La nanorobotica è fantascienza? Fino a una quindicina di anni fa, sicuramente, lo era. A partire dal 2004, anno del primo studio che dà origine a un nanodispositivo spesso quanto un capello e in grado di muoversi, il mondo scientifico inizia a considerare le possibili e concrete applicazioni di un’area di ricerca che opera sul piano dell’infinitamente piccolo (oltre la miniatura, oltre il “micro”) e che incrocia ingegneria robotica, nanotecnologie, medicina, scienza dei materiali e processi di nanofabricazione.

Cos’è la nanorobotica e a cosa serve

Ambito di studi che ha come oggetto la realizzazione di robot su scala nanometrica, avvalendosi di tecnologie e di metodologie proprie delle nanotecnologie: stiamo parlando della nanorobotica, area di ricerca che vede l’integrazione di discipline dedite ai processi di nanofabbricazione.

Siamo sul terreno del “nano”, dell’infinitamente piccolo. Solo per avere un’idea, basti pensare che, per “robot su scala nanometrica”, si intendono i nanorobot – detti anche “nanobot” – dispositivi la cui grandezza varia da 0,1 a 10 micrometri. Dove un nanometro (nm) corrisponde alla miliardesima parte del metro e un micrometro (µm) alla millesima parte del millimetro.

Le porte di questa nuova disciplina si spalancano nel 2004, quando il ricercatore americano Carlos Montemagno e il suo team, presso l’Università della California, a Los Angeles, sviluppano il primo nanorobot a carburante glucosico, non più spesso di un capello umano.

Il dispositivo – la cui propulsione venne realizzata ricorrendo a un minuto frammento di muscolo cardiaco di ratto – era in grado di muoversi a una velocità di 40 micrometri al secondo.

Fu subito chiaro, per le dimensioni che le appartengono e per le tecniche che utilizza, che la nanorobotica avrebbe avuto, tra le possibili applicazioni future, tutti quei compiti che richiedono una precisione sulla scala dell’atomo.

Tra questi – solo per citare l’esempio più eloquente – la costruzione di macchine sufficientemente piccole da penetrare una cellula vivente (animale o umana) per rilasciarvi molecole, aggredire masse tumorali, sostituire o riparare organuli o effettuare tutte quelle operazioni che, normalmente, richiedono manovre di microchirurgia invasiva.

A prima lettura, tutto questo potrebbe sembrare fantascienza. Eppure, nell’ultimo decennio, con l’affinarsi delle tecniche di nanofabbricazione, l’obiettivo di creare minuscoli robot biocompatibili, dalle dimensioni di una cellula e in grado di essere iniettati nel corpo umano – e, al suo interno, di muoversi, di essere operativi, come fa, nella realtà, un robot di grandezza naturale – sta divenendo, via via, un traguardo sempre più vicino.

Come sono fatti e come funzionano i nanorobot (o nanobot)

È ai dispositivi semoventi su scala nanometrica, in grado di convertire l’energia in movimento, che fanno riferimento i termini “nanorobot” e “nanobot”. Da non confondere con le nanoparticelle (formate da aggregati atomici o molecolari di diametro compreso indicativamente fra 1 e 100 nanometri): queste – seppur iniettabili nel corpo umano per una serie di applicazioni in ambito diagnostico e terapeutico – a differenza dei nanobot, non sono macchine, dunque non si muovono autonomamente, non camminano, non nuotano.

Dopo le prime sperimentazioni del team del professor Montemagno, nel 2005 gli stessi scienziati californiani hanno progettato un nanorobot con due minuscole zampe, capaci di muoversi e di piegarsi grazie a giunture meccaniche alimentate dalle cellule di muscolo cardiaco di ratto, senza bisogno di alimentazione esterna. Da quel momento in poi, numerosi studi si sono succeduti e, ad oggi, gli esempi di nanobot sono molteplici.

Il filone più ricco di ricerche è quello che vede i nanobot guidati da campi magnetici, tra cui, in particolare, figura una tipologia che sfrutta i batteri magnetotattici, una classe di batteri che si dispongono lungo le linee del campo magnetico terrestre.

Questi batteri (tra cui, il più utilizzato in laboratorio, è il magnetococcus marinus), agganciati alla testa del nanorobot, sono in grado, proprio attraverso il campo magnetico esterno, di guidare il dispositivo.

