Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Nanorrobótica

Desafios e Aplicações

Fábio José da Silva Oliveira pg21802

João Rafael Pimenta de Matos pg21770

Mestrado em Engenharia Mecatrónica

Robótica

Coordenador: Estela Guerreiro Silva Bicho Erlhagen

Maio de 2013

2

"Os princípios da Física, como eu os entendo, não negam a possibilidade de manipular

as coisas átomo por átomo.

Os problemas da química e da biologia poderiam evitar-se se desenvolvermos a nossa

habilidade para vermos o que estamos a fazer, para então fazermos coisas ao nível atómico".

Richard Feynman, prémio Nobel da Física em 1965

“Carbono e diamantes, areia e os processadores de computadores, cancro e tecido

saudável; através da história, as variações na ordem dos átomos têm diferenciado o barato do

caro, o sadio do enfermo”.

K. Eric Drexler, primeiro Ph.D. do mundo em Nanotecnologia em 1991

3

Índice

1 Introdução .............................................................................................................................. 7

2 Nanotecnologia ...................................................................................................................... 8

2.1 Visão nanométrica ................................................................................................. 9

2.2 Construção à nanoescala .................................................................................... 11

3 Nanorrobótica ...................................................................................................................... 14

3.1 Primeira abordagem ............................................................................................ 15

3.2 Nanomateriais ..................................................................................................... 17

3.3 Nanossensores .................................................................................................... 17

3.4 Nanorrolamentos ................................................................................................. 17

3.5 Nanoengrenagens ............................................................................................... 17

3.6 Softwares de simulação ...................................................................................... 18

4 Marcos da nanotecnologia e da nanorrobótica ................................................................... 19

5 Nanorrobótica: Desafios e Aplicações................................................................................. 26

6 O reverso da medalha ......................................................................................................... 32

6.1 Implicações éticas e ambientais .......................................................................... 32

6.2 Cenários de fim do mundo .................................................................................. 32

7 Conclusão ............................................................................................................................ 34

4

Índice de figuras

Figura 1 – Comparação de estruturas à escala nano ‎[2] .............................................................. 8

Figura 2 – Diâmetro de nanopartículas de ouro e luz absorvida ‎[6] ............................................. 9

Figura 3 – Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, inventores do microscópio de efeito túnel ‎[13] ........ 10 Figura 4 – Representações didáticas de microscópios de efeito de túnel (esq.) e de força

atómica (dir.) ‎[15]‎[16] .................................................................................................................. 10

Figura 5 – Microscópio de efeito de túnel (esq.) e de força atómica (dir) ‎[17],‎[18] ..................... 11

Figura 6 – Fases de um processo de fotolitografia ‎[23] .............................................................. 11

Figura 7 – "IBM" escrito com átomos de xénon por cima de uma superfície de níquel ‎[25] ...... 12 Figura 8 – Exemplo de uma nanofábrica. A construção passa por sucessivas fases a diferentes

escalas, da esquerda para a direita, até obter-se o produto final ‎[26] ........................................ 12

Figura 9 – Lei de Moore e número de transístores ao longo do tempo ‎[29] ............................... 13

Figura 10 – Nanorrolamento ‎[47] ................................................................................................ 17

Figura 11 – Nanoengrenagens ‎[48] ............................................................................................ 18

Figura 12 – Imagens do software "NCD - Nanorobot Control Design" ‎[51], ‎[52] ........................ 18 Figura 13 – Nanotecnologia na antiguidade – Vitral da Catedral de Notre Dame, Paris, França

‎[54] ............................................................................................................................................... 19

Figura 14 – Richard Feynman na palestra “There’s plenty of room at the bottom”‎(1959)‎‎[56] .. 19

Figura 15 – Dr. K. Eric Drexler ‎[58] ............................................................................................. 20

Figura 16 – Fulereno - Buckyball com 60 átomos de carbono ‎[60] ............................................ 20

Figura 17 – Tipos de nanotubos de carbono: (A) Armchair; (B) Zigzag; (C) Quiral ‎[66] ............. 20

Figura 18 – Robô com 1mm de diâmetro e 14mm de comprimento (1/2”)‎‎[75],‎[76] ................... 21

Figura 19 – Nanocarros de James Tour ‎[79] .............................................................................. 22 Figura 20 – Simulação da máquina molecular de Andrew Turberfield a movimentar uma carga

‎[83] ............................................................................................................................................... 22 Figura 21 – Simulação de uma caixa de ADN, concebida para o transporte de carga

terapêutica. (a) caixa fechada; (b) caixa aberta através de uma "chave" específica de ADN ‎[85]

..................................................................................................................................................... 23

Figura 22 – Fotografia de nanorrobôs atacando células cancerígenas ‎[87] ............................... 23 Figura 23 – Linha de produção operada por nanorrobôs.(a) movimento do nanorrobô que

transporta as partículas de ouro; (b) imagens de um AFM demonstrando a evolução do

processo. ..................................................................................................................................... 24 Figura 24 – À esquerda: simulação de um STM a manipular o bit magnético; à direita: estados

‘0’‎e‎‘1’‎do‎referido‎bit. ................................................................................................................. 24 Figura 25 – Dispositivo de ADN em forma de concha. (a) e (b) medicamento ocluso; (c)

abertura da concha por contato com as células de leucemia e consequente libertação do

medicamento ‎[85] ........................................................................................................................ 25 Figura 26 – Nanorrobôs médicos navegando na corrente sanguínea ........................................ 26 Figura 27 – Diferentes tipos de nanorrobôs interagindo entre si numa cirurgia de remoção de

um tumor cancerígeno ................................................................................................................ 27 Figura 28 – Robôs limpadores das vias respiratórias. ................................................................ 27 Figura 29 – Nanorrobô hipotético acelerador de neurónios para tratamento de mongolismo

‎[106] ............................................................................................................................................. 28

Figura 30 – Nanorrobôs ligados a um glóbulo vermelho ‎[108],‎[109],‎[110] ................................. 28

Figura 31 – Nanorrobô ajudando na mobilidade de um espermatozoide ‎[112] .......................... 28

Figura 32 – Vasculóide – nanorrobô substituto dos glóbulos brancos capturando um vírus ‎[114]

..................................................................................................................................................... 29

5

Figura 33 – Nanorrobôs substitutos dos glóbulos brancos neutralizando um vírus ‎[115],‎[106] . 29

Figura 34 - Respirócitos no sangue ‎[106] ................................................................................... 29

Figura 35 – Plaquetas mecânicas ‎[116] ...................................................................................... 30

Figura 36 – Nanorrobô para a administração de drogas ‎[117] ................................................... 30 Figura 37 – Macrorrobôs limpadores de dentes ......................................................................... 30

Figura 38 – Nanorrobôs na natureza ‎[119] ................................................................................. 31

Figura 39 – Cenário grey goo no mundo ‎[124] ........................................................................... 33

6

Lista de Acrónimos

ABC Artificial Bee Colony

ADN Ácido Desoxirribonucleico

AFM Atomic Force Microscope

NCD Nanorobot Control Design

NEMS Nanoelectromechanical Systems

RNA Ribonucleic Acid

SEM Scanning Electron Microscope

siRNA Small Interfering RNA

STM Scanning Tunnelling Microscope

7

1 Introdução

A presente monografia resulta de uma exaustiva pesquisa sobre uma das mais recentes

áreas da ciência: a nanorrobótica. Sendo esta um ramo da nanotecnologia, será abordado,

numa fase inicial, o que é entendido como nanotecnologia, apresentando a sua definição, a

relação em termos de tamanho físico com outras ciências, e evidenciando como as

propriedades de determinados materiais e as leis da física não se comportam da mesma forma

como no macromundo.

Após esta primeira abordagem à nanotecnologia, serão apresentadas tecnologias que

são utilizadas para ver os materiais da nanoescala, nomeadamente, o microscópio de efeito de

túnel e o microscópio de força atómica.

A construção de componentes nanométricos será o terceiro ponto abordado, distinguindo

diferentes abordagens: top-down e bottom-up; e introduzindo o conceito de fábricas

nanométricas.

Tendo-se introduzido conceitos nanotecnológicos importantes nas partes anteriores,

está-se então na altura de se entrar na nanorrobótica propriamente dita. Nesta parte, que

corresponde ao objetivo desta monografia, será apresentado como o caminho para a

construção de nanorrobôs tem-se baseado na utilização de componentes biológicos, como o

ADN, embora o objetivo seja criar um nanorrobô totalmente sintético. Será demonstrado que

para se poder construir tal dispositivo, diferentes desafios terão de ser ultrapassados, como o

seu sistema de navegação, de energia e locomoção; como os componentes encontrados nos

robôs na macroescala estão a ser concebidos para poderem ser utilizados na nanoescala

(nanossensores, nanomotores, nanoenrolamentos, nanoengrenagens, entre outros). Será

abordado também a utilização de softwares de simulação que ajudam os cientistas a simular o

ambiente em que os nanorrobôs trabalharão de forma a acelerar a sua conceção.

