاقة أما مصدر طاقة داخلي أو مصدر طاقة خارجي. بعض التصاميم تعتمد على استخدام الروبوت النانوي على جسم الإنسان كوسيلة لتوليد الطاقة. وتصاميم أخرى تشمل مصدر طاقة صغير على الروبوت نفسه. وأخيرا، بعض التصاميم تستخدم مصادر طاقة خارجية لتزويد الروبوت بالطاقة.
يمكن ان يحصل الروبوت النانوي على الطاقة مباشرة من مجرى الدم. فيمكن تثبيت الكترودات على الروبوت لتشكل بطارية باستخدام التحليل الكهربي في الدم. وخيار اخر هو التفاعلات الكيميائية مع الدم لتوليد الطاقة. يمكن للروبوت ان يحمل كمية صغيرة من المواد الكيميائية التي تعتبر مصدر للطاقة عندما تتحد مع الدم.
يمكن أيضا ان يستخدم الروبوت النانوي حرارة جسم المريض للحصول على الطاقة، ولكن هناك حاجة إلى وجود تدرج في درجة الحرارة. توليد الطاقة في هذه الحالة يعود لظاهرة Seebeck. تحدث ظاهرة Seebeck عندما يوصل معدنين من مادتين مختلفتين في نقطتين ويتم وضع كل نقطة في درجة حرارة مختلفة. يصبح المعدنين الموصلين مزدوج حراري، مما يعني انه يولد فرق جهد كهربي نتيجة لفرق درجات الحرارة. ولأنه من الصعب ان نعتمد على تدرج درجة الحرارة في جسم الإنسان، فانه من غير المحتمل ان نرى روبوتات نانوية تعمل على حرارة الجسم
.
مع انه من الممكن ان تصنع بطاريات صغيرة جدا لتثبت داخل الروبوت النانوي، إلا أنها ليست مجدية كمصدر طاقة. المشكلة تكمن في ان هذه البطاريات تحمل مقدار صغير جدا من الطاقة، وبالتالي لن تكون قادرة على تزويد الروبوت بالطاقة الكافية. من اكثر مصادر الطاقة التي يمكن الاعتماد عليها هو المكثف الكهربي حيث انه صغير الحجم ويمكن تخزين كمية من الطاقة مناسبة لتشغيل الروبوت.
جاري تطوير مكثفات صغيرة لتكون مصدر الطاقة للروبوتات النانوية
إمكانية أخرى محتملة وهي استخدام الطاقة النووية كمصدر للطاقة. وربما التفكير في روبوت نانوي يعمل بالطاقة النووية قد يكون امرأ مخيفا، ولكن بعض الخبراء يعتقدون ان كمية صغيرة جدا من المادة سهل التحكم بها وحصرها. ولكن يزال الأمر غير مقبولا لدى العامة بالنسبة لاستخدام الطاقة النووية لمصدر تشغيل للروبوتات النانوية مما يجعل الاعتماد على الطاقة النووية في هذه الحالة امرأ غير محتملا.
مصادر الطاقة الخارجية تزود الروبوتات بالطاقة اللازمة من خلال خيط رفيع يربط الروبوت النانوي مع مصدر الطاقة. وهنا يجب ان يكون الخيط قوي جدا وقابل للحركة بدون أي جهد داخل جسم الإنسان دون ان يتسبب في أية أضرار. ويمكن نقل الطاقة عبر الخيط باستخدام الكهرباء مباشرة او من خلال الضوء عبر الياف بصرية دقيقة ومن ثم يتم تحويل الضوء إلى كهرباء بواسطة الروبوت النانوي.
بعض البلورات تكتسب شحنات كهربية اذا طبق عليها قوة والعكس صحيح، اذا طبقت شحنة كهربية علي تلك البلورات فإنها تهتز وتولد إشارات فوق صوتية. بلورة الكوارتز اشهر بلورة تعرض هذه الظاهرة وتستخدم في تشغيل الساعات.
الأنظمة الخارجية التي يمكن ان تعمل بدون خيط اتصال مع الروبوت النانوي يمكن ان تستخدم أمواج الميكروويف والأمواج الفوق صوتية أو المجالات المغناطيسية. أمواج الميكروويف هي الأقل احتمالا ان تستخدم لأنها تسبب أضرارا لأنسجة جسم المريض. والروبوت النانوي المزود بغشاء من مادة كهرباء انضغاطية piezoelectric يمكنه ان يلتقط الأمواج فوق الصوتية ويحولها لكهرباء. الأنظمة التي تستخدم المجالات المغناطيسية، يمكنها ان تستخدم في التحكم في الروبوت مباشرة أو من خلال توليد تيار كهربي في حلقة موصلة مغلقة في الروبوت.
