Nanorobot bilimi

Nanorobot bilimi, bir nanometre (10−9 metre) veya buna yakın ölçekli parçalar içeren makine veya robot yaratan gelişen bir teknoloji alanıdır. Daha özel bir deyişle, nanorobotics, 0,1-10 mikrometre ölçekli cihazlar ile nanoteknoloji mühendislik disiplini içinde nanorobotlar tasarlama ve inşa etmek ve aynı zamanda nano ölçekler ve moleküler bileşenler üretmektir. Nanobots, nanoids, nanites, nanomachines veya nanomites gibi özel isimlere sahip Türkçe anlamları cüce, nanomakina, böcekçik gibi anlamlara gelen bu isimler sürekli olarak araştırma ve geliştirme altında olan bu nanorobotları tanımlamak için kullanılırlar. Nanomakinalar büyük ölçüde araştırma v, e geliştirme aşamasında olmasına rağmen bazı ilkel moleküler makineler ve nanomotorlar test edilmiştir. Örneğin, yaklaşık 1,5 nanometre uzunluğundaki bir anahtara sahip bir sensör, bir kimyasal örnekteki özel moekülleri sayma yeteneğine sahiptir. Nanaomakinelerin ilk yararlı uygulamaları tıbbi teknoloji alanında; kanser hücrelerini tespit ve imha için olabilir. Bir diğer potansiyel uygulama alanı ise, ortamdaki zehirli kimyasalları tespit ve konsantrasyonunu ölçme olarak düşünülebilir. Rice üniversitesi kimyasal yollarla tek moleküllü ve jantları bucky küreleri içeren bir araba geliştirdi. Araba, çevre sıcaklığını kontrol ederek ve taramalı tünelleme mikroskobunu yerleştirerek çalıştırıldı.
Bir başka tanım ise, nanoölçek çözünürlük ile hareket ettirilen veya nanoölçekli nesneler ile etkileşime duyarlı robotlardır. Bu gibi cihazlar için moleküler makinalar tanımı yerine tarama ve araştırma mikroskobisi demek daha uygun olur. Mikroskop tanımı düşünülerek, atomik kuvvet mikroskobu gibi büyük aletler, manipülasyon göstermesi için ayarlandığında bir nanorobotik aygıt gibi düşünülebilir. Bu açıdan bakıldığında, makro ölçekli robotlar veya mikro robotlar, nano ölçek ile doğrulukla hareket edebilen nano robotlar olarak düşünülebilir.
Nanorobot teorisi
Richard Feynmana göre, eski, mezun ettiği öğrencilerinden ve aynı zaman işbirliği yaptığı öğrencisi Albert Hibbs, Feynmana; Feynmanın teorik mikro makinelerinin medikal alanda kullanımını önerdi (circa 1959). Hibbs, bir gün bazı tamir makinelerinin çok küçük bir boyuta indirgenebileceğini hatta bu 2makinelerin doktorların bile önüne geçebileceğini belirtmiştir. Bu fikir 1959 da feynmanın Theres Plenty of Room at he Bottom adlı yayınladığı bir yazısı ile birleştirilmiştir. Nanorobotlar mikroskobik büyüklüklerde olduğu için, mikroskobik ve makroskobik vazifelerde kullanılmaları için birçok sayıda ve birlikte çalıştırılmaları gereklidir. Bu nanorobot kümeleri (replikasyon yapamayanları ve doğal ortamda sınırlanmamış replikasyon yapabilenleri ) çoğu bilimkurgu hikayelerinde yer alır. Örneğin; Star Trekteki Borg nanosondaları. Bazı nanorobot taraftarları, daha önceden çoğalmasına yardım ettikleri gri yapışkan senaryolarına tepki olarak, nanorobotların sınırlanmamış fabrika ortamında replikasyon yeteneğine sahip olmalarının sözde üretken nanoteknolojiyi oluşturmada gerekli bir kısım olmadığını ve kendi kendini üretim aşamasının (repliklasyon), geliştirilmiş olsa bile, doğal olarak güvenli olması gerektiğini düşünmüşlerdir. Bu fikirleri ile güncel planlarının serbest üretim repliköterleri için değil moleküler üretimi geliştirmek için yardımcı olduğunu öne sürmüşlerdir. Nanorobotlar hakkındaki en detaylı tartışma aralarında algılama, güç iletişimi, navigasyon, manipülasyon ve yerleşik hesaplama gibi özel tasarım konularını da kapsayan, medikal nanomedicine adı altında Robert Freitas tarafından yapılmıştır. Bu tartışmalardan bazıları inşa etme seviyesinin altında kalarak, detaylı mühendislik seviyesine yükselemez.