De forma a serem realçados os passos mais importantes que já foram alcançados, tanto

na nanotecnologia como na nanorrobótica, será dedicada uma especial atenção na descrição

destes marcos históricos, como a invenção de novos microscópios, a descoberta de novos

materiais como os fulerenos e os nanotubos, ou os dispositivos mais atuais que já podem ser

considerados como nanorrobôs.

Serão descritas futuras aplicações que estas nanomáquinas poderão ter, principalmente

na nanomedicina, demonstrando como poder-se-ão incorporar no sistema circulatório, no

sistema imunitário, e a até no sistema nervoso.

Para terminar, será exposta uma breve análise aos impactos que estas novas

tecnologias poderão ter, tanto a nível ético, como a nível ambiental; e possíveis cenários de

“fim‎do‎mundo”‎que‎várias‎pessoas‎acreditam‎poderem‎tornar-se reais se não se souber utilizar

corretamente estes novos conhecimentos.

Em 1962, o escritor de ficção científica Arthur Clarke previu a criação dos

computadores portáteis.

A previsão tornou-se realidade pouco mais de 30 anos depois.

8

2 Nanotecnologia

O‎termo‎“nanotecnologia”‎é‎formado‎pelo‎prefixo‎“nano”,‎que‎em‎grego‎significa‎“anão”‎e‎

que equivale a um milésimo milionésimo (10-9

) de algo, conjugada com a palavra “tecnologia”,

ou seja, é a indicação da utilização da tecnologia a uma escala nanométrica ‎[1].

A nanotecnologia é um ramo da ciência que se dedica ao estudo da manipulação da

matéria numa escala atómica e molecular, situando-se a escala de trabalho em grandezas que

variam entre 1 a 100 nanómetros. Note-se que , isto é, um milhão de vezes

mais pequeno que um milímetro. Na Figura 1 estão representadas algumas estruturas que nos

são comuns e consideradas pequenas, no entanto, à escala nano, constatamos um

surpreendente novo enquadramento, o que ajuda a ter uma ideia da ordem de grandeza de

estruturas à escala nano.

Figura 1 – Comparação de estruturas à escala nano ‎[2]

Nesta escala a matéria pode mudar as suas propriedades físicas e químicas, como por

exemplo a cor, a condutividade elétrica e a resistência. É nesta perspetiva que se começa a

perder a definição do limite entre a diferenciação entre os animais e, numa perspetiva mais

extrema, entre o vivo e o não-vivo, pois tudo é feito de átomos, o que leva a grandes debates

éticos ‎[1].

O princípio básico da nanotecnologia é, portanto, a construção de estruturas e novos

materiais através da manipulação de átomos. Embora seja uma área relativamente recente,

apresenta resultados surpreendentes na produção de nanocompósitos, biomateriais,

semicondutores, chips, entre outros. Materiais como gases, líquidos e sólidos conseguem exibir

propriedades físicas, químicas e biológicas invulgares à nanoescala, diferenciando-se de forma

importante dos materiais à escala normal. Alguns materiais nanoestruturados são mais fortes

ou têm propriedades magnéticas diferentes quando comparados com outras formas e

tamanhos do mesmo material; outros são melhores condutores de calor e de eletricidade;

podem tornar-se quimicamente mais reativos ou alterar a sua cor à medida que o seu tamanho

ou estrutura são alterados ‎[3],‎[4],‎[5]. A título de exemplo pode referir-se a relação do diâmetro

9

de nanopartículas de ouro com o comprimento de onda de luz absorvida, como pode ser

verificado na Figura 2.

Figura 2 – Diâmetro de nanopartículas de ouro e luz absorvida ‎[6]

Cientistas que trabalham neste ramo da ciência, frequentemente procuram na natureza

ideias para resolverem problemas complexos. Por exemplo, as teias de aranha e as folhas de

Lótus foram ambas estudadas com o intuito de replicar as suas propriedades especiais no que

diz respeito à tensão de cedência e à habilidade de repelir a água, respetivamente ‎[7].

Esta tecnologia, originária do Japão, dedica-se ao desenvolvimento de materiais ou

componentes, à escala nano, e relaciona diversas áreas científicas, tal como a engenharia de

materiais e a engenharia eletrónica, as ciências de computação, a física, a química, a biologia

e a medicina ‎[8].

Este tipo de tecnologia é alvo de grande controvérsia, no que toca às suas implicações

futuras, pois ainda pouco se conhece sobre a toxicidade e os impactos ambientais dos

nanomateriais, bem como os potenciais efeitos na economia global, já para não falar de

debates mais extremistas como a especulação sobre cenários apocalípticos devidos à sua

utilização ‎[8].

As nanoestruturas elaboradas pelo homem começam a comparar-se, tanto do ponto de

vista funcional, como do ponto de vista dimensional, aos átomos e moléculas criados pela

natureza ‎[1] .

Muitas empresas já entraram neste mercado da nanotecnologia, como por exemplo a

BASF, Bell Laboratories, Dow Chemical, Dupont, Hewlett-Packard, IBM, Intel Corp., L'Oréal,

Toyota, Mitsubishi, Motorola, Philips Electronics, Xerox/Parc, entre outros ‎[9].

2.1 Visão nanométrica

Algo tão pequeno como um átomo é impossível de ver a olho nu. De facto, é impossível

a sua visualização com os microscópios óticos convencionais. A esta dimensão, a luz visível

com comprimentos de onda entre os 400 nm (violeta) e os 700 nm (vermelho) ‎[10], já não pode

ser utilizada para ver os objetos, pois as leis da Física restringem a resolução ótica à metade

do comprimento de onda utilizado ‎[10]. Por este motivo, pode-se afirmar que a nanotecnologia

põe a descoberto um mundo realmente invisível para os nossos olhos. Para se poder visualizar

estruturas nanométricas, uma solução seria empregar pequeníssimas pontas ou sondas que se

comportariam como dedos na leitura Braille, percorrendo a superfície através de movimentos

com precisão atómica. Na prática, pode ser utilizado um simples cristal piezoelétrico. Este tipo

de cristal transforma a pressão (piezo) em impulsos elétricos através de deslocamentos

atómicos na sua estrutura, e vice-versa. Assim, ao colar-se uma ponta ou agulha muito fina

neste cristal e ao programar-se no computador os estímulos elétricos a serem aplicados, é

possível gerar movimentos muito precisos à escala nanométrica ‎[11].

A aplicação das ideias apresentadas anteriormente conduziu a que, em 1981 no

laboratório da IBM em Zurique, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer criassem o primeiro microscópio

10

de efeito de túnel do mundo (do inglês, Scanning Tunnelling Microscope - STM), e com esta

descoberta acabassem por ganhar o Prémio Nobel da Física, em 1986 (Figura 3) ‎[11]. Este foi

o primeiro instrumento capaz de gerar imagens reais de superfícies com resolução atômica

‎[12].

Figura 3 – Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, inventores do microscópio de efeito túnel ‎[13]

Este microscópio, o STM, nada mais é do que uma minúscula ponta feita de material

condutor que percorre - ou varre - toda a superfície da amostra a ser analisada. A ponta e o

substrato onde se deposita a amostra ficam ligados por um circuito. Aplica-se uma tensão

elétrica no circuito e baixa-se a ponta do microscópio até quase encostar na amostra. É um

"quase" impercetível ao olho humano, pois a distância entre a ponta e a amostra chega a

alguns nanómetros. Os eletrões que só deveriam passar da amostra para a ponta, se as duas

entrassem em contacto, simplesmente saltam pelo ar (barreira isolante), fechando assim o

circuito entre a ponta e a amostra, e criando uma corrente de efeito de túnel da ordem de

alguns nanoamperes. Na realidade, o efeito de túnel é um facto característico do mundo

quântico e está associado à natureza ondulatória do eletrão ‎[11],‎[14].

É um grande salto para o eletrão e um grande passo para a humanidade. Como se deu a

entender, o STM só funciona com amostras de materiais condutores ou semicondutores; caso

contrário, não haveria passagem de corrente elétrica. Materiais isolantes, como vidro ou células

vivas, continuariam, por isso invisíveis aos nossos‎ “olhos”. Para resolver esta limitação, o

mesmo Gerd Binnig, em conjunto com Christoph Gerber e Calvin Quate, inventaram um novo

mecanismo capaz de detetar qualquer material. Eles acoplaram à ponta de um microscópio um

pequeno fragmento de diamante, que contorna os átomos da amostra exercendo uma pressão

suave o suficiente para não destruí-la; quando este fragmento de diamante é aproximado à

superfície da amostra, as forças entre as duas causam uma deflexão no apoio do fragmento de

acordo com a lei de Hooke. Tipicamente, a deflexão é medida utilizando um laser que é

refletido pela superfície do apoio até aos fotodíodos recetores, reproduzindo os seus

movimentos com grande precisão. Este novo princípio de funcionamento deu origem ao

microscópio de força atómica (do inglês, Atomic Force Microscope - AFM) em 1986 ‎[11],‎[14].

