Robot nano siêu nhỏ - Siêu vũ khí công nghệ y học của tương lai
| 15/03/2012 05:00 PM
Và trong tương lai, y học sẽ còn tiến xa hơn với sự phát triển của công nghệ nano, với những robort có kích thước rất nhỏ được đưa vào cơ thể, tìm ra nguyên nhân gây bệnh và điều trị ngay từ bên trong.
Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật kéo theo sự phát triển của công nghệ y học, rất nhiều phát minh mới đã giúp cứu chữa những căn bệnh mà trước đây chúng ta phải bó tay. Và trong tương lai, y học sẽ còn tiến xa hơn với sự phát triển của công nghệ nano, với những robort có kích thước rất nhỏ được đưa vào cơ thể, tìm ra nguyên nhân gây bệnh và điều trị ngay từ bên trong.
Bạn sẽ không còn phải uống thuốc hay tiêm phòng nữa vì đã có đội ngũ y tế đặc biệt này, chúng sẽ giúp điều trị từ những bệnh nhỏ nhất như đứt tay chảy máu cho đến những căn bệnh nan y khó chữa như ung thư. Một viễn tưởng có vẻ khá xa vời, nhưng các nhà khoa học trên khắp thế giới đã và đang nghiên cứu để chế tạo ra những robot nano này, hứa hẹn sẽ tạo ra một bước ngoặt lớn trong y học.
Những thách thức đặt ra trong việc chế tạo robot nano là rất lớn, bởi chúng phải có kích thước rất nhỏ và di chuyển linh hoạt trong hệ thống tuần hoàn phức tạp của con người. Đồng thời chúng phải được trang bị thuốc hay các công cụ chữa trị cần thiết, và sẽ phải có cách để các bác sĩ điều khiển và quan sát từ bên ngoài. Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu về công nghệ robot nano, cấu tạo hoạt động và những ứng dụng của chúng trong tương lai.
Tại sao chúng ta cần những robot nano?
Một sự thật dễ nhận thấy rằng các robot nano sẽ giúp việc chữa trị hiệu quả hơn so với những biện pháp truyền thống. Tuy rằng chúng có kích thước rất nhỏ, đồng nghĩa với khả năng mang một khối lượng thuốc nhỏ cùng những thao tác hạn chế, nhưng nhiều bác sĩ cùng các nhà khoa học cho rằng việc tác động trực tiếp lên vùng bị bệnh từ bên trong mà không cần phải mổ sẽ là một biện pháp vô cùng hữu hiệu.
Khác với các biện pháp truyền thống như tiêm hoặc uống thuốc, một phần thuốc sẽ bị pha lẫn vào máu hoặc hệ tiêu hóa, do đó chỉ có một phần nhỏ còn tác dụng chữa trị, đội ngũ robot nano có thể di chuyển trực tiếp đến vùng bị bệnh và tiêm thuốc, nên hiệu quả của thuốc sẽ cao hơn và bệnh nhân cũng chịu ít tác dụng phụ hơn. Ứng dụng của robot nano trong thực tế là không có giới hạn, từ việc tiêu diệt các ký sinh trùng đến việc đánh tan sỏi thận hay tiêu diệt những khối u ác tính bằng biện pháp hóa trị trực tiếp hay sử dụng tia laser v..v.. Như vậy trong tương lai con người sẽ không còn phải sợ bất kỳ loại bệnh tật nào.
Hệ thống định vị và dẫn đường
Có 3 vấn đề lớn đặt ra trong việc thiết kế các robot nano, đó là làm sao để quan sát theo dõi các robot này ở trong cơ thể con người, nguồn điện ở đâu, và làm sao để điều khiển các hoạt động của chúng. Các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm lời giải cho từng vấn đề trên, tuy nhiên các biện pháp đều tập trung vào 2 hướng: các hệ thống bên ngoài và hệ thống gắn trên robot. Dưới đây là một số giả thiết có thể được sử dụng.
Một trong những biện pháp giúp theo dõi và quan sát các robot nano (để dẫn đường chúng đến nơi cần chữa trị) là sử dụng tín hiệu siêu âm. Giống như các thiết bị siêu âm khác, các tín hiệu phát ra và phản hồi lại sẽ ghi lại hình ảnh của đội ngũ robot nano. Bên cạnh đó các bác sĩ còn có thể sử dụng máy cộng hưởng từ để theo dõi các robot nano thông qua từ trường mà nó phát ra.
Các phương pháp khác giúp theo dõi và dẫn đường cho các robot nano đó là x-quang, sóng vô tuyến, vi sóng hay cảm ứng nhiệt. Đây chỉ là những phương pháp dựa trên nhưng công nghệ hiên tại mà chúng ta đang có, do đó trong tương lai các robot nano có thể sư dụng những cách khác để tự động dò đường và đến nơi cần chữa trị. Một robot nano có thể sử dụng cảm biến hóa học để phát hiện và theo dấu vết của các hóa chất trong cơ thể để đến được đúng vị trí, bởi các hóa chất ở mỗi vùng trong cơ thể chúng ta là khác nhau.
