بناء روبوتات طبية بحجم البكتيريا | برادلي نيلسون | TEDxZurich

لقد عرفنا عن وجود البكتيريا قبل 300 سنة، وفي أجسامنا عدد البكتيريا أكبر من عدد الخلايا، لكن قبل أقل من 40 عاماً عرفنا كيف تسبح. مع اكتشاف الحركة الدورانية في جراثيم الإشريكية القولونية عام 1973، التي تحوي على محركات قطرها 45 نانومتر، قال البعض أن وجود هذه آلية الرائعة هو دليل على وجود الله، مع أنه خطوة في طريق التطور فحسب. الآن نستطيع أن نبني روبوتات تستطيع أن تسبح مثل البكتيريا كالإيكولاي. نعمل على هذه الروبوتات لتصبح قادرة على إيصال الأدوية في الجسم. فجرثومة الإيكولاي تشبه الروبوت بحد ذاتها، في حساسات كيميائية ومحركات وقنوات تواصل بروتينية. إذاً فلو كانت البكتيريا عبارة عن أجهزة، ماذا عنا نحن البشر؟
براد نيلسون هو بروفيسور في علم الروبوتات والأنظمة الذكية في ETH زيورخ وكان بحثه الرئيسي عن الروبوتات البيولوجية الميكروية والنانوية بالتركيز على تطبيقاتها في الطب والبيولوجيا. درس هندسة الميكانيك في جامعتي إلينوي ومينيسوتا ودرس علم الروبوتات في جامعة كارنيجي ميلون. عمل في شركتي هونيويل وموتورولا وخدم في الجيش الأميركي في بوتسوانا. أستاذ في جامعة إلينوي بشيكاغو ومينيسوتا قبل انضمامه ل ETH عام 2002.

قدمت هذه المحادثة في فعالية TEDx باستخدام صيغة مؤتمرات TED وقد نظمه مجتمع محلي على نحو مستقل. لمعرفة المزيد الرجاء التفضل بزيارة http://ted.com/tedx

اليوم أريد أن أخبركم بشيء
عن ثلاثة مجالات علمية وهندسية

تتقارب من بعضها البعض بطريقة
مثيرة للاهتمام برأيي.

أنا مهندس ميكانيكي

وظللت أعمل في مجال الروبوتيات
لأكثر من 25 عاماً

ومختص في التكنولوجيا المكروية والنانوية
لأكثر من 15 عاماً

وخلال العقد الماضي، منذ وجودي في زيورخ

كنت أعمل بالقرب مع علماء بيولوجيا وأطباء

وأعتقد أن التكنولوجيا التي نعمل عليها الآن

ونظرتنا المستقبلية لها آثار مثيرة للاهتمام

لكن بدلاً من أن أشرحها لكم

أريد أن أريكم مقطع من فيلم صنع في هوليوود

وعمر هذا الفيلم يساوي عمري تقريباً

(فيديو) الرجل: فلتتأهب كل المحطات.

ضحك على المسرح

(فيديو) الرجل: حسناً، فلتحقن

(على المسرح) "رحلة عظيمة"

أعشق هذا الفيلم

هوليوود لديها أفضليتين على المهندس
عندما يصنعون فيلماً

فهم ليسوا مجبرين بأن يقلقوا

بشأن الفيزياء، ولا داعي بأن يصنعوا

على أرض الواقع.

أريد أن أريكم مقطع أنيميشن صُنِع لأجلنا

من قبل قناة ديسكفري. فقد قاموا
بزيارة مختبري قبل عام ونصف

وقد ظهرنا على أحد برامجهم التلفزيونية

وقد قاموا بتوضيح هذه الفكرة عن مستقبلنا

وعن المشروع الذي نعمل عليه منذ سنين

وهو عبارة عمّا نسميه الميكرو روبوبتات
إذ نقوم بحقن هذه الروبوتات في عينك

-علماً أننا لم نجرب هذا على البشر بعد-

لكن نقوم بحقنها في عينك

ونستخدم حقولاً مغناطيسية لنرشدها
باتجاه شبكية العين

لتقوم بتأدية العديد من العلاجات المتعلقة
بالشبكية، كإيصال الأدوية.

فقد رأيتم هناك على المريض

كيف استخدمنا سلسلة من الملفات
الكهرومغناطيسية.

هذا الذي ترونه هو بداخل عين خنزير حقيقية.

جاءت هذه العين من متجر اللحام
صبيحة ذاك اليوم نفسه

إذاً لم نقم بإيذاء أي حيوان
بأنفسنا لفعل ذلك، لكن

(ضحك)

ما ترونه هنا هو أننا قادرون على التحكم
بهذا الجهاز بدقة كبيرة.

حجم هذا الجهاز يبلغ حوالي 0.5 ملم

وطوله ملليمتر واحد،
لتأخذوا فكرة عن القياس.

وهنا في الشريحة التالية،

سترون على اليسار نظام الملفات
الكهرومغناطيسية الذي نستعمله.

