ננורובוטיקה (Nanorobotics)

הגדרה וגודל: קנה-מידה שקטן בהרבה מתא

ננורובוטיקה היא תחום הנדסה שעוסק בתכנון, בבנייה ובהפעלה של התקנים הקרויים ננורובוטים (גם: ננובוט, ננומכונה) — ברכיבים הקרובים לגודל של ננומטר, מיליארדית המטר. ההתקנים עצמם נעים בדרך-כלל בין 0.1 ל-10 מיקרומטרים, קטנים בהרבה מתא אנושי טיפוסי. בוויקיפדיה מובאות שתי הגדרות: האחת מתייחסת לננורובוט כמכונה מולקולרית ממש; השנייה, קרובה יותר למיקרוסקופיה, מתייחסת לכל מכשיר שמסוגל לתפעל או לקיים אינטראקציה מדויקת עם עצמים בקנה-מידה ננומטרי — ולפיה אפילו מיקרוסקופ-כוח-אטומי (AFM) שמכוון לתפעול ננומטרי נחשב מכשיר ננורובוטי.

מהמדע-הבדיוני לרעיון מדעי: פיינמן והיבס

המדען ריצ'רד פיינמן תיאר בהרצאתו "יש הרבה מקום בתחתית" (1959) את האפשרות לבנות מכונות זעירות שבונות מכונות זעירות עוד יותר. אלברט היבס, תלמידו ושותפו-לשעבר, הציע בסביבות אותה שנה שימוש רפואי לרעיון — "בליעת המנתח": מכונה זעירה שתיכנס לגוף ותתקן אותו מבפנים. במילים האלה גלום ההבדל בין ננורובוטיקה למה שמכונה "ננוטכנולוגיה מולקולרית": הראשונה שואפת למכונה פיזית ממשית, שאפשר להרכיב ולבדוק; השנייה, שמזוהה בעיקר עם ספרו של אריק דרקסלר Engines of Creation, עדיין תיאורטית במידה רבה, וסביבה גם מחלוקת מדעית אם המבנים שהוצעו בה ניתנים כלל למימוש פיזי. בשנת 2000 הקימו רוברט פרייטס ורלף מרקל את שיתוף-הפעולה Nanofactory Collaboration, ובו 23 חוקרים מ-10 מוסדות בארבע מדינות, שחיפשו דרך לבנות "מפעל-ננו" מבוסס יהלום בשיטת מכנוסינתזה — בנייה מבוקרת-מיקום של קשרים כימיים, אטום אחר אטום.

ננו-מנועים אמיתיים: הנעה מגנטית וכימית

לצד התיאוריה נבנו ננו-מנועים ממשיים. ב-2009 פרסמו גוש ופישר במגזין Nano Letters הנעה מבוקרת של מדחפים ננומבניים מגנטיים מלאכותיים — מבנים סליליים בגודל ננומטרי שמסתובבים בתגובה לשדה מגנטי מסתובב, בלי צריכת דלק כימי. ב-2014 ביצעה אוניברסיטת קליפורניה בסן-דיאגו את ההדגמה הראשונה של ננו-מנועים הפועלים בתוך אורגניזם חי. את השדה המגנטי המסתובב אפשר לכוון במרחב בעזרת סליל הלמהולץ תלת-צירי, וננו-מנועים כאלה שימשו גם למדידת צמיגות של נוזלים לא-ניוטוניים ברזולוציה של מיקרונים בודדים.

רפואה: משלוח תרופות ישר למטרה

השימוש המובהק הוא משלוח תרופות ממוקד. חוקרים מהרווארד ומ-MIT חיברו גדילי RNA באורך של כ-10 ננומטר לחלקיקים ננומטריים עמוסים בתרופת-כימותרפיה; הגדילים נמשכים לתאים סרטניים, והחלקיק נדבק אליהם ומשחרר את התרופה בדיוק במקום הנדרש. ננו-שחיין חלזוני מבסיס כיטוזן, שהוצג ב-2018 ועמוס בתרופת דוקסורוביצין, שחרר כ-60 אחוז מהתרופה בתוך חמש דקות תחת אור אולטרה-סגול, ולאחר מכן שחרורו האט. ב-2015 הוצג מכשיר-הנעה חלזוני דמוי-טבעת, שתפקידו ללכוד תאי-זרע בעלי תנועתיות פגועה ולהוביל אותם אל הביצית — יישום בתחום הפוריות ולא רק הסרטן. ננו-מנועים מגנטיים נבחנו גם נגד חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה.

הזווית הישראלית: רובוטי-DNA ומחשוב בתוך מקק חי

ד"ר עידו בכלט מהמכון לננוטכנולוגיה ולחומרים מתקדמים של אוניברסיטת בר-אילן פרסם ב-2014, עם יניב עמיר ושותפים נוספים, מאמר בכתב-העת Nature Nanotechnology שהדגים מחשוב אוניברסלי בעזרת רובוטי-DNA בתוך בעל-חיים חי — מקק מהמין Blaberus discoidalis. הרובוטים נבנו בשיטת "אוריגמי-DNA": קיפול גדיל-DNA ארוך לצורה תלת-ממדית מוגדרת, בעזרת גדילים קצרים שמחברים חלקים ממנו זה לזה. בתוך גוף המקק פעלו הרובוטים כשערי-לוגיקה: הם קלטו אותות כימיים מהביולוגיה של החרק, וויסתו בתגובה שחרור של מולקולת-מטען לתאי-המטרה. לפי דיווח ב"טיימס אוף ישראל" באותה שנה, היישום ביונקים קשה יותר בגלל מערכת-החיסון המתקדמת שלהם.

למה הרפואה האמיתית עדיין רחוקה

לפי ויקיפדיה, לננורובוטי משלוח-תרופות "דרך ארוכה עוד לפני שמסחור ויישום קליני אפשריים". רובוט רפואי מלא נדרש לכלול חישה, מקור-כוח, ניווט, תפעול, הנעה ויכולת-חישוב — כל אחד מהם בקנה-מידה שקטן בהרבה מתא — וכן תקן בטיחותי: ננורובוט רפואי צריך להיות בלתי-משכפל, כי שכפול-עצמי מוסיף סיבוכיות ומפחית אמינות. סוכנויות ממשלתיות השקיעו יחד למעלה משני מיליארד דולר במחקר התקני-ננו לרפואה, ולפי ויקיפדיה גם חברות גדולות כמו ג'נרל אלקטריק, היולט-פקרד, Synopsys וסימנס עסקו במחקר בתחום — אך נכון להיום, הננורובוטיקה הרפואית נשארת כלי-מחקר ברובה, ולא טיפול שאפשר לקבל במרפאה. דוגמה שונה לחלוטין להמחשת הרעיון: חוקרים מאוניברסיטת רייס בנו "מכונית" ממולקולה בודדת, עם גלגלים מברקמינסטרפולרן (צורת כדורגל של אטומי פחמן), שהונעה בשינויי-טמפרטורה ובמגע עם קצה מיקרוסקופ-מנחה (STM) — הדגמה למה שאפשר כבר היום בקנה-מידה מולקולרי, הרחק מהרובוט הרפואי המלא שעדיין לא קיים.