Yaklaşımlar
Biyoçip
Nanoelektronik, fotolitografi ve yeni biyomalzemelerin ortak kullanılması, cerrahi enstrümantasyon ve ilaç tanı ve dağıtımı gibi yaygın medikal uygulamalarında, medikal uygulamalar ile mümkün bir nanorobot üretimi sağlar. Nanoteknoloji ölçekli bu üretim metodu şu anda elektronik sanayinde kullanımdadır. Bu nedenle tele çalışma ve gelişmiş tıbbi cihazlar açısında, nanorobotlar entegre nanoelektronik aygıtlardan oluşmalıdır.
Nubotlar
Nubot günümüzde nükleik asit robotlarının bir adı olarak kullanılmaktadır. Nubotlar nano ölçekli organik moleküler makinelerdir. Nanomekanik araçlar ile DNA yapısı 2D ve 3D olarak birleştirmeye olanak sağlar. DNA küçük moleküller kullanılarak aktive edilebilen, proteinler ve diğer DNA molekülleri üzerine kurulmuş bir makinedir. DNA maddelerini baz alan biyolojik devre geçitleri, hedeflenmiş sağlık problemleri için ilaç transferine olanak sağlayan moleküler makineler olarak tasarlanmışlardır. Böyle madde dayanaklı sistemler, akıllı biyomadde ilaç teslimat sistemine çok benzer şekilde çalışır.
Yüzey-Bağlantı sistemleri
Sentetik moleküler motorların yüzeylerle ilişkisi üzerine birçok rapor geliştirilmiştir. Bu basit nanomakineler makroskopik materyallerin yüzeylerinde sınırlandırıldığında makine gibi harekette bulundukları gözlemlenmiştir. Bu demirlerle sabitlenmiş motorlar nano ölçekli taşıyıcı olarak yüzeydeki materyallerin pozisyonlarında ve hareketinde kullanıldı
Pozisyona bağlı nanobirleşme
2000 yılında Nanofaktöri birliği, Robert Freitas ve Ralph Merkle tarafından 4 ülkede 10 organizasyon içeren araştırma ve geliştirme odaklı kurulmuş bir araştırma acentesidır. Elmas mekanosentezi ve elmasla medikal nanorobotlar yapabilen nano fabrikaları kurmak özellikli hedefidir.
Bakteriler merkezli
Bu görüş Escherichia coli gibi mikroorganizmaların kullanımını baz almaktadır. İtici güç için kamçılarını kullanan bir türdür. Biyolojik entegre aletlerin hareketleri elektromanyetik alanlar tarafından kontrol edilir. Nebraska üniversitesinin kimyacıları bakteriler ile silikon bir bilgisayar çipini birleştirerek bir nem ölçer oluşturdular.
Açık teknoloji
Amerika Birleşik Devletleri Genel Birliği nanobiyoteknoloji için açık teknoloji görüşünü öne sürdü. UNye sunulan bu görüş; bilgisayar sistemlerinin gelişiminin açık kaynaklar yoluyla olduğunu ve aynı yaklaşımın nanorobotlar için de sergilenmesiyle, bu teknolojinin topluma yararının artacağı yönündeydi. Bu teknoloji yeni insan mirasları olarak bırakılabilir ve barışçıl amaçlar uğruna kullanılabilir. Açık teknoloji bu amaç uğrunda bir anahtar konumundadır.
Nanorobot yarışı
Teknolojinin gelişmesiyle uzay ve nükleer silah alanında yarışlar ortaya çıkmıştır. Aynı durum nanorobotlar için de söz konusudur. Nanorobotların günümüz teknolojisine dahil edilmesi konusunda birçok haklı neden vardır. General Electric, Hawlett-Packard, Northrop Grumman ve Siemens gibi şirketler son zamanlarda nanorobotların araştırılması ve geliştirilmesi konusunda çalışan büyük şirketlerden bazılarıdır. Cerrahlar ise medikal ameliyatlar için nanorobotları kullanma yolları aramaktadırlar. Araştırma enstitüleri ve üniversiteler 2 milyar doları bulan geniş kaynaklı bütçeler ile nanocihazların medikal alanda kullanımına olanak sağlayacak yollar aramaktadırlar. Bankerler ise ticaret açısından bu konuya önem vermektedirler. Nanorobotlar üzerine birçok patent günümüzde sahibini bulmuştur. Radyonun icadı ile başlayan teknolojik gelişmelerde görülen tekelleşme, nanorobotlar ile de son zamanlarda gündeme gelmiştir.