في الجزء التالي سوف نتحدث عن أنظمة الدفع للروبوتات النانوية
القوة الدافعة المحركة للروبوتات النانوية
افترض ان روبوت نانوي يتحرك داخل مجرى الدم وهذا الروبوت يحتاج الى قوة محركة لتمكنه من الانتقال لاي مكان في الجسم. وربما في بعض الأحيان يضطر الروبوت الحركة ضد تيار الدم لذا فان القوة المحركة يجب ان تكون قوية. ومن الاعتبارات الأخرى المهمة هو ان لا يتسبب الروبوت أثناء حركته بحدوث أي أضرار للجسم.
بعض العلماء يبحثون في عالم الأحياء الدقيقة عن ما يفتح بصيرتهم على وسيلة لتحقيق ذلك. وقد وجدوا كائن براميسيوم حيوان هدبي دقيق جدا يعيش في مجرى المياه العذبة مثل الأنهار باستخدام ذيل صغير يعرف باسم هدبة. باهتزاز الهدبة يتمكن البراميسيوم من السباحة في أي اتجاه. ومثل الهدبة هناك السوط وهو تركيب يشبه الذيل الطويل. ويقوم الكائن بتحريك السوط بأشكال مختلفة ليتحرك في أي اتجاه.
مصمموا الروبوت النانوي يستلهمون أفكارهم من الكائنات الحية الدقيقة لمعرفة كيف يمكنهم بناء روبوت نانوي قادر على الحركة.
تمكن فريق علمي من ابتكار روبوت دقيق (اكبر حجما من الروبوت النانوي) بطول يتراوح بضعة مليمترات، مزود بمماسك دقيقة ليتمكن من الزحف في الأوعية الدموية. واستطاع العلماء التحكم بحركته بواسطة مجالات مغناطيسية خارج جسم المريض. تسبب المجالات المغناطيسية اهتزاز المماسك ودفع الروبوت للأمام في الأوعية الدموية. وذكر العلماء ان لا حاجة لوجود مصدر طاقة داخلي لانهم استطاعوا التحكم به من الخارج. ويأملون من هذا التصميم ان يكون الحل في بناء روبوتات نانوية.
أجهزة أخرى قد تبدو اكثر إثارة. فقد تستخدم المكثفات لتوليد المجالات المغناطيسية التي تجذب السوائل الموصلة من جهة وتدفعها في الجهة المقابلة مثل عمل المضخة الكهرومغناطيسية.
وطريقة أخرى لتحريك الروبوت النانوي هو استخدام أغشية متذبذبة، تكتسب حركتها من انقباض وانبساط أنسجة تلك الأغشية، تدفع الروبوت النانوي وتحركه. ويعتقد ان قوة الدفع الناتجة من هذه الطريقة كافية لتحريك الروبوت النانوي.
في الجزء التالي من المقال سوف نتحدث عن الأدوات التي من الممكن ان يحملها الروبوت النانوي ليقوم بمهامه الطبية.
أدوات دقيقة جدا جدا
الروبوتات الميكروية الحالية هي روبوتات يصل طولها بضعة مليمترات وقطرها في حدود المليمتر. بالمقارنة مع المقياس النانوي فان هذه الروبوتات تعتبر هائلة الحجم – تذكر ان النانومتر هو واحد في المليار من المتر، في حين ان المليمتر هو واحد في الألف من المتر. الروبوتات النانوية المستقبلية ستكون صغيرة جدا ولا يمكن رؤيتها حتى بالميكروسكوب. وتخيل أدوات الروبوت النانوي ستكون اصغر من ذلك. وهنا بعض الأدوات التي قد نجدها مع الروبوت النانوي:
ستكون أدوات الروبوت النانوي صغيرة جدا لتعمل على الخلايا مثل خلايا الدم الحمراء
المجسات والشفرات وأدوات النحت – تستخدم في التخلص من المعيقات والانسدادات، حيث يستخدمها الروبوت النانوي في الإمساك بالمواد الغريبة ويعمل على تكسيرها لأجزاء صغيرة.
مولد للأمواج فوق الصوتية والميكروويف – لتكسير الخلايا السرطانية لمنع انتشار الخلايا في الجسم بقتلها مباشرة من خلال تلك الأمواج التي تعمل على تسخينها وقتلها.
