ربات‌های مینیاتور در رگ‌های ما

ربات‌های جلبکی شناور در رگ‌ها

چند دهه است مهندسان در تلاشند ربات‌هایی طراحی کنند که امکان تزریق دارو یا انجام جراحی داخل بدن انسان داشته باشند. اکنون ربات‌ها با استفاده از مواد زیستی مثل نوعی جلبک که خواص مغناطیسی خاص دارد، می‌توانند در بدن شناور باشند و به نقطه مورد نظر هدایت شوند. گرچه این فناوری پزشکی هنوز برای استفاده پزشکان آماده نیست، اما می‌توان امیدوار بود تا ده سال دیگر همه خواهان تحقق بخشیدن این سفر فوق‌العاده ربات‌ها به داخل بدن انسان باشند.

این ایده سال‌ها مختص فیلم‌های علمی -تخیلی بود تا وقتی دانشمندان مهندسی ژنتیک با استفاده از نوعی گیاه میکروسکوپی به نام اسپیرولینا (Spirulina) که در پاسخ به سیگنال‌های مغناطیسی واکنش دارد، این ایده را محقق کردند. اسپیرولینا نوعی جلبک است که در ابعاد میکروسکوپی، شکلی فنری و پیچ‌خورده دارد و معمولا به عنوان مکمل غذایی برای انسان و حیوان استفاده می‌شود. اما چرا این نوع جلبک برای چنین ماموریتی در بدن انتخاب شده است؟

ربات‌هایی با رفتارهای طبیعی

ربات‌های بیوهیبریدی می‌توانند دارو را به قسمت مشخصی از بدن حمل کنند و کمترین عوارض جانبی ممکن را برای فرد بر جای بگذارند. این ربات‌ها می‌توانند پا را از این نیز فراتر بگذارند و به کمک پوشش مغناطیسی به جنگ سلول‌های سرطانی بدن روند.

میکرو ربات‌های بیوهیبریدی معمولا با یک عامل زیستی مثل یک باکتری، عضله یا سلول‌های اسپرم همراه یک بخش مصنوعی ترکیب می‌شود. به این ترتیب آسیبی به دیگر بافت‌ها وارد نمی‌شود و میکروربات هنگام حرکت می‌تواند به محیط بیوشیمیایی، اسیدیته یا میدان مغناطیسی پاسخ درست دهد. برای مثال حرکت باکتری در رگ‌های خونی در قسمت‌های مختلف بدن، دما و فشارهای مختلف متفاوت است و بدن به صورت طبیعی این واکنش‌ها را برای باکتری در نظر می‌گیرد.

محققان این رشته همچنان به دنبال استفاده‌های دیگر از بیوهیبریدها هستند؛ برای مثال شاید بتوان از آنها برای دنبال کردن یک مولکول خاص و تغییر تراکم آن در قسمتی از بدن بر اساس سیگنال‌های دریافتی استفاده کرد.

انتظار پزشکی از میکروربات‌ها

به کمک این میکرو ربات‌ها می‌توان میزان داروی مورد نظر را دقیقا به مقصد مورد نظر تزریق کرد. مهم‌تر از آن اگر قسمتی از بدن نیاز به پرتودرمانی دارد، می‌توان از این ربات‌ها برای تاباندن پرتو رادیواکتیو به قسمت خاصی از بدن برنامه‌ریزی کرد و به این ترتیب عوارض این روش درمانی بشدت کاهش پیدا می‌کند. درمان انواعی از سرطان‌ها، از بین بردن یک لخته خونی، انجام جراحی میکروسکوپی، انجام بیوپسی بافت (بافت‌برداری) داخلی یا حتی ساخت چیزی شبیه داربست که سلول‌های جدید بتوانند آنجا رشد کنند از دیگر قابلیت‌های کاربردی این ربات داخل بدن است. امروز با اطمینان می‌توان گفت این ربات‌ها به هیچ سلولی غیر از سلول‌های سرطانی آسیب وارد نمی‌کند و در آینده نزدیک ظرف 48 ساعت می‌تواند تا 90 درصد سلول‌های سرطانی را از بین ببرد. در نهایت می‌توان گفت کمک به تشخیص زودتر بیماری‌ها و انجام دقیق‌تر فرآیند درمان مهم‌ترین دستاوردی است که دنیای پزشکی از آن بهره‌مند شده است. این نخستین بار است که قطعه‌ای الکترونیکی به صورت بدون سیم وارد بافت زنده‌ای مثل رگ‌های خونی خواهد شد.

