ナノロボット: 血流の中の機械

「地下にはまだたくさんの宇宙がある」 – 多くの科学者によれば、1959 年に物理学者リチャード・ファインマンが講演したこの言葉がナノテクノロジー時代の到来を告げたという。 「地上」とは、特にスケールの小さい世界を指します。ナノメートルは 10 億分の 1 メートルで、0.000000001 メートルという数字で表されます。これは、いくつか比較するとさらに理解できるでしょう。メートルと比較すると、ナノメートルは地球にとっては大理石のようなものです。ナノメートルはアリの長さの100万分の1です。紙の厚さは約 100,000 ナノメートルです。赤血球の直径は 8,000 ナノメートルです。 DNA二重らせんの直径は2.5ナノメートルです。

体内の小さな機械のビジョン

1959 年、ファインマンは、原子レベルで物質を操作し、小さな空間に保存されたデータを操作できる小さな機械のビジョンで聴衆を興奮させました。その後数年、数十年にわたり、神秘的なナノワールドのアイデアは数多くの架空の物語に取り入れられました。人体への機械の侵入は特に興味深いように思えました。最もよく知られた例の 1 つは、おそらく 1966 年の映画「ファンタスティック ヴォヤージュ」(ドイツ語タイトル:「 Die phantastischen Reise 」)でしょう。この映画では、潜水艦とその 5 人の乗組員が、船内の血栓を除去するために縮小されます。亡命した東側諸国の科学者の頭脳。ミニチュアの人々は自ら行動を起こし、白血球と格闘していましたが、後の物語では自律型ロボットが制御を引き継ぎました。スタートレックのナノプローブを思い出してください。サイボーグ種のボーグは、これを使って個人を集団の中で思慮のない労働者に変えます。

ナノロボットは病気と闘うはずだ

今日に至るまで、ナノロボットが人々の最も小さな領域の修理や改善を実行できるという考えは依然として魅力的です。 Googleのチーフエンジニア、レイ・カーツワイル氏は、ナノロボットは2029年までに人間の病気と闘い、さらには老化の進行を遅らせるほどに進歩するだろうと確信している。もちろん、ナノロボットは、人々とインターネットを接続するというこれまで知られていなかった可能性も可能にするはずです。 2045年以降は不老不死が標準となります。

大きな可能性

このようなアイデアと実践の間には、依然として大きな隔たりがあります。ナノロボットまたはナノテクノロジー一般に起因する可能性は依然として巨大です。 「Research and Markets」の市場調査員らは、ナノテク産業が2020年までに約685億ユーロの売上を生み出すだろうと想定している。しかし、主な製品はミニ潜水艦ではありません。少なくとも、ドライブ、コンピューター、センサー、計器、そしておそらく人工知能さえも統合された、皆さんが想像するようなものではありません。現在の研究は、樽型の輸送容器、泡立つチューブ、磁気コルク栓抜き、または調製された脂肪球など、はるかに平凡に見えるものに焦点を当てています。

いずれにせよ、マクロの世界のロボットのように、ナノやマイクロの範囲で以前に開発されたことを想像することはできませんが、それでもロボットです。人間によって開発され、事前にプログラムされた使命を独立して実行する機械です。カリフォルニアの生化学者マイケル・セイラー氏によると、ナノロボットには3つのルールがあるという。まず、派遣された場所に行きます。 2つ目は、言われたことを実行することです。第三に、汚れを残さず消えてください！

回転螺旋による移動

つまり、最初は動きについて、次に特定の使命について、そして最後に人々への無害性についてです。 ETHチューリッヒ工科大学では、いわゆる「ナノスイマー」の研究が行われています。これらは、赤血球の約 2 倍の大きさの小さな磁気螺旋です。 「大腸菌はこれらの小型ロボットのインスピレーションの源となっています」とスイス大学マルチスケールロボット研究室のフランツィスカ・ウルリッヒ氏は説明する。細菌は、鞭毛と呼ばれる回転鞭毛を使用して液体中を移動します。

