اینترنت نانواشیا: عظمت دنیای آینده در حد نانو است!

نانوماشین‌ها ابزارهایی مکانیکی هستند که از  کنار هم قرار دادن مولکول‌ها ساخته می‌شوند و قادرند در مقیاس نانو، اعمال محاسباتی ساده‌ای انجام دهند یا به عنوان حسگر یا عملگر مورد استفاده قرار گیرند. می‌توان از نانوماشین‌ها به‌عنوان پایه‌ای برای ساخت نانوربات‌ها، نانوپردازنده‌ها، نانوحافظه‌ها و نانوساعت‌ها استفاده کرد. بسیاری از این نانوماشین‌ها به صورت طبیعی وجود دارند و کافی است آن‌ها را بشناسیم و بدانیم چطور آن‌ها را به خدمت بگیریم. می‌توانیم با دستکاری نانوماشین‌های موجود در طبیعت یا ساخت آن‌ها از پایه، به نانوماشین‌های اختصاصی دست پیدا کنیم. اینکه مدارهای الکترونیکی و ساختارهای مکانیکی را در حد نانو کوچک کنیم یا از مولکول‌های زیستی برای ساخت نانوماشین‌های مورد نیاز خود استفاده کنیم هم در اختیار خودمان است. می‌توان پا را فراتر نهاد و با استفاده از «اینترنت نانو‌اشیا» تعاملات بین این نانودستگاه‌ها را گسترش داد و به سامانه‌هایی بسیار پیچیده رسید که میزان تسلط ما بر دنیای نانوی درون بدنمان را به‌طور شگفت‌‌آوری ارتقا دهند. آنچه در این مقاله خواهید خواند، مثال‌هایی از ایده‌های بشر در این حوزه است که البته برای آیندگان، به جزئی از زندگی روزمره‌شان تبدیل خواهند شد.

نانوماشین‌ها

سوییچ‌های زیستی (biomolecular switch) نقش مهمی در زندگی موجودات دارند و بر اساس ورودی‌های شیمیایی دریافتی، فرآیند زیستی درون بدن جانداران را تنظیم و کنترل می‌کنند. در حقیقت، این ساختارهای مولکولی، ماشین‌هایی طبیعی درون بدن جانداران هستند و آنها را در سطح نانو کنترل می‌کنند. حالا که طبیعت این سوییچ‌های مولکولی  را در اختیار ما قرار داده است، چرا از آن‌ها در توسعه فناوری نانو بهره نبریم؟ این دقیقاً ایده‌ای است که Vallée-Bélisle  از دانشگاه مونترال، حدود یک دهه است روی آن کار می‌کند. او و گروهش تلاش می‌کنند تا با شناخت ماهیت برخی از مکانیزم‌های طبیعی، از این مکانیزم‌ها در کاربردهایی نظیر دارورسانی در بدن و سنجش‌های زیستی (biosensing) استفاده کرده و در نهایت، با الهام از این سامانه‌‌ها، نانوماشین‌های مبتنی بر دی‌ان‌ای بسازند. تاکنون او و همکارانش موفق به ساخت چندین نانوماشین از این نوع شده‌اند نظیر یک حرارت‌سنج قابل‌برنامه‌ریزی که قادر به اندازه‌گیری دما در مقیاس نانو است. جدیدترین سامانه‌ای که این گروه طراحی کرده، یک تیروکمان مولکولی در مقیاس نانو است که از دی‌ان‌ای ساخته شده و 20 هزار بار باریک‌تر از موی انسان است (تصویر 1). این گروه در ساخت این تیروکمان از عملکرد هموگلوبین که یک نانوماشین طبیعی است، الهام گرفته‌اند. هموگلوبین، پروتئین مسئول انتقال اکسیژن در بدن است. به گفته Vallée-Bélisle: « اکسیژن، مولکول خطرناکی است. هموگلوبین نه تنها قادر به حمل این مولکول است بلکه قادر است آن را درست در همانجایی که بدن نیاز دارد، رها کند.» گروه Vallée-Bélisle با استفاده از همین ایده، این سامانه‌ دارورسانی مبتنی بر دی‌ان‌ای را طراحی کرده‌اند. طول ریسمان این تیروکمان فقط چند نانومتر است و از یک رشته دی‌ان‌ای مصنوعی ساخته شده که قادر است به‌طور مؤثری مشابه ریسمان یک تیروکمان عمل کرده و دارو را در زمان مناسب به سمت مکان مورد نظر شلیک کند. چنین روشی این امکان را فراهم می‌کند که داروهای خطرناک به‌طور مستقیم به محل عفونت ارسال شوند و نیازی نباشد که دارو را از بخش‌های مختلف بدن عبور دهیم. این گروه سال گذشته میلادی، ایده خود را آزمودند، اما برای دستیابی به بهترین عملکرد، به بررسی و توسعه بیشتری نیاز است. 
گروهی دیگر از محققان نیز نانورباتی از دی‌ان‌ای ساخته‌اند که قادر است سلول‌های سرطانی را یافته و با تزریق دارو، خون‌رسانی به آن‌ها را متوقف کرده و آن‌ها را از بین ببرد. نکته مهم این است که این روش اثر منفی بر سایر بافت‌ها نمی‌گذارد و اختلالی در خون‌رسانی سایر بخش‌ها ایجاد نمی‌کند. آن‌ها این روش را روی موش و خوک آزموده‌اند اما برای استفاده روی انسان هنوز راه زیادی در پیش دارند. نتیجه چنین تحقیقی بسیار امیدبخش است به ویژه اگر بدانیم در روش‌های فعلی درمان سرطان، حتی بخشی از سلول‌های سالم بدن نیز در جریان درمان از بین می‌روند.