میکرو ربات‌ها چه ویژگی‌هایی دارند؟

میکرو رباتیک، شاخه‌ای از علم رباتیک است که به مطالعه کاربرد ربات‌های مینیاتوری در ابعاد میکرومتری می‌پردازد. ربات‌هایی در این ابعاد از اواخر قرن بیستم و با پیدایش سیستم‌های مکانیکی مینیاتوری سیلیکونی، طراحی و ساخته شدند. در کنار این سیستم‌ها با وجود میکروکنترل‌کننده‌هایی که امکان هدایت اجسام در ابعاد میکرومتری را فراهم می‌کنند، امکان استفاده از ربات‌هایی در این ابعاد نیز به وجود آمد.

ربات‌های میکرو معمولا ابعادی کمتر از یک میلی‌متر دارند یا قابلیت دستکاری اجزایی با ابعاد یک تا هزار میکرومتر را دارد. حرکت این ربات‌ها در شرایط مختلف تابع قوانین فیزیکی است، برای مثال برای پرواز از قانون گرانروی هوا کمک می‌گیرند. در مورد حرکت این ربات‌ها در محیط‌های مایع و جایی مثل رگ‌های خونی نیاز به تاژک‌های چرخشی و معمولا در این حالت حرکت جهشی با مصرف انرژی کمتر به ربات اجازه حرکت می‌دهد.

منبع قدرت چنین ربات‌هایی می‌تواند تامین انرژی با یک باتری کوچک و بسیار سبک، استفاده از سلول‌های خورشیدی و دریافت نور خورشید یا دیگر منابع نوری و در نهایت کمک گرفتن از میدان مغناطیسی باشد. در این مورد میکرو ربات‌ها می‌توانند از گلوکز موجود در خون در بدن انسان نیز برای تامین انرژی استفاده کنند.

چالش‌های پیش روی ربات‌های میکروسکوپی در بدن

تجهیز این دستگاه بسیار ظریف به نیروی کافی برای حرکت در بدن کاری چالش‌برانگیز بود؛ در حالی که موثرترین سوخت‌ها برای حرکت چنین سیستمی، موادی سمی برای بدن انسان هستند. چالش دیگر نیز نحوه هدایت ربات‌های میکروسکوپی میان پیچ‌وخم پروتئین‌ها و سایر مولکول‌هاست که نیاز به کنترل حرکت و همزمان دیدن محل قرارگیری ربات را در لحظه دارد.

کلید حل این چالش‌ها در دست سو لی ژانگ (So Li Zhang) ، محقق رشته مواد بود که راه‌حل را به کمک میدان مغناطیسی و ارگانیسم‌های زنده طراحی کرد. میدان مغناطیسی ایجاد شده خارج از بدن می‌تواند بدون آسیب رساندن به بافت‌های زنده در آنها نفوذ کند. این میدان مغناطیسی به عنوان یک اهرم کنترلی به محققان اجازه می‌دهد اجرام مغناطیسی را براحتی به هر طرف حرکت دهند. قسمت هیجان‌انگیز استفاده از چنین روشی این است که ساختارهای مناسب برای این کار با رفتاری مطابق میل محققان در طبیعت پیدا می‌شوند.

از چند سال پیش ژانگ همراه همکارانش در تلاش بودند امکان ردیابی ربات‌ها را به شکلی داخل بدن پیدا کنند و به همین علت ایده استفاده از نوعی جلبک به دلیل تابش فلوئورسنت طبیعی شکل گرفت. به این ترتیب ربات‌های میکروسکوپی زیر سطح پوست براحتی قابل ردیابی هستند و با کمک فناوری تصویربرداری پزشکی خاصی به نام رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) می‌توان آنها را در لایه‌های عمیق‌تر بدن دنبال کرد. در این روش از ذرات مغناطیسی تزریق شده پیش از تصویربرداری استفاده می‌شود. اما امروز دانشمندان قدم از این هم فراتر گذاشته و میلیون‌ها جلبک را با ذرات نانویی اکسید آهن دارای خاصیت مغناطیسی کرده‌اند. هرچه زمان غوطه‌ور شدن طولانی‌تر باشد، اجازه کنترل بیشتر ربات را می‌دهد. در این حالت حتی اگر ربات وارد لایه‌های عمیق‌تر شود، امکان ردیابی و تصویربرداری از آن وجود دارد.

از دیگر چالش‌های این روش جدید این است که هنگام کار با این میکرو ربات، کاربر نیاز دارد موقعیت ربات را هر لحظه در بدن بداند، اطمینان پیدا کند حرکت ربات به بافت‌های بدن آسیب نمی‌رساند و در نهایت پس از پایان ماموریتش به شکل ایمنی از بدن به طور کامل خارج می‌شود. در نهایت باید این واقعیت را در نظر گرفت که این روش، راهکار و فناوری جدید در دنیای پزشکی است که قطعا عوارض جانبی خاص خود را دارد و این عوارض بعد از استفاده مکرر بیشتر به چشم می‌آید. اما محققان نیز همواره به دنبال بهبود کارکرد این فناوری‌ها هستند.

سپیده شعرباف

دانش

منبع: nature,Spectrum, Science