Figura 4 – Representações didáticas de microscópios de efeito de túnel (esq.) e de força atómica (dir.) ‎[15]‎[16]

11

Figura 5 – Microscópio de efeito de túnel (esq.) e de força atómica (dir) ‎[17],‎[18]

Muitas pessoas acreditam que a invenção do STM correspondeu ao nascimento da

nanociência, visto que este instrumento permitiu que os cientistas vissem um mundo nunca

antes visto: o mundo à nanoescala ‎[19].

2.2 Construção à nanoescala

A construção de estruturas nanométricas pode ser alcançada através de duas formas:

abordagem top-down e bottom-up.

Na abordagem top-down são utilizadas técnicas de fabricação tradicionais que se

baseiam em métodos onde ferramentas externas são controladas para cortar, fresar e moldar

materiais até à forma pretendida. Parte-se, por isso, de um componente maior para algo mais

pequeno. A fotolitografia, utilizada na confeção de circuitos integrados, enquadra-se nesta

abordagem (Figura 6) ‎[20],‎[21],‎[22].

Figura 6 – Fases de um processo de fotolitografia ‎[23]

Na técnica bottom-up, uma estrutura ou componente é construído colocando cada átomo

ou molécula numa localização específica; ou os átomos e moléculas organizam-se

automaticamente numa determinada forma sem controlo ou gestão externa. Nesta técnica, a

estrutura ou componente final é mais complexo do que os blocos de construção utilizados

‎[20],‎[21].

Atualmente, um STM não apenas permite visualizar átomos individuais, como também é

utilizado para a sua manipulação. Esta manipulação de átomos e moléculas individuais,

recorrendo a este tipo de microscópio, normalmente requere superfícies atómicas limpas e uma

extrema estabilidade entre a ponta de prova e a superfície da amostra. Por isso, a maior parte

das experiências ocorrem em ambientes a vácuo elevado e a baixas temperaturas.

Um dos procedimentos de manipulação utilizando este tipo de microscópio, para

deslocar um átomo/molécula numa superfície, é a manipulação lateral. O primeiro exemplo foi

demostrado por Eigler e Schweizer em 1990 quando escreveram "IBM" com átomos de xénon

numa superfície de níquel (Figura 7) ‎[24].

12

Figura 7 – "IBM" escrito com átomos de xénon por cima de uma superfície de níquel ‎[25]

2.2.1 Fábricas nanométricas – produção convergente

A produção convergente é baseada na ideia que partes pequenas podem ser

sucessivamente montadas em partes cada vez maiores. Isto significa que uma nanofábrica irá

incluir mecanismos de progressão para a fabricação e montagem a diferentes escalas físicas.

À escala mais pequena, nanomanipuladores manipularão moléculas individuais para

construírem os primeiros blocos de construção. Estes serão passados para manipuladores

maiores que pegarão nestes blocos e os aumentarão de tamanho, passando-os de seguida

para manipuladores de maior escala, e assim sucessivamente. Em cada estágio, as partes

duplicarão de tamanho. À medida que cada plano de construção for concluído, o produto é

extrudido através da plataforma de saída da nanofábrica. Esta particular arquitetura deverá ser

capaz de, em poucos minutos, produzir produtos à escala métrica a partir de partes

nanométricas em apenas trinta estágios de produção.

Figura 8 – Exemplo de uma nanofábrica. A construção passa por sucessivas fases a diferentes escalas, da esquerda

para a direita, até obter-se o produto final ‎[26]

A lei de Moore é a observação de que ao longo da história da eletrónica, o número de

transístores nos circuitos integrados duplica aproximadamente a cada dois anos. O período

frequentemente referido de 18 meses deve-se a David House, executivo da Intel, que previu

esse tempo para a duplicação no desempenho dos circuitos integrados. A lei deve o seu nome

ao cofundador da Intel, Gordom Moore, que descreveu esta evolução em 1965. Em 2003, a

Intel previu que o fim desta lei chegaria entre 2013 e 2018 porque os métodos utilizados

atualmente para produzir transístores (abordagem top-down) atingirão os seus limites.

Especula-se que seja possível estender o processo de litografia por mais uma geração após a

transição para os transístores de 10 nm, mas a partir daí estaremos no limite do processo de

litografia ‎[27],‎[28].

13

Figura 9 – Lei de Moore e número de transístores ao longo do tempo ‎[29]

A nanotecnologia, especialmente a nanorrobótica, poderão permitir que a evolução

tecnológica da área da eletrónica possa continuar ao mesmo ritmo que temos assistido nas

últimas décadas. A abordagem bottom-up, assente em métodos nanotecnológicos mais

avançados como linhas de produção nanométricas ou nanorrobôs construtores, poderão fazer

parte de um futuro não muito longínquo ‎[30].

Em comparação com a abordagem top-down, a abordagem bottom-up permite obter

produtos com uma maior precisão e por isso é possível produzir materiais mais pequenos do

que a abordagem top-down; e na abordagem top-down há uma quantidade de material de

fabrico que é desperdiçado visto que algumas partes são removidas do componente original

em comparação com a abordagem bottom-up onde nenhuma parte é removida ‎[30].

Por exemplo, o rápido desenvolvimento de aplicações que utilizam o grafeno obriga a

que sejam criadas novas técnicas para a criação em massa deste componente, com formas,

tamanhos e estruturas especiais de alta eficiência, e a preços competitivos. Graças à utilização

do AFM e de nanorrobôs tal tarefa poderá ser possível ‎[31].

A combinação de um AFM e de nanorrobôs também está a ser teorizada em outras

aplicações, como é o no caso da manipulação de vírus, na visualização e quantificação de

células proteicas, úteis no estudo de algumas doenças incuráveis ou na caracterização

mecânica de células e de tecidos vivos ‎[32],‎[33],‎[34]. Outra das aplicações mais promissoras do novo milénio é o surgimento de novos

nanorrobôs aplicados a nanossistemas biológicos, no qual poderemos estar a falar do controlo

de motores a nível molecular em neurónios ‎[35].

14

3 Nanorrobótica

A nanorrobótica dedica-se à investigação e desenvolvimento de soluções para a

construção de robôs, máquinas ou mecanismos baseados em componentes provenientes da

nanotecnologia ou que permitem interações precisas com estruturas de tamanho nanométrico

‎[36],‎[37].

O enorme potencial e valor estratégico tecnológico da nanotecnologia têm motivado

governos dos mais diversos países, em conjunto com vários centros de pesquisa e grandes

empresas de capital privado de todo o mundo, a investirem volumosas quantias para o rápido

desenvolvimento desta nova frente tecnológica. Nos últimos anos têm havido grandes avanços

na área da nanotecnologia, nomeadamente nas áreas da computação biomolecular e na

construção à nanoescala de componentes eletrónicos, sensores e motores, os quais servem de

base para a construção de máquinas à escala nanométrica – os nanorrobôs ‎[9].

A nanorrobótica é uma temática de elevada importância, nomeadamente na

nanomedicina, tendo vir a registar-se grandes esforços no desenvolvimento de robôs para

serem utilizados na terapêutica e no tratamento de várias doenças fatais, em várias aplicações

biomédicas e em manipulações na nanomedicina. Para tal, é necessário desenvolver e

construir nanossensores e nanoatuadores, os quais são requisitos de extrema importância no

funcionamento e na locomoção de nanorrobôs ou na manipulação dos mesmos. Esta

tecnologia continua a ser uma parte de ficção científica, no entanto é reconhecido o seu

elevado potencial e, ao contrário do que se pensava inicialmente, a nanorrobótica terá mais

impacto na saúde e na biologia do que na informática ou na eletrónica ‎[37],‎[38],‎[39].

Existem dois tipos de nanorrobôs que estão a ser pesquisados e desenvolvidos no ramo

da medicina: os orgânicos e os inorgânicos ‎[39].

Os orgânicos, também apelidados de bionanorrobôs, são fabricados a partir de

estruturas de ADN e de materiais orgânicos, inspirados em bactérias e vírus. Este tipo de

nanorrobôs será destinado à realização de trabalhos menos complexos: identificação de

bactérias e vírus e proceder à sua destruição. ‎[40].

Os inorgânicos serão revestidos com estruturas de diamantes mecanicamente

manipuladas e terão aplicações mais amplas e complexas, como realizar cirurgias não-

invasivas e enviar medicamentos a células e órgãos específicos. Estes nanorrobôs serão

compostos por diversos componentes, como motores, sensores, transístores, entre outros.