Sono stati, poi, creati nanorobot di forma elicoidale utilizzando materiali magnetici; esemplari in cui i materiali magnetici sono stati posti sopra i polimeri che costituivano il dispositivo e nanobot in cui sono stati inseriti materiali magnetici all’interno della struttura polimerica stessa.

E i ricercatori del Politecnico di Zurigo e dell’Israel Institute of Technology hanno messo a punto un nanofilo di polipirrolo elastico controllato magneticamente, lungo circa 15 micrometri (milionesimi di metro) e spesso 200 nanometri che, nuotando in ambienti biologici fluidi alla velocità di 15 micrometri al secondo, potrebbe essere utilizzato per somministrare farmaci ed essere controllato magneticamente per attaccare cellule tumorali.

Presso la Drexel University, a Filadelfia, è stato, invece, sviluppato un metodo che utilizza i campi elettrici per aiutare i nanobot a rilevare ostacoli lungo il loro cammino e a muoversi agilmente nell’area di interesse, con applicazioni che potrebbero includere, in futuro, la consegna intracorporea di farmaci e la manipolazione di cellule staminali.

Un’altra tendenza della nanorobotica è quella che vuole nanobot a forma di “razzo” su scala nanometrica, ottenuti da un mix di nanoparticelle e molecole biologiche, telecomandate ad alta velocità per muoversi in qualsiasi ambiente.

Restando in tema di materiale biologico, i ricercatori della California Institute of Technology hanno creato nanogru fatte di filamenti di DNA, capaci di sollevare e spostare microparticelle e, dal lavoro congiunto dell’Università di Twente, in Olanda, e della German University in Cairo, sono nati nanorobot ispirati allo sperma – controllati sempre oscillando deboli campi magnetici – per applicazioni di micro manipolazione e terapie mirate. E la lista continua.

Ricordiamo che, tutti quelli citati, sono nanodispositivi in fase di studio e di sperimentazione (non sull’uomo) in laboratorio. Il percorso verso l’applicazione concreta sull’essere umano è ancora lungo. Tuttavia foriero di importanti promesse sul terreno del progresso scientifico.

Nanorobotica per la medicina

Come anticipato, è la medicina il campo di applicazione principe delle ricerche in materia di nanorobotica. Quella medicina che, con il ricorso ai nanodispositivi e alle nanotecnologie, diviene lei stessa “nano”.

Negli Stati Uniti, ad esempio, di nanomedicina si parla già dagli inizi degli anni ’90, con – in particolare – l’utilizzo di nanoparticelle per la somministrazione farmacologica di precisione (drug delivery), nonché nell’ambito di alcuni processi diagnostici.

Ma è con l’avvento della nanorobotica, che gli studi in questa direzione hanno fatto ulteriori passi avanti. Anche se le sfide sono tante. A cominciare dalla gestione del movimento ordinato e controllabile dei nanobot all’interno di un microambiente prevalentemente liquido come quello del corpo umano.

In risposta a tale problema, in passato sono stati progettati nanorobot capaci di camminare, saltare e persino nuotare grazie a magneti manipolati dall’esterno, a campi elettrici o a stimoli luminosi.

Tra le ricerche più recenti sul tema specifico, quella che ha come oggetto un nanobot lungo 5 micrometri, con due braccia magnetiche in nichel che si muovono grazie a un campo magnetico, in grado di nuotare attraverso liquidi viscosi come il sangue, per trasportare e rilasciare farmaci nei punti esatti in cui l’organismo ne ha bisogno.

Il congegno – messo a punto dagli scienziati del Dipartimento di Nanoingegneria dell’Università della California, a San Diego, dell’Harbin Insitute of Technology, in Cina, e dell’Università di Haifa, in Israele – è stato realizzato imitando proprio il movimento dell’essere umano nell’acqua.

A parte il trasporto e il rilascio di farmaci all’interno del corpo, la nanorobotica in medicina potrebbe trovare applicazione anche nella stimolazione neurologica. Ne è un primo e rudimentale esempio lo stesso nanodispositivo concepito dal team del professor Montemagno nel 2004 – al quale si è accennato in precedenza – realizzato con fibre muscolari animali.

Tale sistema – rivisto e ottimizzato – potrebbe aiutare quei pazienti con lesioni ai nervi del muscolo del diaframma (nervi frenici) e con conseguente difficoltà nella respirazione: inserito nel corpo umano, flettendo un materiale piezoelettrico o un filo di silicio, l’emissione di scariche elettriche conseguenti alla flessione potrebbe fungere da stimolo per i nervi frenici.

