Robótica a su mínima expresión: nanobots
Los robots creados a escala nanométrica son una de las grandes promesas en la medicina del futuro y la ingeniería espacial
En una conferencia llamada Hay mucho sitio al fondo (There's Plenty of Room at the Bottom), el físico teórico estadounidense Richard Feynman vaticinó en 1959, frente a la Sociedad Norteaméricana de Física, que un día sería posible construir máquinas tan diminutas que estarían formadas por unos cuantos átomos. Sesenta años después de ese momento en que el imaginario colectivo intentaba visualizar los nanorobots o nanobots, la idea se ha posado en territorio tangible: los robots creados a escala nanométrica son una de las grandes promesas en la medicina del futuro y la ingeniería espacial.
Empecemos por tratar de visualizar el universo en el que estamos inmersos cuando se aproxima a nosotros el término “nano”. Un nanómetro equivale a la millonésima parte de un milímetro y se considera que una nanopartícula tiene dimensiones que van desde un nanómetro hasta cien. La imaginación debe trabajar a toda marcha porque es un mundo al que la percepción cotidiana no accede con facilidad, pero sus alcances han convertido a estas partículas mínimas en las grandes protagonistas de la revolución científica y tecnológica de los últimos tiempos. Ocho premios Nobel se han entregado a investigaciones ligadas a la nanotecnología y entre las diez tecnologías que prometen transformar al mundo se encuentra precisamente ésta.
La medicina del futuro
Ahora que se puede acceder a los secretos de la materia, controlando tamaños, formas y número de partículas, las posibilidades parecen abrirse de manera ilimitada. Hasta 30% de las tecnologías de alto impacto que han surgido en las últimas dos décadas tienen que ver con el imperio nano y uno de los campos más prometedores es el de la robótica.
¿Cómo se relacionan estas dos áreas? La robótica es la rama de la tecnología dedicada al diseño, construcción, manufactura y operación de dispositivos que funcionan de manera automática realizando trabajos complejos para los humanos; mientras que la nanotecnología explora y manipula la materia a una escala menor que un micrómetro. Es así que los nanorobots o nanobots son en realidad estructuras a nivel molecular diseñadas para realizar tareas imposibles para los humanos. Aunque la mayoría de los proyectos de nanobots todavía están en fase de investigación y desarrollo, albergan grandes esperanzas en áreas como la tecnología médica.
En todo el mundo hay laboratorios ideando instrumentos de utilidad con estructuras moleculares, como el caso del Laboratorio del Doctor Shawn M. Douglas en la Universidad de California en San Francisco. El investigador define su principal trabajo como la construcción de biomoléculas, especialmente ADN y proteínas, como material para crear herramientas y dispositivos novedosos a nanoescala. Para realizar esta labor se realiza una especie de trabajo de papiroflexia, es decir, doblar cuidadosamente moléculas para que después puedan ser desplegadas para una misión específica. Precisamente el trabajo de este laboratorio es uno de los referentes para un proyecto del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de China y el Centro de Diseño Molecular de la Universidad de Arizona que ha dado la vuelta al mundo. Los científicos de estas instituciones crearon ultrapequeños robots con la misión de localizar y destruir tumores. Mediante modelos animales, la misión de los nanobots fue, a grosso modo, bloquear el suministro sanguíneo de un tumor principal, lo que además de resultar efectivo para inhibir su desarrollo, evitó la metástasis.
El tamaño de los nanobots, que pueden ocupar desde las dimensiones de un virus o de una bacteria, los hace muy útiles para entrar en el cuerpo humano con mayor facilidad y realizar múltiples tareas como destapar una arteria, aplicar puntualmente fármacos y combatir células cancerosas. Se dice que la última gran fase de la evolución de la nanotecnología será el desarrollo de la autoreplicación y la incorporación de Inteligencia Artificial (IA), aspectos que podrían conferirle a los nanobots el plus necesario para cambiar la historia de la humanidad.
La autoreplicación de estos dispositivos a escala nanométrica es clave para la efectividad de tratamientos masivos o al menos para pensar en robots que mantengan una misión a largo plazo en un organismo humano o en otro ambiente. Por otra parte, la evolución de la Inteligencia Artificial será clave para su consolidación, pues cada uno de estos pequeños robots deberá ser capaz de detectar una alteración y resolver un problema con la finalidad para la que fueron programados.
Aunque la mayoría de estos nanobots son sólo prototipos, se espera que a mediano plazo se puedan empezar a usar en seres humanos como una herramienta común para curar enfermedades contra las que no se ha podido ganar la batalla, como el cáncer.