Estes componentes já estão em pleno desenvolvimento e prevê-se que as primeiras versões

estejam disponíveis já em 2015 ‎[40].

A nanorrobótica engloba portanto o desenho, a fabricação e a programação de robôs

com dimensões gerais perto de alguns micrómetros e na montagem de conjuntos de objetos

numa‎escala‎“nano”.‎Os‎nanorrobôs são basicamente robôs que levantam toda a problemática

a eles associados: sensores, atuadores, controlo, comunicações, fonte de energia e interface,

tendo em conta esta escala. Espera-se que a nanorrobótica apresente aplicações

revolucionárias em áreas distintas tal como o meio ambiente e a saúde humana. A construção

de nanomecanismos ainda está na sua fase embrionária, no entanto nos últimos anos tem

sofrido grandes evoluções. Um dos componentes essenciais na construção dos futuros NEMS

(do inglês, Nanoelectromechanical Systems) serão os nanoatuadores. A nanomanipulação terá

um papel preponderante na reparação e modificação de nanoestruturas. Sendo assim a

manipulação baseada por robôs autómatos é um dos principais desafios dos sistemas de micro

e nanotecnologia. Operações controladas e reprodutíveis, numa escala nano, são poderosos

argumentos e irão revolucionar o mais variado número de domínios ‎[41],‎[42].

O controlo do desempenho da mobilidade de um nanorrobô em circuito fechado é a

chave para o sucesso da nanomanipulação de alta performance. No entanto, esse controlo

pode ser difícil de obter através de imagens provenientes do SEM. Atualmente já se

15

conseguem sistemas de controlo posicional, em tempo real, com velocidades, resoluções e

precisões sem precedentes. A título de exemplo, um nanorrobô móvel pode ser posicionado

em 60 ms, com uma precisão de 20 nm, com vários graus de liberdade ‎[43].

3.1 Primeira abordagem

Existem três principais aspetos que os cientistas têm de considerar quando pensam em

nanorrobôs que se movimentam dentro do corpo: navegação, energia e locomoção dentro dos

vasos sanguíneos. A maioria das opções pode ser dividida em duas categorias: sistemas

externos e sistemas internos ‎[44].

3.1.1 Navegação

Sistemas de navegação externos poderão utilizar sinais ultrassónicos para detetar a

localização e redirecionar o nanorrobô até ao local correto.

Médicos e engenheiros na École Polytechnique de Montreal demonstraram como

poderiam detetar, controlar e até impulsionar um nanorrobô utilizando uma máquina de

ressonância magnética. Eles testaram esta teoria ao manipularem um pequena partícula

magnética através de uma artéria de um porco utilizando para isso um software específico

numa máquina de ressonância magnética. Visto que a maioria dos hospitais possui este tipo de

equipamentos, esta poderia tornar-se o padrão da indústria ‎[44].

Médicos também poderão localizar nanorrobôs ao injetarem corantes radioativos na

corrente sanguínea do paciente. Utilizariam depois um dispositivo para a deteção do corante

radioativo à medida que este se move no sistema circulatório. Imagens tridimensionais

complexas indicariam onde o nanorrobô estaria localizado. Outra opção seria o próprio

nanorrobô libertar um corante radioativo, criando assim um rasto enquanto se movia no corpo

humano ‎[44].

Outros métodos para detetar um nanorrobô incluem raios-X, ondas de rádio, micro-

ondas ou calor. Atualmente, a nossa tecnologia que utiliza estes métodos é limitada para nano-

objetos, sendo por isso provável que sistemas futuros se baseiem noutros métodos.

Sistemas internos poderão desempenhar um papel importante na navegação. Um

nanorrobô com sensores químicos poderá detetar e seguir um rasto químico específico de

forma a atingir uma determinada localização. Um sensor espectroscópico permitiria que o

nanorrobô tirasse amostras dos tecidos circundantes, os analisasse e seguisse o caminho de

uma combinação de químicos ‎[44].

Embora difícil de imaginar, nanorrobôs poderão incluir uma camara em miniatura. Um

operador seria capaz de conduzir o dispositivo enquanto assistiria a um vídeo em tempo real,

navegando manualmente pelo corpo ‎[44].

3.1.2 Fonte de energia

Assim como o sistema de navegação, fontes de energia poderão também ser internas ou

externas.

Nanorrobôs poderiam obter energia diretamente da corrente sanguínea. Para isso teriam

que conter dois elétrodos e utilizando os eletrolíticos presentes no sangue formariam uma

bateria. Outra opção seria criar reações químicas com o sangue de forma a consumi-lo por

energia ‎[45].

O nanorrobô poderia utilizar o calor do paciente para gerar energia. Claro está que seria

necessário que houvesse um gradiente de temperatura, e desta forma utilizar-se-ia o efeito

Seebeck que diz-nos que quando dois condutores feitos de metais diferentes são ligados em

dois pontos mantidos a temperaturas diferentes, gera-se uma tensão entre esses dois pontos.

16

Uma vez que é difícil ocorrer gradientes de temperatura no corpo humano, é improvável

vermos nanorrobôs a utilizarem este efeito para gerarem energia ‎[45].

Embora possa ser possível criar baterias pequenas o suficiente para caberem num

nanorrobô, estas não são vistas como uma fonte de energia viável visto fornecerem uma

pequena potência relativamente ao seu tamanho e massa. Isto significaria que apenas

forneceriam uma fração da energia que o nanorrobô necessitaria. Um candidato melhor seria

um condensador visto que possui um rácio energia/massa melhor ‎[45].

Outra possibilidade, embora assustadora à primeira vista, é um nanorrobô alimentado a

energia nuclear. O material radioativo seria tão pouco, que seria facilmente isolado. Face à

opinião pública, esta será uma possibilidade pouco provável ‎[45].

Fontes externas de energia incluem sistemas em que o nanorrobô está ligado de alguma

forma ao mundo exterior ou é controlado sem um meio físico de contacto. Sistemas ligados

fisicamente necessitarão de um fio que liga o nanorrobô à fonte de energia. O fio necessitaria

de ser forte como também capaz de se mover sem esforço pelo corpo humano sem causar

danos. Uma ligação física poderia fornecer energia quer eletricamente ou oticamente. Sistemas

óticos utilizariam fibras óticas tendo a luz que ser reconvertida em eletricidade a bordo do

nanorrobô ‎[45].

Sistemas externos que não utilizam um meio físico como ligação entre a fonte de energia

e o nanorrobô poderiam basear-se em micro-ondas, sinais ultrassónicos ou campos

magnéticos. As micro-ondas são as menos prováveis, uma vez que se um paciente fosse

irradiado por estas, o tecido absorveria a maior parte das micro-ondas e aqueceria, podendo

resultar em ferimentos para o paciente. Um nanorrobô com uma membrana piezoelétrica

poderia receber sinais ultrassónicos e converte-los em eletricidade. Sistemas que usam

campos magnéticos, como aquele utilizado em Montreal, tanto podem manipular diretamente o

nanorrobô como induzir uma corrente elétrica num dos seus circuitos internos e desta forma

transferir energia. Nanorrobôs poderão retirar energia do ambiente de onde estiverem atuando,

como poderá ser o exemplo de um nanorrobô médico que trabalha dentro de uma pessoa,

podendo retirar energia a partir da glicose retirada da corrente sanguínea ‎[44],‎[45].

3.1.3 Locomoção

Partindo do princípio que um nanorrobô não é construído para flutuar passivamente pela

corrente sanguínea, necessitará de um meio de propulsão para navegar pelo corpo. Navegar

contra a corrente pode ser necessário, pelo que o sistema de locomoção terá de ser bastante

forte quando comparado com o seu tamanho. Outro aspeto importante é garantir que esta

deslocação não provocará danos no paciente ‎[44].

Alguns cientistas estão a examinar o mundo dos organismos microscópicos para se

inspirarem. Por exemplo, a paramécia move-se no seu ambiente utilizando pequenas caudas-

membro chamados de cílios. Ao vibrar os cílios, a paramécia consegue nadar em qualquer

direção. Similares aos cílios existem os flagelos, que são estruturas maiores em forma de

cauda. Os organismos chicoteiam o flagelo de formas diversas para se movimentarem ‎[44].

Há dispositivos ainda mais exóticos. Um utilizaria condensadores para gerar campos

magnéticos que sugariam os fluídos num dos lados de uma bomba eletromagnética e os

ejetariam no lado oposto. O nanorrobô deslocar-se-ia como um avião a jato. Bombas a jato em

miniatura poderiam utilizar o plasma do sangue para impulsionar o nanorrobô para a frente,

mas ao contrário da bomba eletromagnética, teriam de haver partes móveis ‎[44].