Un altro importante traguardo è stato raggiunto alla fine del 2020 dai ricercatori della Cornell University, nello stato di New York, con i primi nanorobot che incorporano componenti semiconduttori, consentendo loro di camminare per mezzo di segnali elettronici standard.

Ora in fase di sperimentazione, a differenza dei nanorobot precedenti, in grado di muoversi per mezzo di magneti manipolati dall’esterno, questi nanodispositivi sono a tutti gli effetti robot miniaturizzati dotati di gambe funzionanti.

Il gruppo di studio che li ha progettati sta già pensando a come potenziarli servendosi si un’elettronica più complessa e di calcoli di bordo. Migliorie che, in futuro, potrebbero portare a sciami di robot microscopici che ristrutturano tessuti, suturano vasi sanguigni e vengono inviati in massa a sondare arterie e aree del cervello.

Nanorobot per la cura contro il cancro

Il trattamento delle patologie oncologiche rappresenta l’area terapeutica più vasta della nanomedicina. Diversamente dalla chemioterapia classica – invasiva e aggressiva – proprio grazie alle dimensioni delle nanoparticelle iniettate nell’organismo, è possibile raggiungere con facilità le cellule cancerogene e rilasciare il farmaco direttamente in prossimità del tumore, aggredendolo, in questo modo, dall’interno e preservando le cellule e i tessuti sani circostanti.

E la nanorobotica potrebbe rappresentare uno strumento ancora più preciso ed efficace nell’aggredire il cancro. In che modo? La ricerca sta lavorando su diversi fronti.

Per quanto concerne i nanorobot impiegati per operazioni di drug delivery, ovvero come veicolo per il rilascio di sostanze – in questo caso specifico – all’interno del carcinoma, i modelli sperimentati sono di diversa natura e si muovono all’interno del corpo in modo differente. Ma, relativamente a struttura e meccanismo di funzionamento, sono progettati allo stesso modo: un modello base, costituito da un braccio e da una “mano” su cui posizionare il principio attivo, il farmaco.

A partire da tale struttura, a seconda delle specifiche necessità, è possibile, però, crearne di più complesse, andando ad aggiungere, ad esempio, più braccia, nel caso in cui ci sia bisogno del rilascio contemporaneo di più molecole o di un’azione più complessa e mirata.

Se è possibile intervenire con modifiche alla struttura centrale, la coda, invece, rappresenta la parte fissa del nanobot, oltre che quella più strategica perché in grado di riconoscere quando il nanodispositivo è arrivato all’interno della neoplasia.

La coda è, in sostanza, un aptamero, vale a dire acido nucleico avente la proprietà di legarsi a una molecola o a una proteina. A tale scopo, il lavoro di ricerca è riuscito a progettare specifici aptameri, capaci di legarsi solo a entità che si trovano nell’area in cui è presente il carcinoma o in sua stretta prossimità, in modo tale che il rilascio del farmaco chemioterapico avvenga solo in quel preciso spazio e che i tessuti sani non vengano intaccati.

In alcuni casi, anziché l’aptamero, viene preso in considerazione l’utilizzo di una sonda che capta la concentrazione di ossigeno. Che cosa significa? Il tumore, a causa della crescita smisurata delle cellule, arriva a consumare un’elevata quantità di ossigeno. Laddove si registra una concentrazione inferiore di ossigeno, il nanobot rileva di essere nei pressi del tumore e, quindi, rilascia il principio attivo.

Recentemente, si è lavorato, poi, al perfezionamento nella creazione di nanorobot sempre più autonomi, messi a punto assemblando “fogli” di DNA. Tecnica, questa, che prende il nome di Origami Science, poiché l’assemblaggio dei fogli ricorda, appunto, la pratica origami.

Furono gli scienziati del Dana-Farber Cancer Institute, a Boston, nel 2009, a coniugare per primi le nanotecnologie con l’antica arte dell’origami, ripiegando fogli bidimensionali di DNA per ottenere strutture tridimensionali a più strati, aprendo, in quegli anni, una finestra sulla costruzione di nanodispositivi in grado di fungere da “cargo” per il trasporto di farmaci all’interno delle cellule.

Oggi, sulla superficie di questi “cargo-nanorobot”, oltre all’aptamero, la ricerca ritiene possibile porre anche un enzima specifico, ossia la trombina, responsabile della coagulazione del sangue.