Potansiyel uygulamalar
Nanorobotiğin tıptaki potansiyel uygulamaları; kanser için erken teşhis ve hedeflenmiş ilaç teslimi, biyomedikal aletler, ameliyat, diyabet için farmakokinetik gözetim ve sağlık hizmetleridir.
Bazı planlarda, ileri medikal nanoteknolojinin hastaya özel olarak kullanılan ve hücresel seviyede çalışan nanorobotlar çalıştıracağı beklenmektedir. Tıpta kullanılması düşünülen bu robotlar, kendini yenileyemez olmalıdır çünkü yenileme işlemi gereksizce araç karmaşıklığını artırmakta, güveni azaltmakta ve tıp misyonuyla çatışmaktadır.
Nanoteknoloji, isteğe uyarlanmış çözümler geliştirmede geniş bir skalada yeni teknolojiler sağlamaktadır. Günümüzde, kemoterapi gibi zararlı yan etkileri olan tedavilerin hastaya zarar vermesinin asıl sebebi ilaç teslimatı metodlarının istenen hedef hücrelerin kesin ve doğru bir şekilde yerini saptayamamasıdır. Harvard Üniversitesi ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsündeki araştırmacılar, yaklaşık 10 nm çapına sahip özel RNA ipliklerine ulaşabilmişlerdir ve nano parçacıklarını kemoterapi ilacıyla doldurmuşlardır. Bu RNA iplikleri kanser hücrelerini kendine çeker. Bir nano parçacık bir kanser hücresiyle karşılaştığında ona yapışır ve ilacı kanser hücresine yayar. Bu yöntem, kemoterapinin zararlarından kaçınmada oldukça etkilidir.
Nanorobotların bir başka önemli uygulaması ise, beyaz kan hücrelerinin ve doku hücrelerinin tamirine yardım etmesidir. Beyaz kan hücrelerinin etkilenmiş alana doğru güçlendirilmesi dokuların yaralanmaya karşı verdiği ilk tepkidir. Küçük yapılarından dolayı nanorobotlar kendilerini güçlendirilen beyaz hücrelerin yüzeyine bağlayabilir ve burada onarma işlemine yardım edebilirler. Bazı maddelerin iyileşme sürecini hızlandırma özelliği vardır.
Bunun arkasında yatan bilim oldukça komplekstir. Kan endoteline hücre geçidi, transmigrasyon, hücre yüzeyi reseptörleriyle adhezyon molekülleri arasındaki ilişkiyi içeren bir mekanizmadır. Robotlar kendilerini göç eden iltihaplı hücrelere bağlayarak, kompleks bir transmigrasyon ihtiyacını ortadan kaldırabilirler.
US FDA, şu anda nanoteknolojiyi boyut bazında düzenlemektedir. Ayrıca cihazları fiziksel yollar ile düzenlerken kimyasal yollar ile de ilaçları düzenlemektedir. Tek moleküler yapıda olanlar benzerleri gibi Turing makinesi olarak kullanıldıkları gibi evrensel hesaplamaların yanı sıra fiziksel ve kimyasal hesaplamalar yapabilirler. İlaç dozu aşırı arttığı durumda ise bir önceki ilacı inaktive edecek güvenlik sistemini de geliştirebilirler. Toksik testler yazılımlar ile geliştirilmiştir. Nanoteknolojideki gelişmeler ile küçük cihazlar daha kullanışlı ve akıllı hale gelmektedir. İlaç molekülleri ise cihazlara göre daha yavaş ve daha pahalı olmakla birlikte, cihazların kullanımı daha basittir. Daha akıllı hale gelen cihazlar nanomakineleri haklı çıkarmaktadır. Nanocihazlar ilaçlardan daha fazla rağbet görerek üretici ve hastalar için daha faydalı olacaktır.
Uygulama örnekleri
Kanser tanı ve tedavisi
Kanser kaynaklı ölüm oranını düşürebilmek için nanoteknolojinin katkı sağlayabileceği altı alan belirlenmiştir:(1) Moleküler hastalık patogenezinden sorumlu değişiklikler, (2) hastalık diagnoz ve görüntülemesi, (3) ilaç verme ve terapi, (4) terapötik ve diagnostik uygulamalar için daha fonksiyonel sistemler, (5) Terapötik madde ve araçların bir in vivo etkinliğini rapor etmeleri ve (6) nano ölçeği sağlayan teknolojiler. Nanorobotlar bu açıdan çok faydalı ve umut verici olabilir.