Một biện pháp khác có vẻ khó thực hiện hơn nhưng không phải là không khả thi, đó là gắn thêm 1 camera thu nhỏ trên mỗi robot. Các bác sĩ có thể điều khiển từ bên ngoài và theo dõi những hình ảnh trực tiếp được truyền về. Tuy nhiên hệ thống camera này là vô cùng phức tạp và chúng ta sẽ phải mất rất nhiều năm nữa mới có thể chế tạo một hệ thống theo dõi hoàn chỉnh và phù hợp với những robot nano này.
Nguồn năng lượng
Cũng giống như hệ thống định vị và dẫn đường, các nhà khoa học đang nghiên cứu cả hai nguồn điện bên ngoài và bên trong robot. Một số thiết kế dựa trên việc sử dụng cơ thể của bệnh nhân như là một cách tạo ra điện, thiết kế khác bao gồm một nguồn điện nhỏ gắn trên các robot. Cuối cùng là một số thiết kế sử dụng nguồn điện bên ngoài cơ thể của bệnh nhân.
Một robot nano với điện cực gắn kết có thể trở thành một nguồn điện tương tự một cục pin bằng cách thu thập các chất điện phân có trong máu.Một biện pháp khác đó là tạo ra các phản ứng hóa học với các chất trong máu và đốt cháy chúng để tạo ra năng lượng. Các robot nano sẽ chứa một lượng chất hóa học và trở thành nguồn nhiên liệu khi kết hợp với máu.
Một robot nano còn có thể sử dụng nhiệt độ cơ thể của bệnh nhân để tạo ra năng lượng, dựa trên hiệu ứng nhiệt điện (hay còn được gọi là hiệu ứng Peltier-Seebeck). Hiệu ứng nhiệt điện xảy ra khi 2 dây dẫn làm bằng kim loại khác nhau có nhiệt độ khác nhau, sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 dây kim loại sẽ tạo ra một hiệu điện thế từ đó tạo ra dòng điện. Tuy nhiên cũng rất khó để có thể xác định sự thay đổi nhiệt độ trên các bề mặt cắt khác nhau trong mạch máu, do đó trong tương lai có lẽ chúng ta sẽ ít thấy những robot nano sử dụng nguồn năng lượng này.
Một biện pháp khác tỏ ra hữu hiệu hơn, đó là thiết kế những pin năng lượng đủ nhỏ để gắn trên các robot nano. Tuy nhiên năng lượng mà pin cung cấp tỷ lệ thuận với kích thước và khối lượng của nó, do đó một cục pin rất nhỏ sẽ chỉ cung cấp một phần nhỏ điện năng mà một robot nano cần. Trong đó việc sử dụng những tụ điện như nguồn pin năng lượng có vẻ hiệu quả hơn bởi tỷ lệ giữa công suất và trọng lượng của chúng tốt hơn những loại pin thông thường.
Bên cạnh đó các nhà khoa học cũng nghiên cứu những hệ thống cung cấp điện từ bên ngoài, có thể thông qua một hệ thống dây dẫn vừa cung cấp điện năng vừa truyền tín hiệu điều khiển. Các dây dẫn này cần phải rất nhỏ nhưng vẫn đảm bảo độ bền chắc và di chuyển dễ dàng trong cơ thể mà không gây ảnh hưởng gì. Một dây dẫn có thể bằng kim loại dẫn điện hay sợi quang học, sợi quang học truyền các tín hiệu ánh sáng và sẽ được chuyển đổi thành điện năng thông qua một hệ thống trên robot.
Việc sử dụng hệ thống dây dẫn cũng gây ra nhiều bất tiện vì các robot nano sẽ không thể di chuyển đến tất cả các vùng trong cơ thể. Do đó việc nghiên cứu những biện pháp truyền năng lượng từ bên ngoài mà không cần dây dẫn cũng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Những biện pháp khả thi nhất là sử dụng sóng viba, sóng siêu âm hay từ trường. Một robot nano với một màng áp điện có thể nhận tín hiệu sóng viba và siêu âm để chuyển đổi thành dòng điện, tuy nhiên các sóng này lại có thể gây ảnh hưởng không tốt đến người bệnh khi nó truyền qua cơ thể.
Hệ thống di chuyển
Sau khi các robot này được đưa vào mạch máu, chúng cần có một hệ thống đẩy để đi đến được nơi cần chữa trị. So với kích thước của các robot này thì áp lực dòng chảy trong mạch máu là khá lớn, do đó hệ thống đẩy cần phải đủ mạnh để giúp nó di chuyển ngược dòng. Một điều quan trọng nữa là sự an toàn của bệnh nhân, do đó sự di chuyển của các robot nona phải không gây ảnh hưởng đến các mạch máu.