الالكترودات – الكترودين على الروبوت يمكنهما قتل الخلايا السرطانية بتوليد تيار كهربي يعمل على تسخين الخلايا وقتلها.
الليزرات – أجهزة ليزر دقيقة تعمل على حرق المواد الضارة التي تعمل على إعاقة حركة الدم وتسبب انسدادات.
اكبر تحديان يواجهان العلماء في هذا المجال هو تصميم أدوات دقيقة وفعالة وأمنة. على سبيل المثال، تصميم جهاز ليزر دقيق يصدر أشعة ليزر قوية تبخر الخلايا الخطرة هو تحدي كبير، والحفاظ على سلامة الخلايا السليمة هو اتحدي اكبر. كثير من الفرق البحثية طورت روبوتات نانوية صغيرة لتدخل في الأوعية الدموية وتعتبر هذه الخطوة الأولى للوصول لروبوتات نانوية للتطبيقات الطبية.
في الجزء التالي من المقال سوف نتحدث عن تكنولوجيا الروبوت النانوي اليوم وماذا سيكون في المستقبل.
الروبوت النانوي اليوم وفي المستقبل
فرق بحثية على مستوى العالم تعمل على ابتكار أول روبوت نانوي طبي، ويوجد الأن روبوتات يصل قطرها إلى مليمتر وهناك ما يصل لحجم بقطر 2 سم، الا إنها لازالت في مرحلة الفحص والاختبار والتطوير ولم تستخدم حتى الأن في جسم الإنسان. وربما لازال عدة سنوات حتى يدخل الروبوت النانوي المجال الطبي. الروبوتات الميكروية اليوم هي نماذج تجريبية ولازالت غير قادرة على تنفيذ أي مهام طبية.
بالرغم من ان هذا الروبوت طوله 2 سم يقوم بمهام مدهشة فان الروبوت في المستقبل سيكون اصغر بمئات المرات في الحجم.
يتوقع ان يكون للروبوت النانوي دورا هاما في المجال الطبي. يمكن للأطباء ان يعالجوا كل شيء من أمراض القلب وحتى السرطان باستخدام روبوتات دقيقة بحجم البكتيريا. ومن هذه الربوتات يعمل على مهاجمة المرض وغيرها يعمل على توصيل الدواء للمكان المطلوب في جسم الإنسان. وبعضها يستقر في جسم الإنسان لمراقبة سلامة أعضاءه الصحية.
من التطبيقات المستقبلية المتوقعة لتكنولوجيا الروبوت النانوي هو إعادة هندسة أجسامنا لتصبح اكثر مقاومة للأمراض وزيادة قدرتها وحتى تطوير الذكاء.
سوف نشهد في يوم من الأيام الأف الروبوتات النانوية تعيش داخل أجسامنا تقوم بتصحيح أي خلل ومعالجة الجروح والخدوش والقضاء على أي مرض. مع تكنولوجيا النانو يبدو ان كل شيء ممكنا.
وفي نهاية هذا المقال من مقالات كيف تعمل الأشياء قد يبدو ان الأمر مثل الخيال العلمي إلا ان الأبحاث والتجارب في اتجاه تحويل هذا الخيال العلمي إلى واقع وحقيقة، وقد حرصت كتابة هذا الموضوع من باب التشويق لأهمية تكنولوجيا النانو والدور الذي ستلعبه في مستقبل العالم والتغيير الشامل للكثير من التقنيات المتقدمة حاليا ولكنها ستكون تقليدية أماما هذا العلم الواسع.
نسخة من المقال للقراءة على الايباد
وإلى اللقاء مع موضوع اخر من سلسلة مواضيع كيف تعمل الأشياء
لمزيد من المعلومات
http://www.physorg.com/news116071209.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Nanorobotics
رد: كيف سيعمل الروبوت النانوي Nanorobots
شكرا جزيلا دكتور حازم .....بارك الله فيك
اتمنى لك مزيدا من الصحة و العافية و العطاء
رد: كيف سيعمل الروبوت النانوي Nanorobots
يعطيك الف عافيه الصراحه استفدت كثير من الموضوع
جزاك ربي كل خير
رد: كيف سيعمل الروبوت النانوي Nanorobots
اروع مقال قرأته منذ مده طويلة
جزاك الله كل خير دحازم
رد: كيف سيعمل الروبوت النانوي Nanorobots
يعطيك العافيه ماننحرم من جديدك