Outra possibilidade para deslocar um nanorrobô seria através da utilização de uma

membrana vibratória. Ao alternadamente contrair e relaxar a tensão da membrana, um

nanorrobô poderia gerar pequenas quantidades de impulsos, o que seria suficiente para

funcionar como uma fonte viável de movimento ‎[44].

17

3.2 Nanomateriais

Os nanorrobôs serão compostos por componentes mecânicos e eletrónicos elaborados

por moléculas. Os cientistas especulam que o material mais utilizado será à base de

diamantes, devido às suas propriedades físicas: alta resistência e leveza ‎[45].

3.3 Nanossensores

Os sensores à nanoescala serão ajustados a produtos químicos e à pressão do novo

nanomundo. Os sensores químicos irão imitar os recetores microscópicos usados pelos seres

vivos, tal como o olfato e o paladar. Um nanorrobô deverá ter sensores para produtos químicos

tóxicos, a fim de detetá-los e removê-los. Os sensores de pressão serão necessários, visto o

operador poder usar ultrassons para‎“guiar”‎o‎nanorrobô através de ondas de pressão ‎[45].

3.4 Nanorrolamentos

De forma a estabelecer as fundações para a produção molecular de nanorrobôs, é

primeiro necessário criar e analisar a possibilidade de conceber nanocomponentes mecânicos

que poderão, em princípio, ser produzidos. Devido ao facto destes componentes ainda não

poderem ser construídos fisicamente em 2009, tais conceções não podem ser sujeitas a

rigorosos testes experimentais para validação. Por isso, experiências computacionais permitem

os estudos teóricos destes dispositivos, independentemente das tecnologias que serão

utilizadas na sua implementação ‎[46].

Rolamentos moleculares são, talvez, a classe mais conveniente de componentes de

projetar devido à sua estrutura e operação serem bastante simples. Um dos exemplos mais

simples é o que é apresentado na Figura 10, tendo sido projetado por Eric Drexler ‎[46].

Figura 10 – Nanorrolamento ‎[47]

Este rolamento tem exatamente 206 átomos incluindo carbono, silício, oxigénio e

hidrogénio, e é composto por um pequeno eixo que roda dentro de um anel exterior medindo

2,2 nm. O seu método de construção faz com que o eixo rode facilmente ‎[46].

3.5 Nanoengrenagens

A engrenagem molecular é outro tipo de componente para um futuro nanossistema. Na

década de 90, Drexler e Merkle projetaram uma engrenagem planetária constituída por 3557

átomos. Todo o conjunto possui 12 partes móveis e mede 4,3 nm de diâmetro e 4,4 nm de

comprimento (Figura 11). No macromundo, uma engrenagem planetária é utilizada em

automóveis e outras máquinas mecânicas onde é necessária para transformar a velocidade

rotacional do veio ‎[46].

18

Figura 11 – Nanoengrenagens ‎[48]

3.6 Softwares de simulação

Antecipando a importância que os nanorrobôs terão na medicina nas próximas décadas,

alguns pesquisadores já começaram a desenvolver ferramentas que auxiliarão a sua

construção, como por exemplo, o software "NCD - Nanorobot Control Design" (Figura 12). O

programa foi desenvolvido por Adriano Cavalcanti, aluno de doutoramento da Faculdade de

Engenharia Elétrica e Computação da Unicamp, Brasil, e utiliza a computação gráfica para

reproduzir o interior do corpo humano a três dimensões, onde os nanorrobôs irão atuar. Para

além disso este software contém protótipos computadorizados dos futuros nanorrobôs,

permitindo ao seu utilizador poder simular uma situação clínica real ‎[49],‎[50].

Figura 12 – Imagens do software "NCD - Nanorobot Control Design" ‎[51], ‎[52]

19

4 Marcos da nanotecnologia e da nanorrobótica

Apesar da nanotecnologia e da nanociência serem novas áreas do conhecimento, os

nanomateriais já são utilizados ao longo dos séculos. O efeito multicolorido dos vitrais de

catedrais antigas é devido a nanopartículas de ouro e outros óxidos metálicos (Figura 13).

Além destas propriedades visuais, os vitrais funcionavam como purificadores fotocatalíticos do

ar, visto que as nanopartículas de ouro ao absorverem a luz tornavam-se capazes de degradar

determinadas matérias orgânicas presentes no ar ‎[53].

Figura 13 – Nanotecnologia na antiguidade – Vitral da Catedral de Notre Dame, Paris, França ‎[54]

O conceito da nanotecnologia foi primeiramente apresentado pelo físico norte-americano

Richard‎ Feynman‎ em‎ 1959‎ na‎ sua‎ célebre‎ palestra‎ “There’s plenty of room at the bottom”‎

(Figura 14). Este considerou a possibilidade de manipular diretamente átomos individuais como

uma forma mais poderosa de fazer química sintética do que as técnicas utilizadas nessa altura.

Esta palestra é considerada como um marco na história da nanotecnologia, visto que inspirou o

desenvolvimento desta área nas décadas posteriores ‎[55].

Figura 14 – Richard Feynman na palestra “There’s plenty of room at the bottom” (1959) ‎[56]

O termo nanotecnologia foi utilizado pela primeira vez numa publicação do professor

universitário Norio Taniguchi da Universidade de Ciências de Tóquio, em 1974, tendo dito que

“a nanotecnologia consiste essencialmente no processamento, separação, consolidação e

deformação de materiais átomo a átomo ou molécula a molécula” ‎[57].

Embora tenha sido o professor Taniguchi a utilizar pela primeira vez o termo, foi através

dos livros Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, publicado em 1986, e

Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, publicado em 1992,

20

ambos pelo Dr. K. Eric Drexler (Figura 15) que este termo adquiriu o seu significado atual e que

esta ideia da nanotecnologia foi explorada profundamente ‎[57].

Figura 15 – Dr. K. Eric Drexler ‎[58]

A invenção do STM em 1981 e o desenvolvimento da ciência cluster catapultaram a

nanotecnologia e a nanociência. Estes desenvolvimentos conduziram à descoberta dos

fulerenos em 1985. Na Figura 16 está apresentada a Buckyball com 60 átomos de carbono

‎[59].

Figura 16 – Fulereno - Buckyball com 60 átomos de carbono ‎[60]

Em 1986 dá-se a invenção do AFM. Também em 1986 foi criada o Foresight Institute, a

primeira organização a nível mundial com o objetivo de desenvolver a nanotecnologia,

promovendo-a para usos benéficos e reduzindo possíveis más utilizações e potenciais

acidentes ‎[61].

Em 1990, a palavra "IBM" foi escrita utilizando átomos de xénon. No mesmo ano foi

criado o primeiro jornal sobre nanotecnologia pelo Institute of Physics, do Reino Unido e

celebrou-se a primeira conferência nacional sobre nanotecnologia molecular, organizada pelo

Foresight Institute, a qual reuniu diferentes disciplinas e participantes de três continentes

‎[62],‎[63].

Em 1991 o Ministry of International Trade and Industry, do Japão, disponibiliza 200

milhões de dólares para um programa com o objetivo de manipular matéria ao nível molecular.

Nesse mesmo ano, são descobertos os nanotubos de carbono. Na Figura 17 estão

apresentadas várias configurações deste tipo de material ‎[64],‎[65].

Figura 17 – Tipos de nanotubos de carbono: (A) Armchair; (B) Zigzag; (C) Quiral ‎[66]

21

Em 1997, foi criada a primeira empresa nanotecnológica, a Zyvex ‎[67].

Em 1998, a equipa de Nadrian Seeman, da Universidade de Nova Iorque, cria o primeiro

sistema mecânico molecular controlável construído utilizando-se ADN sintético ‎[68].

Em 1999 é publicado o primeiro livro sobre nanomedicina intitulado Nanomedecine,

Volume I: Basic Capabilities, por Robert Freitas Jr., onde são exploradas as implicações da

nanomedicina na profissão médica, no diagnóstico e tratamento de doenças, e o

aperfeiçoamento das estruturas e funções biológicas humanas. Também em 1999, o Forsight

Institute lança as primeiras orientações de segurança a serem tidas em conta no

desenvolvimento e aplicação da nanotecnologia ‎[69]. Ainda em 1999, Phaedon Avouris da IBM,

ganha o Prémio Feynman em Nanotecnologia pelo seu trabalho experimental em nanotubos de

carbono aplicados a dispositivos computacionais; este trabalho vai ao encontro da computação

a nível molecular que é necessária para que a indústria da informática possa permanecer na

curva da Lei de Moore, que prevê dispositivos com precisão atómica antes de 2015 ‎[70].

Em 2001 é criado o Institute for Soldier Nanotechnologies, o primeiro centro para

aplicações militares ‎[71].

Em 2003, Carlo Montemagno da Universidade da Califórnia, E.U.A., recebe o Prémio

Feynman em Nanotecnologia pela investigação de métodos de integrar motores biológicos de

apenas uma molécula em nanodispositivos de silício, abrindo novas possibilidades para o

desenvolvimento de nanomáquinas ‎[72].