شکل1 - تیروکمانی برای دارورسانی. طول ریسمان این تیروکمان فقط چند نانومتر است و قادر است در بدن، دارو را در زمان مناسب به سمت مکان مورد نظر شلیک کند.

مطلب پیشنهادی

هوش مصنوعی می‌تواند نقش پزشک متخصص را ایفا کند؟

کمک نانوربات‌ها به امنیت غذایی

Sam Rasmussen Nugen  کارشناس غذا و سامانه‌های زیستی از دانشگاه کرنل سعی دارد تا با کمک نانوربات‌ها از شیوع برخی بیماری‌ها جلوگیری کند. ایده او کمک گرفتن از باکتری‌خوارها (باکتریوفاژها یا به اختصار فاژها) برای  آزمودن سریع سلامت غذا و آب و شناسایی باکتری‌ها است. فاژها ویروس‌هایی هستند که قادرند باکتری‌های هدف را آلوده کرده و از بین ببرند. Nugen و گروهش، از روشی که فاژهای طبیعی در شکار باکتری‌ها استفاده می‌کنند، ایده گرفته‌‌اند و با دستکاری ژنتیک به گونه جدیدی از فاژها دست یافته‌اند که نه تنها قادرند باکتری‌ها را یافته و آلوده کنند، بلکه با ارسال علائم الکتروشیمیایی، نتایج کار را گزارش می‌دهند(تصویر 2) . 

شکل2 - فاژهای مجهز به نانوذرات مغناطیسی، با اندامک‌های خود به سطح باکتری می‌چسبند و امکان جداسازی باکتری‌ها از محیط را فراهم می‌کنند.

