Nanorobotti valtaa kehosi

Tulevaisuudessa lääkäri voi uida virtsarakossasi tai silmässäsi tai luikerrella pitkin suoltasi. Perille päästyään nanorobotti on valmiina tuhoamaan syöpäkasvaimen tai raivaamaan tukoksen verisuonesta.

Tulevaisuudessa lääkäri voi uida virtsarakossasi tai silmässäsi tai luikerrella pitkin suoltasi. Perille päästyään nanorobotti on valmiina tuhoamaan syöpäkasvaimen tai raivaamaan tukoksen verisuonesta.

Liz Do/Uni. of Toronto Engineering

Syöpäsolun hetket ovat luetut, kun 0,000001 millimetrin kokoinen nanorobotti lähestyy sitä. Suolen nesteissä uiva robotti kulkee vääjäämättä kohti suolessa olevaa syöpäkasvainta ja lopulta törmää siihen.

Silloin robotin kulkua seuraavat lääkärit sytyttävät ultraviolettivalon, joka läpäisee potilaan ihon ja kudokset. Kun valo osuu robottiin, tämä alkaa pyöriä kolmen miljoonan kierroksen sekuntivauhtia.

Vimmatusti pyörivä robotti porautuu syöpäsoluun ja silpoo sen solukalvon.

Tällaista nanorobottia tai oikeastaan motorisoitua molekyyliä kehitellään Rice-yliopistossa Houstonissa Texasissa. Se ei suinkaan ole ainoa viime aikoina kehitetty nanokokoinen robotti.

Mikroskooppisen kokoisia koneita kehitetään paitsi silpomaan syöpäkasvaimia, myös esimerkiksi kairaamaan auki veritulppien ahtauttamia verisuonia.

Nanokokoisten lääkärirobottien suunnittelussa inspiraatiota on haettu eläinkunnasta. Sujuvan liikkumisen mallia onkin otettu niin meduusoilta kuin tuhatjalkaisiltakin.

Robotin kolme tapaa kulkea elimistössä

Elimistö on vaikeakulkuinen ympäristö, mutta tutkijat ovat löytäneet ratkaisun.

Kemisti koneenrakentajana

Jos potilaalla on ihottumaa poskessa, voidetta ei levitetä koko kasvoihin. Jos sen sijaan vaiva onkin sisäelimissä, täsmähoito on paljon vaikeampaa.

Esimerkiksi syöpähoidossa käytettävät lääkkeet vaikuttavat koko elimistöön eli yhtä lailla terveisiin soluihin kuin itse kasvaimeen.

Tutkijat ovatkin jo pitkään yrittäneet saada aikaan nanorobotteja, jotka pääsisivät hoitamaan niitä sisäisiä vaivoja, joihin kirurgi tai muu lääkäri ei yllä.

Iso kompastuskivi on ollut se, miten nanolaitteet saadaan niin tarkoiksi, että ne eivät vahingoita terveitä kudoksia.

Bernard Feringa sai vuonna 2016 Nobelin kemianpalkinnon molekyylimoottorista, jonka hän kehitti vuonna 1999. Keksintö on nykyisten mikrorobottien perusta.

© Jeroen Van Kooten/University of Groningen/AFP/Ritzau Scanpix

Ongelman ratkaisu alkoi hahmottua, kun alankomaalainen kemisti Bernard Feringa vuonna 1999 keksi niin sanotun molekyylimoottorin.

Hän sai keksinnöstään kemian Nobel-palkinnon vuonna 2016. Molekyylimoottori koostuu kahdesta molekyylistä, joita yhdistää akseli ja jotka molemmat pyörivät akselin ympäri.

Kun moottoriin osuu ultraviolettivalonsäde, josta moottori saa energiaa, se pyörähtää puolikkaan kierroksen.

Molekyylit keräävät valosta energiaa, ja lopulta ne voivat pyöriä akselinsa ympäri kolme miljoonaa kierrosta sekunnissa.

Feringan keksintö osoitti, että mikroskooppisen pienten laitteiden toimintaa on mahdollista ohjata erittäin tarkasti säätelemällä niiden energiansaantia.