Em 2004, Homme Hellinga da Universidade de Duke, E.U.A., recebe o Prémio Feynman

em Nanotecnologia pela reengenharia de uma enzima capaz de manipular outras estruturas

moleculares ‎[73].

Em 2007 dois cientistas israelitas, Oded Salomon, do Instituto Israelita de Tecnologia, e

Nir Shvalb, do Colégio da Judeia e Samaria, revelaram ao mundo um robô pioneiro com 1 mm

de diâmetro e 14 mm de comprimento, capaz de movimentar-se através de veias e artérias

humanas. O robô é capaz de fixar-se, graças a poderosos braços que se projetam a partir do

centro do seu corpo. O seu controlo é levado a cabo através do uso de campos magnéticos,

gerados externamente ao corpo, permitindo assim ao robô “nadar”‎ contra‎ a‎ corrente‎

sanguínea. Este dispositivo poderá ser utilizado para o combate de certos tipos de cancro, de

modo a minimizar os tratamentos invasivos ‎[74].

Figura 18 – Robô com 1mm de diâmetro e‎14mm‎de‎comprimento‎(1/2”) ‎[75],‎[76]

Em 2008, um grupo da UCLA, E.U.A., liderado pelo Prof. Kendall Houk e um grupo de

Washington liderado pelo Prof. David Baker, desenharam através de métodos computacionais

enzimas que catalisam reações para as quais não existem enzimas biológicas ‎[77]. Também

em 2008, James Tour da Universidade Rice, E.U.A., ganhou o Prémio Feynman em

Nanotecnologia pela construção, em 2005, de nanocarros (Figura 19); a síntese e o teste de

nanocarros e de outras máquinas moleculares disponibilizam dados importantes para a

fabricação bottom-up ‎[78].

22

Figura 19 – Nanocarros de James Tour ‎[79]

Em 2009, Andrew Turberfield e colegas na Universidade de Oxford, Reino Unido, criam

uma máquina molecular de duas “pernas” capaz de movimentar-se ao longo de uma cadeia de

ADN, sem qualquer tipo de controlo externo, mantendo-se conectada à "pista" e movendo-se

em apenas uma direção; esta poderá ser utilizada no futuro para movimentar cargas entre duas

nanofábricas (Figura 20) ‎[80]. Também em 2009, Nadrian Seeman e Hongzhou Gu, químicos

da Universidade de Nova Iorque, E.U.A., e Jie Chao, Shou-Jun Xiao, da Universidade de

Nanjing, China, desenvolveram um nanorrobô com dois “braços” capazes de manipular as

moléculas que compõem o ADN; este poderá servir como uma fábrica para juntar os blocos de

construção de novos materiais ‎[81], ‎[82].

Figura 20 – Simulação da máquina molecular de Andrew Turberfield a movimentar uma carga ‎[83]

Ainda em 2009, utilizando conceitos e princípios de engenharia aprendidos da natureza,

uma equipa de bioquímicos da Universidade da Pensilvânia, E.U.A., construíram a partir do

nada, uma proteína completamente nova capaz de transportar oxigénio tal como a

neuroglobina humana o transporta no cérebro e no sistema nervoso periférico. Neste mesmo

ano o Prémio Feynman em Nanotecnologia foi entregue a Yoshiaki Sugimoto e Masayuki Abe

da Universidade de Osaka, Japão, e a Oscar Constance do National Institute for Materials

Science, Japão, pelas experiências pioneiras na visualização e manipulação de átomos em

superfícies semicondutoras à temperatura ambiente, abrindo novas possibilidades para a

fabricação de estruturas com precisão atómica ‎[84]. Por fim, em 2009, uma equipa de cientistas

do Centre for DNA Nanotechnology, na Dinamarca, utilizaram o método origami para criarem

uma caixa de ADN que se constrói automaticamente. Esta caixa foi concebida para, no futuro,

transportar carga terapêutica. Esta caixa pode conter uma fechadura que abre com uma

"chave" específica de ADN (Figura 21) ‎[85].

23

Figura 21 – Simulação de uma caixa de ADN, concebida para o transporte de carga terapêutica. (a) caixa fechada; (b)

caixa aberta através de uma "chave" específica de ADN ‎[85]

Em 2010, uma equipa de cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, E.U.A.,

liderada pelo Prof. Dr. Mark Davis, revelou ao mundo um exército de nanorrobôs portadores de

siRNA (do inglês: small interfering RNA), capazes de destruírem células cancerígenas (Figura

22). Estes nanodispositivos ligam-se às células alvo, libertam o siRNA, destruindo estas e

mantendo intactas as células sadias. O siRNA é uma tecnologia que impede a produção de

proteínas, descoberta por Craig Mello, tendo sido galardoado com um Prémio Nobel em 2006,

‎[86].

Figura 22 – Fotografia de nanorrobôs atacando células cancerígenas ‎[87]

Ainda em 2010, uma equipa da Universidade de Nova Iorque, E.U.A, e da Universidade

de Nanjing, China, liderada por Nadrian Seeman operou a primeira linha de produção povoada

inteiramente por nanorrobôs; os robôs em questão são máquinas moleculares feitas por

cadeias de ADN, tendo cada uma quatro "pés" que caminham numa superfície especialmente

preparada capaz de direcionar o movimento de um dos nanorrobôs. Eles possuem três

"braços" para carregar carga, sendo que nesta experiência a carga correspondia a diferentes

tamanhos de partículas de ouro, que se combinaram em oito diferentes produtos (Figura 23)

‎[88],‎[89]. Também em 2010, Masakazu Aono, do National Institute for Materials Science,

Japão, ganhou o Prémio Feynman em Nanotecnologia pelos seus trabalhos pioneiros na

manipulação de átomos, AFM e STM com várias pontas de prova, o interruptor atómico,

armazenamento molecular de dados ultra denso e fios moleculares condutores de eletricidade

‎[90].

24

Figura 23 – Linha de produção operada por nanorrobôs. (a) movimento do nanorrobô que transporta as partículas de

ouro; (b) imagens de um AFM demonstrando a evolução do processo.

Em 2011, uma equipa de investigadores liderada por Charles M. Lieber da Universidade

de Harvard, E.U.A., e por James Ellenbogem, da empresa MITRE, produziram o primeiro

nanoprocessador programável, o que representa um significativo avanço em complexidade e

capacidade na construção bottom-up de circuitos nanoeletrónicos ‎[91]. Também em 2011, uma

equipa de físicos da Universidade de Oxford, Reino Unido, liderada por Andrew Turberfield,

criou um nanorrobô com apenas uma "perna" que pode ser programado para deslocar-se em

qualquer direção ao longo de uma cadeia de ADN ‎[92].

Em 2012, uma equipa de cientistas da IBM liderada pelo investigador Andreas Heinrich

armazenou com sucesso um bit magnético em apenas 12 átomos de ferro, e um byte completo

em 96. Isto representa uma densidade de armazenamento que é, no mínimo, 100 vezes mais

densa do que os maiores discos rígidos ou memórias flash atuais. Em vez de optarem por

melhorar uma solução já existente, começaram por manipular diretamente átomos até

atingirem o mais pequeno e estável bit magnético. Isto demonstra as capacidades da

abordagem bottom-up (Figura 24) ‎[93].

Figura 24 – À esquerda: simulação de um STM a manipular o bit magnético;‎à‎direita:‎estados‎‘0’‎e‎‘1’‎do‎referido‎bit.

Ainda neste ano de 2012, uma equipa liderada pelo investigador de Harvard, Shawn

Douglas, criou um dispositivo em forma de concha, utilizando um software de modelação de

25

ADN, capaz de guardar no seu interior um medicamento até ao momento deste ser libertado.

De forma a testar o seu potencial médico, a equipa de Douglas criou um nanorrobô com

fechadura que se abria em contacto com a superfície de células de leucemia. A equipa depois

carregou o nanorrobô com um medicamento capaz de matar estas células. Finalmente, milhões

de cópias destes nanorrobôs foram libertadas numa mistura de células normais e cancerosas.

Ao fim de três dias, metade das células cancerosas tinha sido destruída, mas nenhuma célula

saudável foi prejudicada. Uma vez que os nanorrobôs serão microscópicos, será necessário

que um grande número destes trabalhem em conjunto para realizarem tarefas micro e

macroscópicas (Figura 25) ‎[85].

Figura 25 – Dispositivo de ADN em forma de concha. (a) e (b) medicamento ocluso; (c) abertura da concha por contato

com as células de leucemia e consequente libertação do medicamento ‎[85]

26

5 Nanorrobótica: Desafios e Aplicações

As potenciais aplicações dos nanorrobôs, que nos dias de hoje nos parecem

pensamentos utópicos e dignos de registarem em filmes de ficção científica, num futuro

próximo poderão ser uma realidade, e pelo ritmo que a evolução tecnológica está a sofrer, essa

realidade poderá estar mais perto do que se pensa.