 روش معمول برای یافتن باکتری‌ها استفاده از آنتی‌بادی‌هاست ولی این روش گران بوده و برای دستیابی به نتیجه بهتر، نیازمند شرایط دمایی و PH ویژه‌ای است. در مقابل، فاژها همه جا وجود دارند  و همین ویژگی بطور بالقوه استفاده از آن‌ها به عنوان شکارچی باکتری را توجیه‌پذیرتر می‌کند. فاژها با کمک پروتئین‌هایی که روی اندامک‌های خود دارند، باکتری را شناسایی کرده و به سطح آن می‌چسبند. فاژ، ماده ژنتیکی خود را به درون باکتری تزریق کرده و سلول باکتری را وادار به تولید فاژهای بیشتری می‌کند. Nugen و همکارانش فاژها را به گونه‌ای برنامه‌ریزی کرده‌اند که قادر به شناسایی باکتری E. coli  شوند. فاژهای مهندسی شده این گروه، حاوی یک دی‌ان‌ای ویژه هستند که باکتری را وادار به ساختن آنزیمی می‌کنند که به سادگی قابل شناسایی است. زمانی‌که آلودگی به حدی برسد که سبب پارگی پوسته سلول‌های باکتری و رهاسازی فاژهای جدید شود، واکنش شیمیایی و آنزیم، یک سیگنال قابل اندازه‌گیری به‌صورت نور، رنگ یا جریان الکتریکی تولید می‌کند. به عنوان مثال، فاژهایی که به E. coli موجود در شیر حمله می‌کنند آن را به رنگ قرمز درآورده یا آب پرتقال را به رنگ صورتی در می‌آورند.
 محققان این فاژها را به نانوذراتی با هسته مغناطیسی از جنس آهن و کبالت مجهز کرده‌اند و به این ترتیب قابلیت‌های بیشتری را به آن‌ها افزوده‌اند. در این صورت،  وقتی فاژ به باکتری می‌چسبد، می‌توان با آهنربا باکتری‌ها را حتی پیش از ارسال علامت، جمع‌آوری کرد. این ویژگی کمک زیادی می‌کند تا باکتری‌ها را در تجمعات کم ( کمتر از 10 سلول E coli در نصف یک فنجان آب ) شناسایی کنیم. در روش‌های معمول برای یافتن باکتری‌ها از کشت باکتری استفاده می‌کنند که دو روز زمان می‌برد. ولی  Nugen و همکارانش قادرند با استفاده از فاژها، سلول‌ها را درعرض چند ساعت بیابند.

مطلب پیشنهادی

فناوری‌های عصبی و لزوم احترام به حریم شخصی

چهار اولویت اخلاقی در رابطه با فناوری‌های عصبی و هوش مصنوعی

نانوموتورها

محققان هندی، از انستیتوی علوم بنگلور موفق  به ساخت نانوموتورهایی شده‌اند که می‌توان آن‌ها را به درون یک سلول زنده فرستاد و از دور کنترل کرد، بدون اینکه به سلول آسیبی برسد. ( تصویر 3) در روش‌های معمول کنترل‌کردن چنین نانوموتورهایی، از امواج صوتی یا الکتریکی استفاه می‌شود، اما کنترل کردن نانوموتور با این روش‌ها دشوار است و در مواردی باعث آسیب‌ رسیدن به سلول می‌شود. این محققان برای ساخت نانوموتور از سیلیس (silica) استفاده کرده‌اند و روی آن را با آهن پوشاندند. آن‌ها نانوموتورهایی به قطر 400 نانومتر و 250 نانومتر ساختند و عملکرد آن‌ها را در سه نوع سلول زنده مورد ارزیابی قرار دادند. سلول‌‌های حاوی نانوموتورها درون ظرفی زیر میکروسکوپ قرار داده شدند و محققان با تنظیم میدان مغناطیسی، موفق شدند حرکت نانوموتورهای درون سلول را کنترل کنند و در این میان، کنترل کردن موتورهای 250 نانومتری ساده‌تر بود. محققان نتایج این تحقیق را گام‌هایی ابتدایی می‌دانند اما معتقدند این روش، قابلیت‌های بسیاری داشته و می‌توان از آن در کاربردهایی نظیر دارورسانی هدفمند، سنجش در مقیاس نانو و نانوجراحی استفاده کرد. 

شکل 3 - طرحی از یک نانوموتور که می‌توان آن‌ را به درون یک سلول زنده فرستاد و از دور کنترل کرد بدون اینکه به سلول آسیبی برسد.

