Nanorrobôs e Motores Moleculares

Como serão? II: Propulsão, Controle e Comunicação

Propulsão

Para um nanorrobô parece ser mais simples nadar ou flutuar num fluido do que caminhar ou rastejar ao longo de uma superfície.

Representação artística de um nanorrobô a "nadar" na corrente sanguínea.

O movimento num fluido pode ser caracterizado pelo seu número de Reynolds, uma grandeza adimensional definida como

onde ρ é a massa específica, V a velocidade característica, L o comprimento característico e η o coeficiente de viscosidade do fluido. Por exemplo, para um peixe a nadar na água, o número de Reynolds típico é da ordem de 10⁵, enquanto que para uma bactéria - que pode ser considerada um bom modelo para nanorrobôs - é da ordem de 10^-5. Tanto as bactérias como os nanorrobôs movem-se num regime de Stokes (com baixo Re). Neste regime, o movimento é totalmente controlado pelas forças de fricção sendo que as forças de inércia são desprezáveis. Por exemplo, para se moverem neste regime as bactérias recorrem a cílios.

Num fluido à temperatura ambiente, objectos de pequenas dimensões ficam sujeitos à agitação térmica e colisões entre partículas. Destas interacções resulta um movimento de tipo difusivo ou marcha aleatória (random walk). A distância L, percorrida por um conjunto de objectos espalhados num determinado tempo t, é dada por L = √(2.D.t) , onde D é o coeficiente de difusão, aproximadamente constante para objectos do mesmo tipo num fluido com temperatura fixa. Note-se que a distância não é proporcional ao tempo, mas sim à sua raiz quadrada. Por exemplo, para uma pequena molécula de água à temperatura ambiente, L = 1 µm corresponde a t = 0,5 ms , enquanto que a distância L = 1 cm corresponde a t = 14 h.

Um melhor conhecimento do movimento bacteriano poderá trazer avanços no desenvolvimento de nanoaparelhos capazes de se moverem nos fluidos.

Na natureza, organismos com dimensões da ordem dos nanómetros dependem da difusão para se movimentarem. Não existe nenhum mecanismo de propulsão que os faça mover. De facto, dada quantidade de colisões a que estes pequenos organismos estão sujeitos, torna-se extremamente ineficaz tentar controlar o movimento dos mesmos. A difusão prece ser a melhor estratégia. O mesmo se aplica aos nanorrobôs. Contudo, não é conveniente ter um robô cujo o percurso é, à priori, imprevisível. Assim sendo, de forma a termos um nanorrobô cujo o movimento é bem determinado, este deve ser maior que estes nanoorganismos, ou seja, ter uma dimensão da ordem dos micrómetros, precisamente o tamanho expectável para um robô relativamente complexo, constituído por vários componentes à escala do nanonómetro.

Controlo

Em robôs macroscópicos, os controladores são geralmente computadores executando programas sofisticados. É pouco provável que num futuro próximo um nanorrobô tenha incorporado o equivalente a um PC. Contudo, é possível implementar certos tipos de sistemas primitivos de controlo. Por exemplo, os veículos de Braitenberg são robôs com rodas que utilizam um mecanismo de controlo extremamente simples, onde os sensores que detectam diferentes estímulos estão directamente ligados aos motores que dirigem as rodas. No caso do veículo mais simples – o veículo 1 – , o sensor faz com que quanto maior for a intensidade de luz incidente, mais rapidamente gira o motor. As coisas tornam-se mais interessantes quando temos sensores e motores múltiplos, como é o caso dos veículos 2a e 2b.

Esquema dos veículos de Braitenberg – Os rectângulos azuis são as rodas, os semicírculos vermelhos representam os sensores e as linhas pretas os fios que os ligam. Por exemplo, o veículo 2b é capaz de se mover na direcção da fonte de luz. Para tal são utilizados dois sensores e dois motores, que controlam as rodas do veículo. O sensor esquerdo está ligado ao motor da roda direita e o sensor direito ao motor da roda esquerda. Quando o sensor esquerdo vê uma maior intensidade de luz, diz ao motor direito para se mover mais depressa, fazendo com que o veículo se vire para a luz. O sensor direito opera de forma equivalente.

Outro exemplo de mecanismos de controlo extremamente simples é dado pelas bactérias. Por exemplo, a bactéria E. coli move-se numa alternância entre deslocamentos contínuos unidireccionais e mudanças aleatórias de direcção. Uma bactéria deste tipo move-se durante um certo período de tempo em linha recta, até que pára, muda de direcção de forma aleatória, e continua o seu movimento unidireccional. A E. coli consegue desta forma, mover-se e encontrar zonas de maior concentração de nutrientes.

A bactéria possui sensores que detectam a presença de nutrientes, alterando a velocidade e a duração dos movimentos contínuos bem como o número de mudanças de direcção num meio mais nutritivo. Através da comparação de valores de concentração de nutrientes medidos pelos sensores em instantes diferentes durante o movimento unidireccional, a bactéria consegue determinar se a concentração está a diminuir ou a aumentar:

• Caso esteja a aumentar, a E. coli vai aumentar o tempo em que se desloca rectilineamente;
• Caso a concentração esteja a diminuir, a bactéria vi diminuir o tempo em que se desloca rectilineamente e irá mudar de direcção mais cedo, na "esperança" de encontrar mais nutrientes noutra direcção.

Note-se que a mudança de direcção é sempre aleatória e a bactéria não tem qualquer noção onde se encontram os nutrientes. A única coisa que esta faz é influenciar a sua marcha aleatória (random walk) e isto é suficiente para que esta atinja regiões com concentrações elevadas de nutrientes. Esta aleatoriadade "ajuda" a bactéria a afastar-se de zonas completamente esgotadas de nutrientes ou de mínimos de concentração. Em suma, o microorganismo executa uma forma de busca aleatória recorrendo somente a informação local. Este paradigma pode vir a influenciar o futuro design de nanorrobôs artificiais.

Comunicação

Naturalmente, um nanorrobô, por si só, tem as suas potencialidades limitadas. Contudo, com a "cooperação" de vários agentes obter-se-ão melhores resultados. A coordenação é necessária para o funcionamento geral – para comunicar, sentir e actuar – e é considerado actualmente o desafio principal da investigação em nanorrobótica. Tanto a escala como a dinâmica dos sistemas nanorrobóticos impossibilitam (por enquanto) uma coordenação centralizada e uma partilha global do mesmo estado. Consequentemente, são necessários esquemas de coordenação baseados em entradas, algoritmos e saídas localizados, onde conceitos como autoorganização podem vir a desempenhar um papel muito importante.

Ilustração de nanorrobôs a trabalhar (uma vez mais) no interior de um organismo vivo.

Na natureza encontram-se inúmeras formas diferentes de coordenação de um grande número de células ou organismos. Um excelente exemplo de coordenação e sinalização extremamente complexa e eficiente é o sistema imunitário humano. As potencialidades do sistema imunitário são verdadeiramente notáveis e não parecem ser em nada semelhantes às características normalmente encontradas em sistemas projectados por humanos. Por exemplo, um sensor do sistema imunitário é capaz de responder a diversos estímulos, com diferentes intensidades podendo também vários sensores responder ao mesmo estímulo. Apresenta também pleiotropismo (um agente pode causar múltiplos efeitos) e redundância de efeitos (diferentes agentes têm o mesmo efeito). É também capaz de tomar decisões consoante o contexto em que se encontra e é ainda capaz de gerar sensores e receptores de uma forma aleatória. Seguramente que, uma vez mais, este tipo de exemplos que se encontram na natureza poderá vir a influenciar o design de nanorrobôs.