Nanorobotlar, kemotaktik sensörler aracılığıyla, yüzey antijenlerini kontrol ederek habis ve normal hücrelerden oluşan farklı hücre tiplerini, her hücre tipi için, ayırt edebilecek ve spesifik antijenleri hedef hücrelere bağlayabilecek. Bu açıdan, kanser hastaları için baskılanmamış bir terapi sağlar.
Bu konudaki tedavi yöntemlerinde diğer bir yaklaşım ise, kimyasal sensörler olabilir. Bu sensörlerle, nanorobotlar birincil ve metastatik fazlarda farklı E-kaderin ve beta-katenin seviyelerini saptamak üzere programlanabilirler. Bu sayede sağlıklı hücrelerin zarar görmesi büyük bir ölçüde önlenmiş olur.
İntrakraniyal hastalıklar
İntrakraniyal hastalıklarda erken tanı, tedavi için hayati önem taşımaktadır. Birçok vaka bu konudaki yetersizlik nedeniyle ölümle veya kalıcı hasarla sonuçlanmaktadır. Nanorobotların boyutsal avantajları da göz önüne alındığında bu konuda birçok hastalıkta erken tanı için büyük avantaj sağlaması kesin gözüyle bakılmaktadır. Mevcut yöntemlerin yanı sıra, zararlı intrakraniyal damar gelişimini tanımlayıp müdahele edebilecek donanımda mimari dizayn ve teknik özelliklere sahip nanorobotlar, beyin tedavileri ve nörodejeneratif problemlerde kullanılabilir.
Diyabet kontrolü
Diyabet yani şeker hastaları gün içerisinde birçok kez kandaki glikoz oranını ölçmek zorundadır. Özellikle tansiyon sorunu da olan hastalarda komplikasyonlar çok hızlı gelişebilir. Kan içinde dolaşan robotlar sayesinde, acısız ve ağrısız bir şekilde kan glikoz oranının sürekli takibi yapılabilecek. Mevcut ölçüm teknikleri, vücudun bir bölgesinden alınan kanla yapılan sonuçlara dayanmaktadır fakat robotik yapılar vücudun bütün bölgesinde olduğu için daha kesin sonuç elde edilebilecektir. Bu sayede gerekli ilaç dozajı ve zamanı daha kesin olarak belirlenmiş olup daha efektif bir tedavi imkanı sunmaktadır.
Pharmacyte
Pharmacyte, tıbbi nanorobot bir sistemdir. İnsan vücudundaki belirli hücresel ve hücre içi hedeflere, farmasötik ajanların hassas şekilde taşınması, bu ajanların verilme zamanı ve dojazını ayarlayabilmektedir. Pharmacyteler fagositik prosese uğramazlar çünkü bozulmamış eritrositlerin ve beyaz hücrelerin geçişine izin veren asgari canlı insan kılcal çapı, önerilen en büyük Pharmacyte'den daha büyük çaptadır. Pharmacytes, kanser tedavisinde birçok uygulamaya sahip. Örneğin kanser hücrelerinde apoptozun başlatılması, doğrudan kontrolü ve hücre sinyalizasyon süreçleri.
Cerrahi operasyonlar
Her türlü cerrahi operasyon belirli bir oranda risk içermekle birlikte, söz konusu kalp gibi hayati bir organ olduğu zaman bu oran artmaktadır. Nanorobotlar sayesinde hastanın içi açılmadan müdahale etmek ve ameliyat başarı oranını arttırmak mümkün. Robotik cihazlar cerrahlara insan elinin erişemeyeceği boyutlarda hassasiyet sağlayabilme kapasitesine sahiptir. Cerrahlar, direkt olarak cerrahi aletleri manipüle etmek yerine, bir kumanda merkezi üzerindeki kontrol kollarını hareket ettirmek için parmaklarını kullanarak hasta içindeki daha önceden yerleştirilen minyatür aletleri içeren robot kollarını kontrol edebilir. Kumanda merkezine bağlı olan bir bilgisayar aracılığıyla, cerrahın uzaktan kumanda üzerindeki büyük hareketleri, robotun minyatür hareketlerine dönüştürülür ve bahsi geçen boyutlarda hassasiyet sağlanır.