اما دنیای نانوموتورها به همین محدود نمی‌شود. به عنوان مثال گروهی از محققان دانشگاه Durham  و Rice،  موفق به ساخت مته‌ای شده‌اند که با سوراخ کردن غشای سلول سرطانی، در عرض 60 ثانیه آن را از بین می‌برد ( تصویر 4). رشته‌ای از اتم‌ها در کنار هم بخش متحرک ( روتور) این موتور را تشکیل می‌دهند که با چرخش خود، سبب می‌شوند مولکول با سرعت بسیار زیادی بچرخد. این نانوماشین‌ها به سطح سلول هدف می‌چسبند و با یک فرمان نوری، غشای سلول را سوراخ کرده و وارد سلول می‌شوند. این محققان امید دارند به نانوماشین‌هایی دست‌یابند که با نور قابل کنترل باشند و در درمان سرطان‌های سینه و پوست به ویژه آن‌هایی که به شیمی‌درمانی مقاوم هستند، مورد استفاده قرار گیرند. با پیشرفت چنین روش‌هایی، راهکارهایی برای درمان غیر تهاجمی سرطان فراهم خواهد شد و بیماران سریع‌تر بهبود خواهند یافت. به گفته دکتر James Tour از دانشگاه Rice، این نانوماشین‌ها چنان کوچک هستند که می‌توانیم۵۰ هزار عدد از آن‌ها را روی یک تار موی انسان قرار دهیم. او می‌گوید: «سال‌ها بود که گمان می‌کردم این نانوماشین‌ها در درمان‌های پزشکی کاربردی نخواهند داشت زیرا بسیار کوچک‌تر از سلول‌ها هستند.  اما حالا این تحقیق دیدگاه مرا عوض کرده و با استفاده از این ابزارها راهی جدید در درمان بیماران یافته‌ام. این در آینده به راهکاری فوق‌العاده برای درمان سرطان تبدیل خواهد شد؛ نه فقط برای از بین بردن سلول‌هایی که سرطانی شده‌اند، بلکه برای درمان این سلول‌ها و تعامل با بدن انسان.»

شکل4 - بالا: نانوموتورها سلول‌های بیمار را یافته و قادرند دارو را به درون آن‌ها تزریق کرده یا با سوراخ کردن پوسته سلول وارد آن شده و آن‌‌ را از بین ببرند. 
پایین: سلول سرطانی بعد از گذشت 60 ثانیه متلاشی می‌شود.​