Más allá de la robótica, la nanotecnología ya se emplea en diferentes áreas en nuestra vida cotidiana, como fibras que pueden resistir el ataque de una bala o que cambian de color si detectan un cambio en la temperatura corporal. La industria textil también ha unido las propiedades de la nanotecnología y el biomimetismo para copiar la estructura molecular de algún modelo o sistema de la naturaleza, como por ejemplo las peculiaridades de la piel del tiburón para la creación de trajes de baño que hacen que el nadador se desplace mejor, literalmente como pez en el agua.
En esta misma industria, la nanotecnología o manipulación de los materiales a escala atómica también ha dado frutos en prendas con propiedades antimicóticas y antiodoríficas, sobre todo útiles para deportistas de alto rendimiento o en misiones especiales donde no se accede con facilidad a un cambio de ropa. Estas cosas podrían parecer triviales, pero paulatinamente han provocado una revolución en el mundo cotidiano que nos involucra paso a paso en el imperio nanométrico.
Agua limpia y conquistas planetarias
Regresando a las funciones de los nanobots, éstos también están demostrando ser útiles en otras áreas más allá del interior del organismo humano. Por ejemplo, estos pequeñísimos robots también tienen cualidades para purificar el agua gracias a estructuras de magnesio y algunos tipos de metales.
En el estudio llamado Microrobots decorados con nanopartículas de plata matan bacterias en medios líquidos, trabajado por el grupo Smart Nano Bio-Devices del Instituto de bioingeniería de Cataluña (IBEC), se apuesta por una nueva alternativa para lidiar con un problema de salud pública en el mundo: la contaminación del agua potable.
Este tipo de contaminación puede causar patologías potencialmente mortales. Según datos de la OMS, en todo el mundo al menos 2 mil millones de personas se abastecen de una fuente de agua potable que está contaminada por heces. El agua contaminada puede transmitir enfermedades como diarrea, cólera, disentería, fiebre tifoidea y poliomielitis.
Aunque el cloro u otros agentes químicos pueden ayudar a desinfectar el agua, algunas bacterias y otros microorganismos son muy resistentes y resultan difíciles de eliminar. Además, en ocasiones los componentes de estos desinfectantes pueden ser perjudiciales para la salud humana.
El grupo Smart Nano-Bio-Devices se ha vuelto un referente en el desarrollo de nanorobótica. Especialistas de este centro diseñaron pequeños robots que pueden sumergirse en el agua y limpiar a su paso las bacterias causantes de enfermedades como E. coli. Estos robots son diseñados como partículas esféricas con dos hemisferios diferenciados. Una mitad está formada con magnesio y reacciona con el agua para producir burbujas de hidrógeno que propulsan los robots. La otra cara está formada por capas alternas de hierro y oro cubiertas por nanopartículas de plata.
Los ensayos en el laboratorio mostraron que los microbots pueden navegar a través del agua durante unos 15 a 20 minutos y, en este tiempo, son capaces de atrapar más del 80% de las bacterias E. coli en agua con altas concentraciones. Los microbots pueden ser recogidos fácilmente con un imán gracias a las propiedades magnéticas del hierro sin dejar ningún residuo en el agua. Este tipo de instrumentos podrían darle una nueva cara a las tecnologías de purificación.
Pero no sólo en la Tierra los nanobots abren nuevas puertas. Las misones espaciales utilizan en muy diversas áreas las bondades de la nanotecnología. Las líneas de investigación de la NASA son muy diversas y centradas en sensores, electrónica, computación y materiales funcionales. Trabajan en varios proyectos de nanobots que integran sensores ultrapequeños para mediciones y análisis de superficies.
Los rovers que actualmente exploran Marte sólo pueden examinar pequeñas áreas a una muy baja velocidad, así que el próximo escalón sería poder desplegar un conjunto de diminutos nanobots, (con el carácter de enjambre que los caracteriza), y que sean capaces de desplazarse rápidamente a través de los rincones del planeta, incluso flotando por su atmósfera, para explorar grandes franjas de estos nuevos territorios en forma rápida para evaluar sus superficies y atmósferas con detalle a nivel molecular.
En la ciencia ficción se ha alertado del riesgo que supondría que en el futuro estas nanomáquinas comenzaran a replicarse por sí solas y se convirtieran en un virus, pero en la realidad estos fascinantes híbridos entre biología e ingeniería sólo deben ser optimizados hasta empatar a la perfección con la naturaleza humana.