Sistemas Embarcados
julho 31, 2017
NANORROBÓTICA: UM EXEMPLO DE APLICAÇÃO DE DISPOSITIVO COM SISTEMA EMBARCADO INTERAGINDO COM O CORPO HUMANO
Introdução
Nanorrobôs são nanoequipamentos ou máquinas de controle
usados para proteção ou tratamento do corpo humano contra agentes patogênicos.
Esses nanoequipamentos usualmente tem dimensões que variam entre 0,5 e 3
microns de diâmetro (algo da ordem de grandeza do comprimento de onda da luz
visível).
O principal elemento químico que
compõe os nanorrobôs é o carbono, devido ao fato de ser inerte e possuir
ligações químicas fortes quando arranjado na forma de diamante ou de fulereno:
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| Estruturas do diamante , grafite e fulereno. A estrutura da grafite, devido à sua forma de placas sobrepostas, é mais frágil que a estrutura do diamante e do fulereno, que possuem ligações direcionadas às 3 dimensões. |
Uma das principais
vantagens apresentadas por nanorrobôs é a sua ação específica em determinados
tecidos ou órgãos no corpo, como por exemplo as células cancerígenas. A
aplicação de drogas diretamente em células cancerígenas reduz os efeitos
colaterais da quimioterapia, por exemplo.
Outras aplicações
factíveis dos nanorrobôs, além da aplicação localizada de drogas são:
monitoramento de glicose em pacientes diabéticos, reconstrução óssea e
regeneração de tecido nervoso. Também podem ser úteis no controle e
monitoramento de concentração de nutrientes, tratamento de doenças de pele.
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| Concepção artística de um nanorrobô injetando medicamento em célula sanguínea Fonte da imagem: https://goo.gl/images/CEnoEp |
ESTRUTURA E
DESENHO DE NANORROBÔS
Componentes de Nanorrobôs
Como já foi dito, o principal componente químico dos nanorrobôs é o
carbono, devido às suas propriedades quando na forma diamantóide ou de
fulereno. Os outros componentes principais são o hidrogênio, o oxigênio, o
nitrogênio, o enxofre, o silício e o flúor.
Componentes de Nanorrobôs
Os vários componentes incluem: fonte de energia, tanque de armazenagem de
energia, sensores, motores, equipamentos para manipulação, computadores embarcados,
bombas, tanques pressurizados e estruturas suporte. As subestruturas num
nanorrobô podem ainda incluir microcâmeras .
Compartimento
de medicamento
Trata-se de um seção oca do nanorrobô, usada para armazenar pequenas quantidades
de medicamento. O robô é capaz de dosar medicamento
diretamente na célula doente ou infectada.
Sondas e facas
São usados para remover e triturar placas, coágulos e materiais
acumulados. Numa situação normal, se um pedaço de um coágulo
se solta e entra na corrente sanguínea, ele pode causar problemas no
sistema circulatório.
Emissores de micro-ondas
e geradores de sinais de ultrassom
Os médicos precisam de um método para destruir células cancerígenas sem
rompê-las, pois o rompimento pode liberar substâncias que causam a proliferação
da doença em outras partes do corpo.
Usando emissores de micro-ondas ou de sinais de ultrassom de comprimento
de onda específico, um nanorrobô pode quebrar ligações químicas nas células
doentes, matando-as sem romper a parede da célula. Alternativamente, o robô pode emitir micro-ondas ou sinal de
ultrassom para gerar calor suficiente para destruir a célula cancerígena. O
ultrassom também pode ser usado para destruir pedras nos rins.
Eletrodos
Com a ajuda de eletrodos, nanorrobôs podem gerar corrente elétrica,
aquecendo as células até elas morrerem. Os eletrodos montados podem formar a
bateria a partir dos eletrólitos dissolvidos no plasma sanguíneo.
Luz Laser
A luz laser pode queimar materiais prejudiciais como células
cancerígenas, coágulos sanguíneos e placas.
Fontes de
energia
Podem ser tanto externas quanto internas, isto é, nanorrobôs podem obter
energia diretamente do calor proveniente da corrente sanguínea do paciente ou
pode carregar uma quantidade de energia interna.
