4 Nanorobôs: Onde estamos hoje e seu futuro

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1 4 Nanorobôs: Onde estamos hoje e seu futuro

2 Já vimos nos capítulos anteriores que: é indiscutível o facto de que nanorobôs (nanorobots) encontrarão as suas primeiras aplicações nas Ciências Médicas. Os nanorobôs (nanorobots) serão capazes de reparar, a um nível molecular, tecidos lesionados, deteriorados ou doentes. O sistema circulatório será uma auto-estrada natural para estes nanorobôs (nanorobots) e eles viajarão pela corrente sanguínea até as áreas danificadas ou em sofrimento onde serão usados para atacar células específicas, tal como células cancerígenas

3 Fora da medicina, a Nanotecnologia (Nanotechnology) irá também trazer desenvolvimentos na agricultura, na energia, na eletrónica, na investigação biológica, na informática, na manufatura de materiais, na engenharia eletrotécnica e em muitos outros campos. A Nanorobótica é, provavelmente, a ferramenta mais poderosa que a humanidade irá um dia criar. ( The Nanorobotics is, probably, the most powerful tool humanity will ever create. ) O futuro da Nanorobótica tem um potencial fabuloso

4 Vamos tentar apresentar aqui uma visão geral do trabalho que estão sendo desenvolvidos nos principais laboratórios e centros de investigação pelo mundo, e as aplicações potenciais que esta terão na saúde ( health ), na energia ( energy ), no ambiente ( environment ), na ciência dos materiais ( materials science ), no armazenamento de dados ( data storage ) e no processamento de dados ( data processing ).

5 Mas antes de explorar as inúmeras possibilidades da Nanotecnologia (Nanotechnology), vamos ver em mais detalhes alguns aspetos básicos. O que realmente significa Nanotecnologia (Nanotechnology)? Nanotecnologia (Nanotechnology) é a ciência, engenharia, e tecnologia conduzida na nano-escala, que é cerca de 1 a 100 nanómetros. Essencialmente, Nanotecnologia (Nanotechnology) é a manipulação e o controlo de materiais em um nível atómico e molecular.

6 Para termos uma perspectiva melhor, veja como podemos visualizar um nanómetro (10-9 m): um nanómetro é um milhão de vezes menor que o tamanho de uma formiga. a razão entre a Terra e um berlinde (de criança) é mais ou menos a razão de um metro para um nanómetro.

7 uma folha de papel é cerca de nanómetros de espessura. um glóbulo vermelho tem cerca de 7 a 8 nanómetros de diâmetro.

8 um segmento de ADN (DNA strand) tem 2,5 nanómetros de diâmetro.

9 Um nanorobô (nanorobot) portanto, é uma maquina que tanto constrói como manipula coisas de forma precisa a um nível atómico. Imagine um robô que pode montar e desmontar átomos como uma criança joga com o tijolos no LEGO. Um robô capaz de construir qualquer coisa a partir dos blocos de construção atómica ( atomic building blocks ) C, N, H, O, P, Fe, Ni e assim por diante). Algumas pessoas desvalorizam o futuro dos nanorobôs (nanorobots) dizendo que é ficção científica ( science fiction ).

10 Mas lembre-se que cada um de nós (humanos ou animais) estamos vivos hoje por causa de um número incontável de nanorobôs (nanorobots) operando dentro de cada um dos nossos bilhões de células. Eles têm nomes biológicos como a ribossoma (ribosome), mas eles são na verdade máquinas programadas com funções como ler mensagem RNA para criar uma proteína específica

11 Nós (humanos ou animais) possuímos nanorobôs (nanorobots) naturais, criados pela natureza na nossa evolução como seres vivos. Num futuro próximo podemos ter nanorobôs (nanorobots) artificiais, criados por nós, agindo tanto no interior do nosso organismo como fora, em variadas aplicações. Atomic structure of the 30S subunit from Thermus thermophilus. Proteins are shown in blue and the single RNA chain orange

12 Dito isto, é importante saber distinguir entre: Nanotecnologia (Nanotechnology), wet ou biológica que basicamente usa DNA e a maquinaria ( machinery ) da vida para criar estruturas únicas feitas de proteínas ou DNA como material de construção ( building material ) e uma Nanotecnologia (Nanotechnology) mais Drexleriana que envolve a construção de um aglomerador ( assembler ) ou seja, uma máquina que pode imprimir 3D com os átomos numa nano-escala e efetivamente criar qualquer estrutura que é termodinamicamente estável. Prof. Eric Drexler

13 Portanto, Nanotecnologia (Nanotechnology) é uma área fascinante e apaixonante e, visto ser tão poderosa para o futuro da humanidade, é algo que temos que acompanhar de perto. A seguir vamos explorar alguns dos diferentes tipos de investigação que estão sendo desenvolvidas na área de Nanotecnologia (Nanotechnology). Há nanorobôs (nanorobots) de tipos diferentes e para aplicações diversas. Aqui apresentamos apenas alguns.