I nanobot vengono, dunque, inseriti all’interno del flusso sanguigno e, attraverso l’aptamero, sono in grado di riconoscere quando si trovano all’interno della massa cancerogena. Dopo esservi entrati, rilasciano la trombina, la quale, provocando un coagulo, riesce a bloccare l’afflusso di sangue che nutre la massa, provocando, in questo modo, la “morte” del cancro, la sua necrosi.

Ingegneria nanorobotica

Quello dell’ingegneria nanorobotica è un campo interdisciplinare emergente, che raggruppa discipline diverse, compresi la modellazione su nanoscala e i processi di nanofabbricazione.

In particolare, i progressi compiuti negli ultimi anni dalla robotica classica hanno esteso la capacità di percepire e di manipolare la materia a una varietà di scale che si estendono dal macro al micro, fino ai singoli atomi. E la tecnologia, in questo specifico ambito, si è spostata verso un maggiore controllo della struttura della materia, atomo per atomo.

La miniaturizzazione – in ogni contesto si applichi – necessita di tecniche sofisticate, in grado di garantire un inserimento ottimale della materia all’interno degli spazi.

Nel caso specifico delle applicazioni della nanorobotica in campo medico, ad esempio, non è sufficiente posizionare i nanorobt all’interno del corpo umano. È necessario, soprattutto, essere in grado di farli muovere, di guidarli, sfruttando le specifiche condizioni fisiologiche e anatomiche. E, per fare questo, è necessario attingere anche a materie quali la fisiologia, la fisica e le nanotecnologie.

Nel nostro Paese, non esiste un vero a proprio corso di studi in ingegneria nanorobotica. Ma esiste un punto di riferimento per tale disciplina, rappresentato dalla laurea Magistrale in Bionics Engineering, la cui facoltà si trova presso la Scuola IMT Alti Studi Lucca della Scuola Superiore Sant’Anna e dell’Università di Pisa.

Si tratta di un programma didattico di due anni, con corsi teorici e pratici nei laboratori della Scuola di Ingegneria dell’Università di Pisa e presso l’Istituto di BioRobotica della Scuola Sant’Anna.

Gli studenti, oltre ad acquisire i fondamenti di scienza e tecnologia della biorobotica e dell’ingegneria neurale, saranno formati alla ricerca multidisciplinare mediante un dialogo con scienziati provenienti da ambiti quali medicina, biologia, neuroscienze, nonché con specialisti nel campo della riabilitazione e della chirurgia.

Coloro che seguiranno questo corso di studi, saranno messi alla prova in molteplici esperienze didattiche, tra cui anche quelle attinenti alla progettazione, lo sviluppo e il collaudo di nanorobot.

Il corso, inoltre, offre due diversi curricula: quello di ingegneria neurale si concentra su neurostrumentazione, interfacce neurali, acquisizione ed elaborazione di segnali neurali, reti neurali, sistemi di rilevamento bioispirati e progettazione di robot che imitano comportamenti sociali; mentre il curriculum di biorobotica si concentra sullo sviluppo di modelli di robot umanoidi e animaloidi, nanorobot, robot indossabili, organi bionici impiantabili, arti superiori e inferiori artificiali, robot e piattaforme per diagnosi, chirurgia e riabilitazione.

Il futuro della nanorobotica (e le questioni ancora aperte)

Seppure particolarmente dinamica, la nanorobotica è un’area di ricerca giovane, ancora dedita esclusivamente allo studio e alla sperimentazione. Non ha ancora lasciato il laboratorio. Anche se ha già marcato le sue aree di maggiore interesse, tra cui – attualmente – spicca la medicina, come abbiamo ampiamente illustrato.

Il suo futuro guarda all’impiego dei nanorobot nella pratica clinica. E, in vista di questo traguardo, gli scienziati hanno fissato i prossimi obiettivi di ricerca, ovvero riuscire a realizzare nanorobot ancora più piccoli e agili – con strutture di 20×100 nanometri (0,00002 x 0,0001 millimetri) – per un’esplorazione sempre più precisa all’interno e all’esterno degli organi e un esame delle cellule senza più bisogno di biopsie. Il fine è fare della nanorobotica uno strumento di prevenzione attraverso la diagnosi precoce di alcune patologie.

Ma, oltre a tali obiettivi, la comunità scientifica ha in agenda anche la risoluzione di due nodi importanti. Il primo concerne la biodegradabilità dei nanobot nel flusso sanguigno (i modelli attuali non sono in grado di degradarsi autonomamente, per cui dopo avere rilasciato i farmaci all’interno dell’organismo, devono essere rimossi): ebbene, una questione aperta riguarda il grado di sicurezza dei materiali utilizzati per la fabbricazione dei nanorobot e, più in particolare, la loro eventuale tossicità.