مطلب پیشنهادی

غول جستجوی اینترنتی در راه کمک به علم پزشکی

الگوريتم هوش مصنوعی گوگل که قادر به شناسایی بیماری‎های قلبی است

IoNT

اینترنت اشیا ( IoT ) در سال‌‌های اخیر محبوبیت زیادی پیدا کرده است. اینترنت اشیا دنیایی مجهز به انواع حسگرها و ابزارهایی را در اختیار ما قرار می‌دهد که به توان پردازشی مجهز هستند و بر محیط نظارت دارند، پارامتر‌های محیط را رصد می‌کنند، با یکدیگر در تعامل هستند و پس از پردازش (یا پیش‌پردازش) داده‌‌هایی را که جمع‌آوری کرده‌اند، نتایج را به مراکز مشخصی می‌فرستند. برقراری ارتباط اینترنتی بین نانوحسگر‌ها و نانوابزارها از جمله ایده‌های هیجان‌انگیز در حوزه اینترنت اشیا است که اصطلاحی جدید را وارد این عرصه کرده: اینترنت نانواشیا ( IoNT).
هدف از IoNT فراهم کردن ارتباط بین نانوابزارها با استفاده از شبکه‌های ارتباطی معمول و اینترنت پرسرعت است. به این ترتیب حسگرهای بسیار کوچک قادر خواهند بود، از طریق شبکه‌های نانویی با یکدیگر ارتباط داشته باشند و داده‌ها را از محیط خود جمع‌آوری کنند. بر همین اساس IoNT دریچه‌های جدیدی را به روی حوزه‌‌هایی نظیر نانوحسگرها، ارتباطات نانویی و نانوابزارها خواهد گشود. ایده IoNT توسط Ian Akyildiz  و Josep Jornet  در مقاله‌ای با عنوان The Internet of Nano-Things مطرح شد. شرکت‌هایی نظیر اینتل، سیسکو، کوالکام، آی‌بی‌ام، اشنایدر و زیمنس در بازار IoNT حضور فعالی دارند. انتظار می‌رود در آینده IoNT فراگیر شود، اما رشد بازار IoNT با چالش‌‌‌هایی مواجه است که بخش مهمی از آن‌ها به حریم خصوصی و امنیت مربوط می‌شوند. البته هزینه سرسام‌آور موردنیاز را برای توسعه فناوری نانو نیز باید به لیست چالش‌ها اضافه کنیم. زیرساخت IoNT  ترکیبی از نانودستگاه‌ها و چندین فناوری نظیر IoT، شبکه حسگرها، محاسبات ابری  و کلان داده ( Big Data ) است. ارتباطات در IoNT را می‌توان در دو دسته کلی جای داد. دریافت و ارسال سیگنال‌های الکترومغناطیسی و دریافت و ارسال اطلاعات رمزشده در مولکول‌ها.  شبکه IoNT از اجزای مختلفی تشکیل شده که ما را به یاد شبکه‌های مرسوم می‌اندازند نظیر نانوگره‌ها و نانوروترها  (تصویر 5-الف). نانوگره‌ها، کوچک‌ترین و ساده‌ترین نانوماشین‌ها هستند که وظایف متنوعی نظیر محاسبه و تبادل داده در مسافت کوتاه را بر عهده داشته و حافظه اندکی دارند. به عنوان مثال، حسگرهای زیستی موجود در بدن انسان نوعی نانوگره محسوب می‌شوند. نانومسیریاب‌ها(نانوروترها) در مقایسه با نانوگره‌ها توان پردازشی بیشتری دارند. آن‌ها علاوه بر اینکه اطلاعات ارسال شده از نانوگره‌ها را جمع‌آوری می‌کنند، در کنترل نانوگره‌ها نیز نقش مهمی دارند. از دیگر عناصر یک شبکه IoNT می‌توان به دستگاه‌های واسط نانو ـ ‌‌میکرو اشاره کرد. وظیفه این بخش جمع‌آوری داده‌ها از نانوروترها و ارسال آن‌ها به سطح میکرو (microscale) و بالعکس است. کنترل از راه دور نانوشبکه توسط Gateway و بر بستر اینترنت انجام  می‌شود و به این ترتیب می‌توان به داده‌های جمع‌آوری شده دسترسی داشت یا با دنیای نانو ارتباط برقرار کرد.IoNT از روش‌های بسیار پیشرفته‌ای برای جمع‌آوری داده استفاده می‌کند و در مقایسه با IoT کاربردهای جدید و پیشرفته‌ای را می‌توان برای آن متصور بود. به‌ عنوان مثال چنین دستاوردی کمک بسیار زیادی در زمینه پایش سلامتی انسان خواهد کرد. به‌طوری‌که شبکه‌ای از نانو حسگرها اطلاعات مهمی را از بدن جمع‌آوری کرده و این اطلاعات از طریق بسترهای ارتباطی نظیر اینترنت به‌طور زنده در اختیار پزشک قرار می‌گیرند (تصویر 5-ب). پایش محیط زیست یکی دیگر از کاربردهای بالقوه IoNT است. کارگذاشتن نانوحسگرها در محل‌هایی نظیر ایستگاه‌های قطار و اتوبوس، فرودگاه‌ها، هتل‌‌ها، رستوران‌ها و سایر مکان‌های عمومی، امکان پایش زنده ترافیک، آلودگی هوا و تغییرات دما را فراهم خواهد کرد. علاوه بر این می‌توان در حوزه‌‌هایی نظیر کشاورزی، نظامی و ساخت نانوربات‌ها و نانوپهپادها، صنعت و ده‌ها مورد دیگر نیز از IoNT بهره برد.

شکل5 - بالا: اجزای شبکه IoNT .
پایین: پایش سلامتی از طریق نانوحسگرها و IoNT

به دنیای نانو خوش‌آمدید

ساخت ابزارهایی در مقیاس نانو امکانات شگفت‌انگیزی را در اختیار ما قرار می‌دهد. انواعی از ابزارها نظیر نانوحسگرها، نانوربات‌ها و نانوپردازنده‌ها، به ما این امکان را می‌دهند که به‌طور دقیق‌تری بر بدن خود نظارت داشته باشیم و در مواقع لزوم، در سطح سلولی دست به انجام عملیات و مداخلاتی بزنیم که شاید تا پیش از این فقط در داستان‌های علمی‌ـ‌تخیلی از آن‌ها سخنی به میان می‌آمد. مطرح‌شدن ایده IoNT به یقین این روند را پخته‌تر خواهد کرد. ما که در دنیای خود از اینترنت استفاده می‌کنیم، حالا قصد داریم در سطح نانو همه ابزارهای خود را با هم شبکه کرده و این شبکه را به اینترنت متصل کنیم. شاید آن روز دور نباشد که تلفن همراه خود را برداریم و در آن به‌طور زنده، فعالیت سلول‌های خود را مشاهده کنیم، از آن‌ها عکس بگیریم و حتی در فضای مجازی منتشر کنیم به امید لایک گرفتن! در هر صورت سبک زندگی جدیدی در انتظار بشر است و مثل همیشه در کنار فواید، می‌توان مضراتی نیز برای آن متصور بود.