「マクロの世界のような次元では同じ力が働いていますが、異なる力の間の関係はまったく異なります」とウルリッヒ氏は言う。前後に揺れるヒレを備えたナノロボットは動きません。しかし、回転スパイラルがあれば進歩することができます。ナノスイマーのスパイラルを回転させるために、体の外部で電磁石が使用されます。これらは、ナノスイマーを一方向に駆動する回転する弱い磁場を生成します。磁場を変えるとリバースギアを入れることができます。

磁気により精度が保証されます

この例は、ナノロボットに効果的な駆動力を与えるにはコツが必要であることを示しています。現在、磁気は実用的な選択肢です。電磁石はナノサイズまで縮小する必要はありません。フランツィスカ・ウルリッヒは、博士論文の一環として、生きた目の中の磁石の動きを研究しました。小さな磁気シリンダーがウサギの目に注入され、硝子体内で動かされました。小さなシリンダーにはいつか薬剤が充填され、使用場所まで正確に輸送されることになります。磁気を使用すると、自由浮遊ロボットだけでなく、小さなカテーテルも正確に制御できます。 「医師は、必要に応じて体から引き出せる器具を好むのです」とウルリッヒ氏は言う。

化学ドライブ

磁気モーターとは別に、化学ドライブの研究も行われています。たとえば、シュトゥットガルトのマックス プランク インテリジェント システム研究所は、ナノスケールのロケット エンジンの一種を開発しました。これは二酸化ケイ素でできた直径220ナノメートルのナノチューブです。チューブは、尿素をアンモニアと二酸化炭素に分解する酵素ウレアーゼでコーティングされています。反応生成物は尿素含有液体内に流れを引き起こし、チューブを加速します。小さなノズルに特定の形状を与えることで、流れの方向が決まります。香港大学の研究者は、エネルギー源として光を使用するナノロボットを開発した。光電効果を利用して、光源に向かって推進するフィールドを作成します。

サプライズエッグのような構造

人間の血液循環を利用するナノロボットはすべて、ドライブについて心配する必要がありません。それらは体のほぼすべての領域に届けられます。これらのロボットの目的は、自分がどこにいるのか、目的地に到着したら何をする必要があるのか​​を正確に把握することです。これらのロボットは、現在最も集中的に研究されているロボットでもあります。 「その構造は、驚きの卵のようなものだと想像できるでしょう」と、ナノテクノロジー ネットワークBioNanoNetのマネージング ディレクターであり、国家テクノロジー プラットフォームである NanoMedicine-Austria のコーディネーターであるアンドレアス フォーク氏は言います。

「外側には体に優しいチョコレートの層があります。内部には薬物が充填されたカプセルがあります。ナノトランスポーターが目的の場所に到達すると、その外側の受容体が標的組織と相互作用し、カプセルが開いて薬物が放出されます。」このタイプのナノロボットは主に癌腫瘍と戦うために使用されます。フォーク: 「腫瘍細胞には、ナノキャリアが正確に適合する受容体があります。カプセルは鍵と鍵の原理を使って開けられます。輸送容器自体は脂肪球 (リポソーム) またはタンパク質であることがよくあります。」しかし、それらは DNA で構成されている場合もあります。この分子は、遺伝情報の伝達体としてだけでなく、建築材料としても適しています。米国のハーバード大学の研究者は、これを使用して、腫瘍細胞を特異的に攻撃できるナノフォーマットの薬物容器を形成しました。

ナノテクノロジーにより副作用を確実に軽減できる

医薬品を目的地に届けるためにナノロボットを使用したいという単純な理由があります。それは、患者の忍容性を向上させるためです。患者が飲み込んだり注射によって投与された多くの薬剤は全身に広がり、時には重篤な副作用を引き起こすことがあります。 「例えば、化学療法は重度の吐き気、脱毛、さらには骨密度の減少を引き起こします」とアンドレアス・フォークは言う。ナノロボットの使用により、標的を絞った方法で薬剤を投与できます。投与量を減らし、敏感な部位を避け、副作用を最小限に抑える必要があります。

