Científicos Desarrollan Tecnología De Propulsión Eléctrica Para Nanorobots

Investigadores desarrollan tecnología de propulsión eléctrica para nanorobots

Los campos eléctricos impulsan la nano-grúa giratoria, 100.000 veces más rápido que los métodos anteriores. Imagen: Enzo Kopperger / TUM

Los científicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) han desarrollado una nueva tecnología de propulsión eléctrica para nanorobots. Permite que las máquinas moleculares se muevan cien mil veces más rápido que con los procesos bioquímicos utilizados hasta la fecha. Esto hace que los nanobots sean lo suficientemente rápidos como para realizar trabajos de línea de montaje en fábricas moleculares. Los nuevos resultados de la investigación aparecieron hoy en la portada de la reconocida revista científica Science.

Arriba y abajo, arriba y abajo. Los puntos de luz se alternan de un lado a otro al mismo tiempo. Son producidos por moléculas brillantes fijadas a los extremos de pequeños brazos robóticos. El profesor Friedrich Simmel observa el movimiento de las nanomáquinas en el monitor de un microscopio de fluorescencia. Un simple clic del mouse es todo lo que se necesita para que los puntos de luz se muevan en otra dirección.

“Mediante la aplicación de campos eléctricos, podemos rotar arbitrariamente los brazos en un plano”, explica el director de la Cátedra de Física de Sistemas Biológicos Sintéticos de TU Munich. Su equipo ha logrado por primera vez controlar los nanobots eléctricamente y al mismo tiempo ha establecido un récord: la nueva técnica es 100.000 veces más rápida que todos los métodos anteriores.


Microscópico película de tres nano-grúas en funcionamiento: primero, movimiento difusivo sin campo eléctrico externo, segundo: cambio entre dos direcciones, tercero: rotación. Crédito: Enz Kopperger / TUM / Science

ADN -Robots Origami para las plantas de fabricación del mañana

Científicos de todo el mundo están trabajando en nuevas tecnologías para las nanofábricas del futuro. Esperan que algún día se utilicen para analizar muestras bioquímicas o producir agentes médicos activos. Las máquinas en miniatura necesarias ya se pueden producir de forma rentable utilizando la técnica de origami de ADN.

Una de las razones por las que estas máquinas moleculares no se han implementado a gran escala hasta la fecha es que son demasiado lentas. Los componentes básicos se activan con enzimas, hebras de ADN o luz para luego realizar tareas específicas, por ejemplo, para recolectar y transportar moléculas.

Sin embargo, los nanobots tradicionales tardan minutos en realizar estas acciones, a veces incluso horas. Por lo tanto, las líneas de ensamblaje molecular eficientes no pueden, a todos los efectos prácticos, implementarse utilizando estas metodologías.

Aumento de velocidad electrónico

“La construcción de una línea de montaje nanotecnológica requiere un tipo diferente de tecnología de propulsión. Se nos ocurrió la idea de eliminar completamente la conmutación de nanomáquinas bioquímicas en favor de las interacciones entre las estructuras de ADN y los campos eléctricos ”, explica el investigador de TUM Simmel, que también es co-coordinador de la Iniciativa de Nanosistemas de Clúster de Excelencia de Múnich (NIM).

El principio detrás de la tecnología de propulsión es simple: las moléculas de ADN tienen cargas negativas. Por tanto, las biomoléculas se pueden mover aplicando campos eléctricos. Teóricamente, esto debería permitir que los nanobots hechos de ADN sean dirigidos utilizando campos eléctricos.

Investigadores desarrollan tecnología de propulsión eléctrica para nanorobots

Rotación del brazo entre dos puntos de atraque (rojo y azul). Imagen: Enzo Kopperger / TUM

Movimiento robótico bajo el microscopio.

Para determinar si los brazos del robot se alinearían con un campo eléctrico y con qué rapidez, los investigadores colocaron varios millones de brazos de nanobot en un sustrato de vidrio y lo colocaron en un soporte de muestra con contactos eléctricos diseñados específicamente para ese propósito.

Cada una de las máquinas en miniatura producidas por el autor principal Enzo Kopperger consta de un brazo de 400 nanómetros unido a una placa base rígida de 55 por 55 nanómetros con una junta flexible hecha de bases no emparejadas. Esta construcción asegura que los brazos puedan girar arbitrariamente en el plano horizontal.

En colaboración con especialistas en fluorescencia encabezados por el profesor Don C. Lamb de la Universidad Ludwig Maximillians de Múnich, los investigadores marcaron las puntas de los brazos del robot utilizando moléculas de tinte. Observaron su movimiento usando un microscopio de fluorescencia. Luego cambiaron la dirección del campo eléctrico. Esto permitió a los investigadores alterar arbitrariamente la orientación de los brazos y controlar el proceso de locomoción.

“El experimento demostró que las máquinas moleculares pueden moverse y, por lo tanto, también impulsarse eléctricamente”, dice Simmel. “Gracias al proceso de control electrónico, ahora podemos iniciar movimientos en una escala de tiempo de milisegundos y, por lo tanto, somos 100 000 veces más rápidos que con los enfoques bioquímicos utilizados anteriormente”.

De camino a una nanofábrica

La nueva tecnología de control es adecuada no solo para moverse alrededor de moléculas de colorante y nanopartículas. Los brazos de los robots en miniatura también pueden aplicar fuerza a las moléculas. Estas interacciones se pueden utilizar para el diagnóstico y el desarrollo farmacéutico, enfatiza Simmel. “Los nanobots son pequeños y económicos. Millones de ellos podrían trabajar en paralelo para buscar sustancias específicas en muestras o para sintetizar moléculas complejas, algo parecido a una línea de montaje.

Publicación: Enzo Kopperger, et al., “Un brazo robótico a nanoescala autoensamblado controlado por campos eléctricos”, Science 19 de enero de 2018: Vol. 359, número 6373, págs. 296-301; DOI: 10.1126 / science.aao4284

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