Il secondo nodo, invece, ha a che vedere col movimento dei nanodispositivi all’interno dei numerosi minuscoli interstizi del corpo umano, oltre che nei suoi tessuti e nei suoi diversi tipi di fluidi. Movimento sul quale i nanobot finora progettati presentano diverse criticità.

Su tale questione ancora aperta, è intervenuto il progetto europeo CELLOIDS – partito i 1° febbraio 2021, con scadenza fissata a fine gennaio 2026 – che si proporne di realizzare nanobot che possano muoversi autonomamente in tutti i punti del corpo umano.

Si legge che, nell’ambito di tale progetto, i ricercatori prenderanno spunto dal comportamento dalle cellule del sistema immunitario, alcune delle quali sono capaci di modificare continuamente la propria forma corporea per adattarsi all’ambiente circostante, riuscendo così a penetrare in tutti gli interstizi dei tessuti biologici.

Relativamente ai test di laboratorio finora portati avanti, è dello scorso marzo – dunque di due mesi fa – la notizia, riportata sulla rivista Science Robotics, circa la prima osservazione del movimento di uno sciame di nanorobot nell’organismo di un topo vivo.

Si tratta di uno studio condotto dall’Istituto di bioingegneria della Catalogna in collaborazione con l’Università autonoma di Barcellona, considerato un passo avanti decisivo verso l’impiego della nanorobotica nella pratica clinica su essere umani, che ricordiamo essere il grande traguardo di questa disciplina, il suo futuro.

I nanorobot osservati si muovono autonomamente all’interno della vescica dei topi, al fine di esplorarla in modo non invasivo e indolore, utilizzando come combustibile l’urea presente nella loro stessa urina.

Le osservazioni, eseguite tramite tecniche di microscopia e PET (tomografia a emissione di positroni), mostrano una distribuzione dei nanorobot omogenea e dal movimento collettivo coordinato ed efficiente. Ottime notizie, sottolinea il team di ricercatori, che fanno ben sperare sulla validità – per l’essere umano – di questi nanodispositivi a scopo diagnostico e terapeutico.

Nanorobot costruiti mediante moduli di DNA

Sempre in ambito medico – area applicativa di elezione – nella direzione di nanorobot ancora più agili e capaci di muoversi all’interno di tutte le tipologie di interstizi, tessuti e fluidi del corpo umano, va il progetto di ricerca europeo DNA-Robotics, avviato nel 2018 e conclusosi con successo nel 2022 e oggi in fase di sperimentale.

Cuore del progetto, le proprietà delle biomolecole del DNA di autoassemblarsi per dare vita a sistemi robotici su scala nanometrica, a tutto vantaggio di una serie di applicazioni per il trattamento delle patologie oncologiche che – come si è accennato – rappresenta l’area terapeutica più vasta della nanomedicina.

Quello della nanorobotica che sfrutta frammenti di DNA è un filone di studi in auge in questo momento, in quanto guarda anche all’obiettivo della biodegradabilità dei nano dispositivi all’interno dell’organismo, riuscendo – al contempo – a soddisfare molte delle funzioni fondamentali dei nanobot, tra cui il rilevamento del bersaglio e il movimento agile.

I ricercatori della Technische Universität München(TUM) – partner del progetto europeo – hanno, nella fase iniziale, utilizzato moduli di DNA simili a piccoli cubi, col fine di mettere a punto le singole parti del nanorobt, aventi ciascuna caratteristiche e funzioni diverse.

Nella fase successiva, dai piccoli cubi il team di ricerca è passato a un modello computerizzato, atto a valutare di volta in volta la capacità di assemblaggio delle singole parti del nanobot nel dare vita a un sistema di nanorobotica completo.

In ultima istanza, lo studio si è indirizzato verso un modello computerizzato non più basato su moduli di DNA a piccoli cubi, bensì su una tecnica che prevede l’impiego delle cosiddette “vescicole”, ossia strutture organiche a forme di sacca presenti all’interno delle membrane cellulari da utilizzare come “impalcature”, attorno alle quali costruire una gamma di moduli nanorobotici, tra cui una struttura a forma tubo in grado di trasferire informazioni da un punto all’altro della nanostruttura.