「これにより、人々は可能な限り最高の生活の質を得ることができます」とフォーク氏は確信しています。 「現在、錠剤を服用した後は、追加の胃保護具を服用する必要があることがよくあります。ナノキャリアの場合、すでに保護カバーが取り付けられています。ナノレベルでの表面処理により、ナノロボットは「一種のステルス爆撃機のように」体内を滑空することができます。 BioNanoNet ネットワークは研究者と協力して、ナノキャリアが可能な限り互換性があり、人間に無害であることを保証しています。

プローブは早期に警告します

フォーク氏によると、ナノロボットを将来さらに強力にするために、現在多くの準備作業が行われているという。たとえば、ナノロボットが血流中に浮遊し、潜在的に危険な身体の変化を検出するセンサーとして使用されることが予測されます。動脈が狭くなったり、腫瘍が成長したりした場合、ナノロボットがこれを検出し、問題のある領域にマークを付けて、磁気共鳴検査などですぐに発見できるようにすることができます。近い将来、ナノロボットからの健康警告がスマートフォンのポップアップ メッセージとして表示されるとは予想されていません。

手術ロボット

Franziska Ullrich 氏と Andreas Falk 氏は両方とも、低侵襲手術の将来のビジョンについても述べています。フォーク: 「患者が一人も残っていない手術室に運び込まれると想像します。患者は以前に高解像度の診断装置で検査され、ナノスケールで個々の細胞を除去できるほど正確なロボットによって手術が行われています。」これらは障害物を独立して認識し、オペレーターの介入なしに障害物を回避できます。

精神疾患にも使われる

ナノロボットに関するもう 1 つの将来シナリオは、特定のトリガーに基づいて症状を自動的に治療することです。イスラエルの研究者は、電磁放射線にさらされると薬剤を放出するナノキャリアを開発した。被験者にはEEGキャップが装着され、特定の脳活動中に電磁石が作動しました。実験では、被験者は数学的な課題を解決するように指示されました。

しかし、研究者らは、将来的には、統合失調症やうつ病などの精神疾患に関連した脳活動を検出できるようになる可能性があると考えている。このようにして、患者は自動治療を通じて特定の症状と戦うことができます。

生体電子インプラント

製薬会社グラクソ・スミスクラインは、一種のカフとして神経束に配置される生体電子インプラントを研究しています。インプラントは、神経信号を遮断して変更することを目的としています。このようにして、喘息患者のけいれんは軽減されるはずです。インプラントのプログラムを変更することで、他のさまざまな病気を治療できます。薬の服用はある程度代替可能です。錠剤サイズのプロトタイプはすでにラットでテストされています。しかし、人間への応用はまだ遠い将来です。非常に複雑な人間の神経系はまだ十分に研究されていません。さらに、小型コンピュータ、エネルギー源、通信装置など、生体電子インプラントに必要となる特定のコンポーネントは、現在では大きすぎます。

聖杯としてのがん治療

リチャード・ファインマンとその後のナノテクノロジーの先駆者キム・エリック・ドレクスラーが予見したように、レゴブロックのように原子を組み立て、自己複製して人体のあらゆる健康問題を解決するナノロボットの研究には、まだ長い道のりがある。 「意図された方法は、必ずしも現実的または賢明なものではありません」とフランツィスカ・ウルリッヒ氏は確信しています。 「私はがん治療がナノロボティクスの聖杯だと考えています。ロボットにグリッパーアームが装備されるということではありません。腫瘍の周囲に定住して標的薬剤を投与するナノロボットの群れを作る方が合理的だろう。これは将来的には化学療法の代替として使用される可能性があります。しかし、それはビジョンです。私たちはまだそこに到達していません。」

この記事は、mirai.click に初めて掲載されました。

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