Estão a ser desenvolvidos nanorrobôs no estudo do ADN de modo a facilitar a

compreensão das suas relações com a saúde humana, criar nanorrobôs que sejam capazes de

replicar o comportamento funcional de biomoléculas, como por exemplo de bacteriófagos

‎[94],‎[95], ou sistemas bionanorrobóticos, que consistem em nanomecanismos revolucionários

formados por nanocomponentes baseados em proteínas e por ADN ‎[96]. Estes nanorrobôs

serão nanomáquinas controladas que irão mimetizar a natureza, como por exemplo certos

fungos, com potencial para produzirem certos antibióticos ‎[97].

A utilização de nanorrobôs, como instrumentos de diagnóstico e de análise de diferentes

doenças, poderá ser uma realidade. Para isso, os nanorrobôs terão que ser capazes de

monitorizar diferentes variáveis biológicas, tais como temperatura, pressão, atividade do

sistema imunológico, concentração química, e assim atuar rapidamente no local de interesse.

Como exemplo, no futuro o controlo e a monitorização dos níveis de glicose em pacientes

diabéticos poderá ser uma realidade ‎[37].

Figura 26 – Nanorrobôs médicos navegando na corrente sanguínea

O surgimento da nanorrobótica parece inevitável e um novo desafio é lançado: a

interação entre nanorrobôs, principalmente na sua utilização na medicina, nomeadamente no

tratamento de doenças incuráveis. Como tal espera-se a criação de nanorrobôs que poderão

servir como instrumentos médicos, os quais serão libertados dentro do corpo humano com

duas funções principais: administração de drogas e diagnóstico. A interação entre robôs é

baseada numa variação do conceito de colónias artificiais de abelhas (do inglês, Artificial Bee

Colony - ABC) de modo a se poder controlar o comportamento dos robôs ‎[98]. Como

aplicações teóricas podemos referir a utilização desta tecnologia dentro de uma rede

sanguínea no qual os robôs trabalham em conjunto de modo a parar uma hemorragia ou no

tratamento do cancro ‎[99]. Como exemplo, poderão existir diferentes robôs numa cirurgia de

remoção de um tumor cancerígeno, na qual um nanorrobô injeta uma toxina, outro procede ao

corte do tumor e ainda um terceiro nanorrobô munido de uma câmara, envia as imagens de

vídeo para o cirurgião e toda a equipa médica (Figura 27) ‎[100].

27

Figura 27 – Diferentes tipos de nanorrobôs interagindo entre si numa cirurgia de remoção de um tumor cancerígeno

Os nanorrobôs podem ser uma poderosa ferramenta no combate e diagnóstico de um

aneurisma cerebral ou de uma laparoscopia. A evolução e a fiabilidade destes

nanomecanismos, aliados à nanobioeletrónica, à tecnologia sem fios de transmissão de dados

e de controlo, à transmissão de energia de modo remoto, o uso de nanotubos, mapeamento do

genoma, poderão ser uma resposta a estes problemas ‎[101],‎[102]. Outro exemplo fascinante

da utilização de nanorrobôs na medicina é no transplante de coração, ou no tratamento de

doenças da artéria coronária, que é uma das principais causas de morte e incapacidade no

mundo ‎[103]. Como exemplo podemos referir a inclusão nas artérias de nanocontroladores

piezoelétricos que através de variações da pressão sanguínea transmitem um sinal. Esse sinal

será recebido por um nanorrobô que irá atuar junto da artéria constrangida ‎[104].

Existirão nanorrobôs com inteligência artificial capazes de reparar tecidos, limpar vasos

sanguíneos e vias respiratórias (Figura 28), transformar as nossas capacidades fisiológicas e

até contrariar o processo de envelhecimento ‎[105].

Figura 28 – Robôs limpadores das vias respiratórias.

Existem vários investigadores em todo o mundo a trabalhar em nanorrobótica

especializada no tratamento do cancro e na doença de Alzheimer. Outros investigadores

debruçam-se sobre a nanomanipulação e o nanoposicionamento e em nanossistemas de

controlo, capazes de reparar um sistema nervosos danificado e em outras soluções para a rede

neurológica (Figura 29). Para tais aplicações há uma crescente necessidade de desenvolver

robôs cada vez mais autónomos ‎[105].

28

Figura 29 – Nanorrobô hipotético acelerador de neurónios para tratamento de mongolismo ‎[106]

As células estaminais são caracterizadas pela sua capacidade em se diferenciarem em

múltiplos tipos de células. Esta propriedade única tem um potencial avassalador no tratamento

de doenças humanas. O processo de diferenciação destas células é influenciado por vários

fatores. Um desses fatores é a estimulação mecânica através da modulação da elasticidade da

matriz extracelular. Existem investigações em curso, no qual se utilizam nanorrobôs para

servirem de biomarcadores destas células, através de AFM ‎[107].

Prevê-se a utilização de nanorrobôs para a aceleração da mobilidade de certas células

ou mesmo na otimização dos seus trajetos. Como exemplo pode referir-se a sua utilização em

glóbulos brancos, plaquetas e glóbulos vermelhos (Figura 30), no combate a agentes externos,

nos processos de cicatrização e oxigenação ‎[37].

Figura 30 – Nanorrobôs ligados a um glóbulo vermelho ‎[108],‎[109],‎[110]

Outro exemplo é a utilização desta nanotecnologia na mobilidade de um

espermatozoide, de modo a melhorar a taxa de fecundidade (Figura 31) ‎[37], ‎[111].

Figura 31 – Nanorrobô ajudando na mobilidade de um espermatozoide ‎[112]

De um lado mais extremista, equaciona-se a utilização de um complexo de nanorrobôs

para a substituição dos glóbulos brancos do sangue humano – os vasculóides (Figura 32).

Estes nanorrobôs seriam capazes de eliminar parasitas, bactérias, vírus e células

29

cancerígenas; erradicar a maioria das doenças cardiovasculares, como a arteriosclerose;

conferindo um processamento mais rápido do oxigênio, aumentando a força e o vigor físicos;

reduzindo a suscetibilidade a agentes químicos e parasitas de todos os tipos, eliminando assim

todos os tipos de alergias. Esta ideia surgiu pela primeira vez em 1996, na altura ainda Eric

Drexler era um estudante na Universidade de Stanford, E.U.A. ‎[113].

Figura 32 – Vasculóide – nanorrobô substituto dos glóbulos brancos capturando um vírus ‎[114]

Na Figura 33 está representado outro hipotético formato de um nanorrobô com funções

análogas aos glóbulos brancos ‎[40].

Figura 33 – Nanorrobôs substitutos dos glóbulos brancos neutralizando um vírus ‎[115],‎[106]

Assim como para os glóbulos brancos, poderá também ser possível substituir os

glóbulos vermelhos por nanorrobôs, os respirócitos. Estes nanorrobôs teriam o formato de uma

microcápsula pressurizada, optando-se pela forma esférica de forma a serem o mais

compactos possíveis. Esta microcápsula funcionará como uma transportadora de oxigénio,

substituindo o sangue numa transfusão, tratar anemia, diagnosticar e tratar tumores e prevenir

a asfixia ‎[106].

Figura 34 - Respirócitos no sangue ‎[106]

30

Poderão ser desenvolvidas plaquetas mecânicas (Figura 35) que irão auxiliar na

coagulação do sangue ‎[40].

Figura 35 – Plaquetas mecânicas ‎[116]

Nanorrobôs para a administração de drogas (Figura 36), poderão ser outra realidade,

para a aplicação de terapias oncológicas, nomeadamente na quimioterapia, no qual poder-se-á

ter uma administração da dosagem mais precisa dos produtos químicos, bem como na

terapêutica do VIH. Na cura de doenças de pele, um creme contendo nanorrobôs poderá ser

utilizado, os quais serão capazes de remover a quantidade certa de pele morta e o excesso de

oleosidade, bem como adicionar óleos em faltam ‎[37], ‎[45], ‎[50].

Figura 36 – Nanorrobô para a administração de drogas ‎[117]

Na nanomedicina dentária e odontológica, poderão ser vistos robôs limpadores de

dentes, ajudantes em processos de branqueamento, na administração de anestesia, na

dessensibilização dos dentes, ou até mesmo em tratamentos mais complexos e na remoção de

dentes ‎[37].