14 Nanorobôs (Nanorobots): Onde estamos hoje e seu futuro

15 1. A menor máquina/engenho jamais um dia criado Um grupo de físicos da University of Mainz na Alemanha recentemente construíram a menor máquina/engenho jamais um dia criado a partir de apenas um átomo. Assim como qualquer outra máquina/engenho, ela converte calor ( heat energy ) em movimento mas o faz na menor escala jamais vista antes. O átomo é aprisionado em um cone de energia eletromagnética e lasers são usados para aquecê-los e refecê-los, o que causa os átomos se moverem para frente e para trás no cone como uma máquina/engenho com pistão ( engine piston ). Frictionless nano-rotor Molecular motor.

16 2. 3D-motion nanomáquinas (nanomachines) à partir de DNA Engenheiros mecânicos da Ohio State University fizeram o design e construíram peças mecânicas complexas em nano-escala usando DNA origami. Com isso provaram que os mesmos princípios básicos do design que se aplicam à peças de máquinas típicas de tamanho normal ( full-size ) podem agora ser também aplicados ao DNA. Ou seja, pode-se produzir componentes complexos e controláveis para futuros nanorobôs (nanorobots). A machine design (left) and a nanoscale emulation using DNA origami (transmission electron microscope image: right)

17 3. Nanonadadores (Nanoswimmers) Investigadores do ETH Zurich, na Suíça, e do Technion em Israel desenvolveram um nanonadador ( nanoswimmer ) elástico feito de nanofios (nanowire) de polypyrrole (Ppy) com cerca de 15 micrómetros (milionésimos de um metro) de comprimento e 200 micrómetros de largura. Estes nanonadadores ( nanoswimmers ) podem mover-se através de ambientes fluidos biológicos a quase 15 micrómetros por segundo Os nanonadadores ( nanoswimmers ) poderiam funcionar para libertarem medicamentos ( drugs ) e serem controlados magneticamente para nadarem através da corrente sanguínea para alvejarem células cancerígenas, por exemplo. Schematic of 3-link nanoswimmer with undulation motion driven by an oscillating magnetic field

18 4. Nano-engenho do tipo formiga ( ant-like ) Investigadores da University of Cambridge desenvolveram um engenho/ uma máquina minúscula capaz de uma força por unidade de peso aproximadamente 100 vezes maior que qualquer motor ou músculo. Os novos nano-engenhos poderão conduzir ao desenvolvimento de nanorobôs (nanorobots) suficientemente pequenos para entrar em células vivas (living cells) para combater doenças. Professor Jeremy Baumberg do Cavendish Laboratory, que liderou esta investigação, batizou estes dispositivos minúsculos de actuating nanotransducers (cuja sigla é ANTs, que significa formigas ). Assim como as formigas verdadeiras ( real ants ), elas produzem forças enormes para seu peso Exploding polymer-coated gold nanoparticles in the world s tiniest engine

19 5. Microrobôs do tipo espermas ( sperm-inspired microrobots ) Uma equipa de investigadores da University of Twente (Holanda) e da German University in Cairo (Egito) desenvolveram microrobôs inspirados em espermas ( sperm-inspired ), os quais podem ser controlados por campos magnéticos oscilatórios fracos ( oscillating weak magnetic fields ). Eles serão usados em micromanipulação complexas e em tarefas de terapia numa região do corpo. MagnetoSperm performs a flagellated swim using weak oscillating magnetic fields

20 6. Nanorobôs movidos por bactérias ( bacteria-powered robots ) Engenheiros da Drexel University desenvolveram um método para usar campos elétricos ( electric fields ) para ajudar nanorobôs movidos por bactérias microscópicas ( microscopic bacteria-powered robots ) a detetar obstáculos em seu ambiente e navegarem a volta do mesmo. Usos para estes nanorobôs incluem, por exemplo: o a libertação de medicamentos, o a manipulação de células estaminais ( stem cells ) direcionando o seu crescimento, ou o a construção de uma microestrutura Electric fields help microscopic bacteria-powered robots detect obstacles in their environment and navigate around them to get to their destination.

21 7. Nano-foguetes ( Nanorockets ) Diversos grupos de investigadores recentemente construíram uma versão em nano-escala de um foguete de alta velocidade, controlado remotamente ( nanoscale version of a rocket ) combinando nanopartículas com moléculas biológicas Os investigadores esperam desenvolver o nano-foguete de tal forma que poderá ser usado em qualquer ambiente; por exemplo, para libertar drogas para uma área alvo do corpo.

22 Sources / References: Nanorobots: Where we are today and why their future has amazing potential 1. Smallest engine ever created 2. 3D-motion nanomachines from DNA Nanoswimmers

23 Sources / References: 4. Ant-like nanoengine with 100x force per unit weight 5. Sperm-inspired microrobots 6. Bacteria-powered robots 7. Nanorockets Nanorockets (video)

24 Departamento de Engenharia Eletromecânica Obrigado! Thank you! Felippe de Souza