Sittemmin tekniikka on kehittynyt, ja nyt valmiina alkaa olla iso joukko nano- ja mikrorobotteja.

Meduusa annostelee lääkkeen

Meduusa on toukkavaiheessaan – eli polyyppivaiheen ja täysikasvuisuuden välillä – ruumiinrakenteeltaan hyvin yksinkertainen.

Sillä on kahdeksan siipimäistä uloketta, joita se liikuttaa vedessä ylös ja alas. Niiden liike tuottaa työntövoimaa, jolla meduusa pääsee eteenpäin, mutta samalla veteen syntyy pyörrevirtauksia.

Juuri meduusan toukka toimi inspiraation lähteenä robottitutkija Metin Sittille, joka toimii saksalaisessa älykkäiden järjestelmien Max Planck -instituutissa Stuttgartissa.

Hän on kehittänyt nanorobotin, jonka tehtävänä on toimittaa lääkeannos juuri oikeaan paikkaan elimistössä.

Sittin meduusarobotissa lääke ei ole kiinni koukulla tai muullakaan mekanismilla, sillä robotti ei edes koske lastiinsa. Sen sijaan lääkelasti kulkee sen mukana pyörteiden avulla.

Kun meduusarobottiin syötetään energiaa sähkömagneeteilla, se liikuttaa siipiään ylös ja alas.

Mitä enemmän energiaa se saa, sitä kovempaa se räpyttelee siipiään. Jokainen siivenlyönti synnyttää sen alla pyörteen. Säätelemällä siivenlyöntien voimakkuutta saadaan pyörteet sellaisiksi, että ne pitävät kuorman paikoillaan robotin alla.

Meduusan toukkavaiheen tavoin liikkuva nanorobotti toimittaa lääkkeen tarkalleen oikeaan paikkaan elimistössä. Itse lääkeainepakkaus kulkee robotin perässä ja pysyy kyydissä pyörteiden avulla.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Ilmakupla kelluttaa robottia

Robottimeduusa on tehty 0,065 millimetrin paksuisesta magneettisesta neodyymi-rauta-boorilevystä. Kun robotti pannaan nesteeseen, sen keskelle asetetaan ilmakupla, jonka avulla se kelluu veden alla.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Magneetit ohjaavat robottimeduusaa

Robottia ohjaa magneettikenttä, joka luodaan potilaan ympärillä olevilla rengasmaisilla sähkömagneeteilla. Robotin vauhti ja suunta muuttuvat, kun magneettikentän voimakkuutta lisätään tai heikennetään. Näin se saadaan liikkumaan haluttuun suuntaan elimistössä.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Magneettikenttä saa siivet räpyttämään

Magneettikentän voimakkuus vaihtelee 10 milliteslan (mT) ja −10 milliteslan välillä. Kun magneettikentän voimakkuutta vähennetään, robotin siivet laskeutuvat ja painavat nestettä taaksepäin, jolloin robotti työntyy eteenpäin. Kun voimakkuutta lisätään, siivet taas nousevat.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Pyörteet pitävät lääkelastin kyydissä

Kun robotti liikuttelee siipiään, nesteeseen syntyy pyörteitä. Siipien liikkeitä ohjaamalla voidaan säädellä myös pyörteitä niin, että robotin kuljettama lääkelasti pysyy mukana sen perässä. Kun robotti on määränpäässään, lasti irrotetaan ja lääkeaine kulkeutuu kohteeseensa.

Robottiparvi porautuu silmään

Useimmat lääkärin töihin suunnitellut nanorobotit on tehty uimaan ruumiinnesteissä tai kulkemaan kehon onkaloissa, kuten suolistossa tai virtsateissä.

Fysikaalisen kemian professori Peer Fischer, joka myös toimii Max Planck -instituutissa Stuttgartissa, sen sijaan tähtää korkeammalle.

Hän suunnittelee nanorobotteja, joiden tehtävänä on tunkeutua potilaan silmään. Silmälääkkeet tehoavat yleensä hitaasti, ja niiden vaikutusta on hankala kohdistaa tarkasti.