Cauda de
propulsão, motores e braços de manipulação
Os robôs precisam de um meio de propulsão para se locomoverem na corrente
sanguínea. Caudas de propulsão e motores são geralmente utilizados. Os motores
também são utilizados junto aos braços manipuladores.
Os braços manipuladores podem ser do tipo “montagem posicional” ou do
tipo “automontagem”. Na automontagem, o braço do minirrobô ou um conjunto
microscópico são usados para capturar moléculas e montar “manualmente” as
estruturas desejadas. Na montagem posicional, os braços irão colocar bilhões de
moléculas juntas, as quais irão se posicionar naturalmente, com base nas suas
afinidades, na configuração desejada. Os
nanorrobôs tem sensores químicos que identificam as moléculas alvo.
Sistema de
controle
O sistema de controle do nanorrobô é o software desenvolvido geralmente
para atuação em ambiente fluido
onde predomina o movimento Browniano. Tais sistemas fornecem “inteligência de
enxame” aos nanorrobôs, para descentralização das atividades. Técnicas de inteligência
de enxame são algorítmos projetados para conferir inteligência artificial aos
nanorrobôs. Tais técnicas são inspeiradas no comportamento de animais sociais
como as formigas e as abelhas, que trabalham de forma colaborativa, sem um
controle centralizado. As três principais técnicas de inteligência de enxame
são Otimização de Colônias de Formigas (ACO, sigla em inglês), Colônia de
Abelhas Artificial (ABC) e Otimização de Pequenos Enxames (PSO).
TIPOS DE
NANORROBÔS PARA SANGUE ARTIFICIAL
Os tipos de nanorrobôs projetados por Robert. A. Freitas Jr para o sangue
artificial são:
- Respirócitos (Respirocytes);
- Microbívoros (Microbivores);
- Coagulócitos (Clottocytes).
Respirócitos
De forma resumida, Respirócitos são nanorrobôs desenhados para serem
glóbulos vermelhos mecânicos artificiais. São esferas de 1 μm de diâmetro:
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| Nanorrobô : respirócito |
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Microbívoros são nanorrobôs que funcionam como um glóbulo branco
sanguíneo artificial, também conhecido como fagócito nanorrobótico. Os
microbívoros são dispositivos esferoides feitos de diamante e safira, com diâmetro
interno maior de 3,4 μm e diâmetro interno menor de 2,0 μm. Consiste de estrutura
atômica composto de 610 bilhões de átomos precisamente arranjados. Eles
envolvem os patógenos presentes no sangue e o quebram em moléculas menores. A principal
função dos microbívoros consiste em absorver e digerir componentes patogênicos
do sangue pelo processo de fagocitose. Consistem de 4 componentes fundamentais:
- Uma matriz de sítios de ligações reversíveis;
- Uma matriz de garras telescópicas;
- Uma câmara de maceração;
- Uma câmara de digestão.
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Mecanismo de fagocitose por um microbívoro
Coagulócitos
Hemostase é o processo de coagulação sanguínea pelas plaquetas que ocorre
quando as células do endotélio dos vasos sanguíneos são danificadas
Estas plaquetas podem ser ativadas pela colisão do colágeno exposto pelo
dano aos vasos sanguíneos. O processo natural de coagulação pode levar de 2 a 5
minutos.
A nanotecnologia se mostrou capaz reduzir o tempo de coagulação e consequentemente,
reduzir a perda de sangue. Em alguns pacientes, os coágulos sanguíneos ocorrem
de forma irregular. Esta anormalidade é tratada usando drogas como os corticosteroides.
Tal tratamento é associado a efeitos colaterais tais como secreções hormonais.
Sangue/plaquetas podem danificar os pulmões e causar reações alérgicas.
O projeto teórico de coagulócito contempla plaquetas mecânicas
artificiais, que podem completar a hemóstase em aproximadamente 1 segundo. O
coagulócito é esférico e alimentado por sérum-oxiglucose de aproximadamente 2 μm
de diâmetro, contendo uma tela de fibra que é compactamente embrulhada. O tempo
de resposta do coagulócito é de 100 a 1000 vezes mais rápido que o sistema hemostático
natural.
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