Một số nhà khoa học đã lấy ý tưởng của những động vật đơn bào để thiết kế hệ thống di chuyển cho các robot nano. Các động vật đơn bào di chuyển bằng cách sử dụng những mao cuốn, giống như những cái đuôi nhỏ. Bằng cách làm rung động các mao cuốn này chúng có thể di chuyển theo nhiều hướng khác nhau.
Các nhà khoa học Israel đã tạo ra một mirco robot chỉ dài có một vài milimét, trong đó có sử dụng một cánh tay rất nhỏ để kẹp và thu thập mẫu từ những mạch máu, đồng thời giúp các robot này chuyển động. Các nhà khoa học điều khiển bằng cách tạo ra từ trường ở bên ngoài cơ thể. Các từ trường làm cánh tay robot rung động và đẩy nó đi trong mạch máu.
Một cách khác có thể giúp các robot này di chuyển đó là sử dụng nguyên lý như một động cơ phản lực. Các robot nano có tụ điện sẽ tạo ra lực hút nhỏ giống như một máy bơm điện, hút chất lỏng vào một đầu sau đó đẩy ra để tạo lực đẩy. Ngoài ra các robot nano còn có thể sử dụng một cơ cấu màng rung để di chuyển. Các màng rung này hoạt động giống như chuyển động của một con rắn nước, sẽ tạo lực đẩy giúp các robot có thể di chuyển.
Các thiết bị chính giúp điều trị bệnh
Những micro robot hiện nay có chiều dài chỉ vài milimét, và đường kính 1 milimét, nhưng chúng vẫn còn quá lớn so với những robot nano (nanomét là một phần tỷ của một mét, trong khi milimét chỉ là một phần nghìn của một mét). Do đó các bộ phận của một robot nano cũng vô cùng nhỏ và bạn chỉ có thể quan sát dưới kính hiển vi. Dưới đây là một vài bộ phận chính trong các robot nano:
Khoang chứa thuốc: là một khoang rỗng bên trong để chứa một lượng nhỏ thuốc hoặc hóa chất. Các robot nano có thể mang thuốc đến những vùng bị bệnh hay nhiễm trùng và chữa trị trực tiếp, ngoài ra các robot này có thể mang theo những hóa chất sử dụng trong hóa trị liệu để điều trị ung thư.
Đầu dò: bao gồm cả thiết bị lấy mẫu vật và các thiết bị giúp loại bỏ tắc nghẽn hoặc các mảng bám trong mạch máu. Nó còn giúp phá vỡ những cục máu đông và loại bỏ những vùng gây nên bệnh xơ cứng động mạch.
Thiết bị phát sóng siêu âm: giúp tiêu diệt các tế bào ung thư mà không làm vỡ nó. Bởi một tế bào ung thư khi vỡ ra có thể làm nó lan rộng hơn khiến các tế bào khỏe mạnh cũng có thể nhiễm bệnh. Bằng cách sử dụng sóng siêu âm các robot nano có thể phá vỡ các liên kết hóa học trong tế bào ung thư, giết chết nó mà không phá vỡ bức tường tế bào.
Tia laser: các tia laser có thể đốt cháy các tế bào độc hại, phá vỡ các cục máu đông hay giúp đánh tan sỏi thận. Tuy nhiên việc thiết kế một tia laser đủ mạnh để tiêu diệt các tế bào ung thư mà không làm ảnh hưởng đến các bộ phận khác là một khó khăn rất lớn.
Hiện tại và tương lai
Hiện nay, các robot rất nhỏ cỡ vài milimét đã được chế tạo, tuy nhiên chúng vẫn trong giai đoạn thử nghiệm và chưa được ứng dụng trên người. Các nhà khoa học trên thế giới vẫn đang nghiên cứu và phát triển những mẫu robot nano theo nhiều cách khác nhau. Trong bài viết chỉ là một trong số những thiết kế thử nghiệm của những hệ thống trong một robot nano. Có lẽ chúng ta sẽ phải đợi thêm vài năm nữa để chứng kiến sự xuất hiện của một robot nano hoàn chỉnh, và sẽ còn mất nhiều thời gian hơn để các robot này có thể giúp sức trong việc điều trị bệnh.
Trong tương lai, robot nano sẽ là cuộc cách mạng lớn của y học. Chúng sẽ không chỉ giúp chữa trị nhiều căn bệnh, mà còn giúp phát hiện những sự thay đổi trong cơ thể giống như một cơ chế kiểm tra sức khỏe. Ngoài ra nó còn có thể tăng cường sức đề kháng và sức khỏe. Và rất có thể trong tương lai, công nghệ robot nano sẽ được áp dụng trong quân sự, làm tăng sực mạnh cũng như sự chịu đựng của binh lính.Và biết đâu đấy, với hàng ngàn robot nano trong cơ thể, những binh lính của tương lai sẽ có sức mạnh cũng như khả năng tự chữa lành vết thương giống như wolverine ...
Tham khảo tại HowStuffWork