Esimerkiksi silmänpainetaudin hoitoon käytettävä lääke vaikuttaa koko silmään, vaikka painetta pitää vähentää vain silmän taimmaisessa osassa.

Fischerin ratkaisu on nanorobotti, jonka koko on 1/200 ihmisen hiuksen paksuudesta.

Robotit koostuvat magneettisista nikkeliatomeista, jotka on höyrystetty ja sitten annettu tiivistyä pienten piidioksidipallojen päälle. Tiivistyessään nikkelihöyry muodostaa kierukoita, jotka tarttuvat piipalloihin.

© Ken ikeda Madsen/Shutterstock

Nanoruuvi poraa lääkkeen suoraan silmään

Max Planck -instituutissa Saksassa kehitetty nanorobotti vie lääkeaineen silmään nopeammin ja tarkemmin kuin tavanomaiset lääkemuodot. Piidioksidipallot sisältävät lääkettä, joka viedään paikalleen silmän läpi kiertyvällä nikkeliruuvilla.

Näitä pallomaisia nanorobotteja Fischer aikoo lähettää ihmisen silmään annostelemaan lääkettä. Hänen menetelmäänsä on jo testattu sian silmässä, johon Fischer ruiskutti 10 000 nanorobotin laivueen.

Hän ohjaili robottiparven liikkeitä magneeteilla ja saikin vietyä sen verkkokalvolle silmämunan takapinnalle.

Matkaan kului nanoroboteilta puoli tuntia. Tavallisen silmätippoina annetun lääkkeen taival silmän verkkokalvon ja lasiaisnesteen läpi verkkokalvolle olisi kestänyt kymmenen kertaa niin kauan.

Robottiparvi tuhoaa kasvaimen

Useimmat lääketieteelliset nanorobotit ovat vasta kokeiluvaiheessa ja niitä on testattu vain kuolleessa kudoksessa, mutta osa on ehtinyt eläinkoevaiheeseen.

Yhtä tällaista kehittää Wei Gao Kalifornian teknillisessä korkeakoulussa. Sen tehtävänä on tunkeutua syöpäkasvaimeen ja tuhota se.

Tuhoajarobotti koostuu 0,1 millimetrin levyisestä mikrokapselista, jonka sisällä voi olla kymmenen solumyrkyllä päällystettyä nanomoottoria. Mikrokapseli ohjataan ultraäänellä kiinni kasvaimeen.

Kun se on perillä, siihen ammutaan lasersäde, joka rikkoo kapselin. Laservalo myös käynnistää vapaaksi päässeet nanomoottorit, jotka alkavat pyöriä, ja pitää ne paikoillaan. Pyörimisliike nopeuttaa solumyrkyn vapautumista ja siten kasvaimen tuhoutumista.

Robotteja joka lähtöön

Kehitteillä on iso joukko muitakin nanorobotteja eri puolilla maailmaa. Toiset kipuavat suolen seinämää kuin toukat, ja toiset laskostuvat kuin japanilaiset origamit kuljettaessaan lääkekuormaansa elimistössä.

Vaikka nanorobottien tehtäväkenttä lääketieteessä kasvaa koko ajan, niiden liikkumistavat ovat edelleen hyvin rajalliset. Kukin robotti osaa vain ryömiä, uida tai porautua kudoksiin.

Ensimmäinen molekyylimoottori pyöri 3 miljoonaa kierrosta sekunnissa.

Tutkimus onkin vähitellen siirtymässä nanolaitteisiin, jotka pystyvät liikkumaan kaikenlaisissa elimistön ympäristöissä.

Esimerkiksi Max Planck -instituutissa on kehitteillä robotti, joka osaa uida, ryömiä, kiivetä, pyöriä ja hyppiä.

Vieläkään ei tosin täysin varmasti tiedetä, tekisivätkö nanokoneet enemmän haittaa kuin vaivat, joita niillä yritetään hoitaa.

Siksi tarvitaan vielä paljon testejä, ennen kuin nanorobotit pääsevät tositoimiin.