Figura 37 – Macrorrobôs limpadores de dentes

Devida à poluição direta provocada pelos automóveis, pela indústria ou pela intensa

atividade humana, poderão ser visto robôs purificadores, atuando no dióxido de carbono e no

31

oxigénio presentes no ar; ou robôs a reconstruir a fina camada de ozono. Outro tipo de robôs

serão aqueles dedicados à poluição aquática, atuando na remoção de poluentes,

nomeadamente aqueles provocados por derrames de óleo. Estes robôs poderão atuar na

monitorização do meio ambiente, na medição de várias variáveis, ou atuando diretamente na

proteção e combate a pragas (Figura 38) ‎[118].

Figura 38 – Nanorrobôs na natureza ‎[119]

A fabricação de novos materiais, através da nanorrobótica permitiria gerar menos

poluição do que os processos convencionais de fabricação. A dependência do Homem em

recursos não renováveis seria menor com a nanotecnologia, podendo ser produzidos por

nanomáquinas. O abate de árvores, a extração de carvão ou a exploração de petróleo, talvez

não fossem mais necessários ‎[120],‎[121].

32

6 O reverso da medalha

6.1 Implicações éticas e ambientais

Para além da complexidade inerente à conceção e ao fabrico destes dispositivos, e aos

elevados custos associados que limitam a sua ampla aplicação, deparam-se problemas éticos

e ambientais. Tal como qualquer nova descoberta da ciência existem inúmeras implicações

sociais, bem como uma incerteza sobre o impacto ambiental dos nanorresíduos ‎[45].

A nanopoluição, gerada por nanomateriais ou durante a confeção desses, é composta

por nanopartículas, e pode ser mais perigosa do que a poluição existente no planeta, uma vez

que pode flutuar facilmente pelo ar viajando por grandes distâncias. Pelo facto dos

nanopoluentes não existirem na natureza, provavelmente as células não terão as armas

necessárias para lidar com eles, provocando danos ainda desconhecidos ‎[121].

A nanotecnologia está a ser aclamada como potenciadora de uma nova revolução

tecnológica. No entanto, e como todas as novas tecnologias, é preciso levantar questões

fundamentais como a sua relação com a equidade social ou com a qualidade do meio

ambiente.

Nas últimas décadas, a introdução da microeletrónica e as suas inúmeras aplicações no

campo civil e militar foram as inovações que tiveram maior impacto na sociedade. Embora

existam inúmeros estudos sobre os seus impactos técnicos e económicos, não se pode dizer o

mesmo sobre estudos das suas consequências sociais. Os dados demonstram que apesar dos

avanços do conhecimento científico e das aplicações tecnológicas, as condições existenciais

de mais de um quinto da população mundial não melhoraram significativamente.

Já existem numerosos produtos que contêm produtos nanotecnológicos. No entanto, e

apesar de haver indícios que apontam que estes são quimicamente mais reativos e, por isso,

potencialmente mais tóxicos, poucos estudos toxicológicos foram realizados sobre os seus

efeitos. É prioritário avaliar os riscos para aqueles que já estão expostos aos produtos

nanotecnológicos. A administração dos riscos e as suas consequências sociais, económicas e

políticas, devem estar estreitamente relacionada com políticas de saúde pública. Será

necessário regular os padrões de exposição, prevenção e intervenção, exigindo medições

biomédicas e de engenharia sanitária. A adoção do princípio de precaução quando existam

evidências incompletas e de incerteza quanto aos riscos de conhecimentos científicos

incompletos aumentará a segurança da população até que se crie um processo compreensivo

de regulação da nanotecnologia ‎[122].

6.2 Cenários de fim do mundo

A autorreplicação é um dos principais argumentos daqueles que temem que o homem

perca um dia o controlo da situação para as máquinas.

Teoricamente, um nanorrobô, tão pequeno quanto algumas moléculas e capaz de

manipular até mesmo átomos individuais, poderia criar outro igual a si mesmo de qualquer

material que encontrasse. No limite, todo o planeta seria transformado em nanorrobôs ‎[113].

O cenário grey goo é uma teoria hipotética para o fim do mundo em que nanorrobôs

autorreplicadores consomem toda a matéria da Terra para criarem mais de si próprios, um

cenário que foi intitulado de ecofagia. O conceito original assumia que máquinas foram criadas

com a capacidade de autorreplicarem-se, enquanto que a versão popularizada assume que as

máquinas de alguma forma adquirirão esta capacidade ‎[123].

33

Figura 39 – Cenário grey goo no mundo ‎[124]

O cenário black goo é uma variação do cenário grey goo. Neste caso um tipo de

nanorrobôs concebidos para criarem diamantes a partir de dióxido de carbono, ficam fora de

controlo e começam a converter todo o dióxido de carbono da Terra em oxigénio e diamantes.

À medida que os nanorrobôs se espalham, as plantas deixam de poder fotossintetizar o dióxido

de carbono e a água em glicose. O efeito de estufa seria destruído até ao ponto em que a

Terra ficaria muito fria. As plantas morreriam, mas os nanorrobôs continuariam a produzir

oxigénio a partir do dióxido de carbono, pelo que ainda conseguiríamos respirar ‎[125].

34

7 Conclusão

Equipas à volta do mundo estão a trabalhar com o objetivo de produzirem uma máquina

que verdadeiramente se possa chamar de nanorrobô. Atualmente já existem estruturas

nanométricas consideradas como nanorrobôs; veja-se como exemplo o nanorrobô criado com

cadeias de ADN do investigador Shawn Douglas; embora já seja capaz de transportar um

medicamento e libertar esta carga apenas quando em contacto com células cancerosas, não

corresponde ao grande objetivo de criar uma máquina nanométrica totalmente sintética. Não

obstante, tal feito é sem dúvida alguma um grande passo para a nanorrobótica, e revela a

capacidade que pode advir da utilização de estruturas naturais. No futuro, nanorrobôs mais

avançados do que o apresentado irão revolucionar a medicina. Médicos poderão tratar desde

doenças cardíacas ao cancro, utilizando pequenos robôs do tamanho de uma bactéria, uma

escala muito inferior à escala dos robôs sintéticos atuais. Os nanorrobôs poderão trabalhar

isoladamente ou em equipa para erradicar doenças e tratar outras enfermidades; serão

introduzidos no corpo humano, patrulhando e reagindo com qualquer problema que apareça,

podendo ficar no corpo para sempre.

Outra potencial aplicação da nanorrobótica é a reengenharia dos nossos corpos para se

tornarem resistentes a doenças, aumentar a nossa força ou até melhorar a nossa inteligência.

Esta abordagem terá especial interesse para fins militares, o que poderá criar supersoldados,

muito superiores aqueles que não dispuserem desta tecnologia. Infelizmente, pouca

informação foi encontrada a este respeito, muito provavelmente por tal tecnologia estar sobre

fortes regras de secretismo.

Depois da revolução industrial e da era da informação que ocorreram devido a grandes

avanços científicos e tecnológicos, a Humanidade encontra-se perante algo nunca antes visto:

uma tecnologia capaz de alterar por completo a forma como hoje vivemos. As potencialidades

da nanotecnologia e da nanorrobótica, não se cinjam apenas aos possíveis avanços

apresentados na área da medicina; possibilitarão a criação em abundância de qualquer

material ou dispositivo, utilizando-se, por exemplo, as nanofábricas referenciadas, e que já

foram apresentadas em diferentes filmes de ficção científica como‎a‎série‎cinematográfica‎”Star

Trek”‎ de‎ 1966.‎ Isto‎ poderá‎ colocar‎ um‎ fim‎ nas‎ desigualdades‎ económicas,‎ tecnológicas‎ e‎

principalmente sociais que existem por todo o planeta. Se se analisarem as promessas

lançadas por outras tecnologias, como a eletrónica e informática que transformaram o planeta

numa aldeia global, ou a automação e a robótica que estão cada vez mais a libertar o Homem

de tarefas monótonas e repetitivas, vê-se também que nas suas infâncias foram lançadas

promessas sobre as transformações sociais que delas poderia advir mas, no entanto, tais

transformações sociais foram localizadas, não se tendo alastrado de forma igual por todas as

civilizações. Poderá a nanotecnologia e a nanorrobótica seguirem caminhos diferentes?

Poderão estas alcançar o que outras não conseguiram alcançar? Terão os nanorrobôs

realmente poder para alterarem substancialmente o mundo em que vivemos? E se tiverem tal

poder, conseguiremos que estes respeitem e apliquem as leis da robótica enunciadas por Isaac

Asimov, prevenindo os‎cenários‎de‎“fim‎de‎mundo”‎apresentados‎anteriormente?

1ª Lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal;

2ª Lei: Um robô deve obedecer às ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos em que tais ordens entrem em conflito com a Primeira Lei;

35

3ª Lei: Um robô deve proteger a sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira e/ou a Segunda Lei.

Certamente que as próximas décadas trarão desafios científicos, tecnológicos, ambientais, económicos e sociais como nunca antes vistos. Resta saber se a maturidade social da espécie humana estará à altura do poder avassalador do seu conhecimento.

36

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