نقوم بتجارب على حيوانات حية بهذه الأجهزة.

هنالك ثمانية ملفات

ندعوها "أوكتوماغ"

نتحكم بالتيار المار في كل ملف بدقة تامة.

لنرشد هذا الجهاز داخل تجويف كرة العين

باتجاه الشبكية.

سترون واحداً من أحدث أجهزتنا
على حافة الإصبع هناك.

ندعوه بالميكرو روبوت.

قطره ثلث ملم، أي 330 ميكرون.

ومواصفات تصميمنا-

لماذا نريده أن يكون رقيقاً جداً-

طوله 1.8 ملم تقريباً-

هو لأننا نريد أن نضعه في إبرة
من القياس 23.

فلو استطعنا أن نضعه في هذه الإبرة
ثم حقنّاه لداخل عينك

فإن الجرح مكان دخول الإبرة لن يحتاج
إلى خياطة جراحية.

فهذه عملية غير باضعة نسبياً

إذ تحتاج إلى تطبيق مخدر موضعي فقط.

في كل الأوقات اللازمة لحقن الدواء
لمعالجة التنكس البقعي المرتبط بالسن

تلك الإبرة، وليس الميكرو روبوتات

يجب علي أن أقول

ولكن ذلك الروبوت الذي أريتكم إياه،
ذاك الموجود على طرف الإصبع

هو أكبر روبوت نستطيع أن نصنعه

هدفي هو أن نصبح قادرين على صنع روبوتات
أصغر بألف مرة من ذلك الروبوت

روبوت بحجم بكتيريا الإشريكية
القولونية على سبيل المثال.

هذه البكتيريا عضوية الشكل طولها
ميكرون أو ميكرونين.

يعني بعرض يساوي 1/100 عرض شعرة.

ماذا عن هذه الذيول الصغيرة التي تخرج منهم؟

سنتحدث عنهم لاحقاً، اتفقنا؟

لكن قبل الشروع بالحديث عن البكتيريا،

أود أن أتحدث قليلاً عن الفيزياء
وعن القيود التي تضعها علينا

فلنقم بتجربة ذهنية بسيطة.

لنأخذ مكعباً، اتفقنا؟

طول حرف المكعب متر واحد.

لا أحتاج لآلة حاسبة لأقوم بهذا الحساب.

متر ضرب متر ضرب متر
هو متر مكعب، أليس كذلك؟

لكن لو صغّرت حجم المكعب
وجعلت طول حرفه 10 سم-

أي أنني صغّرته بمقدار 10 أضعاف-

ستتغير العملية الحسابية

لأني أقوم بضرب طول مع طول ضرب طول،

وفجأة يتحول الحجم إلى 1/1000 الحجم الأصلي،

والصفات المعتمدة على الحجم-

كالكتلة مثلاً-

ستصغر بمقدار 1000 مرة أيضاً.

ولو أنني نزلت 100 درجة، إلى 1 سم،

فسوف ينقص بمقدار مليون درجة.

إذاً الحجم-

وكما قلت مسبقاً- والكتلة ينقصان
بمقدار مليون درجة،

وكذلك ستتناقص القوى المغناطيسية
التي نولدها عليها لأنها

تتناسب طرداً مع كتلة الجسم.

وقد تقول: "لقد أصبحت أخف، أين المشكلة؟"

لكن دعونا نفكر بمساحة سطح المكعب.

لديه 6 وجوه مساحة كل منها متر مربع واحد.

إذاً مساحة سطح المكعب هي 6 متر مربع.

إذاً نسبتها إلى الحجم هي 1/6.

لكن كلما بدأت بالتصغير
-المساحة التي هي عبارة طول ضرب طول-

فكلما صغرت بمقدار 10

ستزداد أهمية مساحة السطح بمقدار 10

وهذا يخلق مشاكلاً، اتفقنا؟

لا أستطيع أن أصنع روبوتات

وأوجههم بحقول مغناطيسية في العين
كما أريتكم مسبقاً

لا أستطيع أن أجعلهم أصغر حجماً.

إذاً ما هي التداعيات؟

فلتفكروا بسمكة وكيف تسبح.

السمكة تتحرك بتحريك ذيلها
ذهاباً وإياباً في حركة تكرارية.

فهي تدفع كتلة من السائل نحو الخلف
وبذلك تدفع نفسها للأمام.

فهي تعرف قانون نيوتن الأول، اتفقنا؟

وقد فكر جوفري تايلور، أستاذ
في جامعة كامبريدج،

فكر بهذا الموضوع ونشر مقالات
علمية مهمة جداً في خمسينيات القرن الماضي،

وقد صنع سمكة ميكانيكية ليظهر لنا
كيف تتحرك السمكة قي الماء،

فهي تسبح تماماً كما تظن أنها تسبح.

لكن لو أخذت تلك السمكة

أو أخذتك أنت، وقمت بتصغيرك 1000
أو 10000 مرة،

وأعدتك إلى الماء ستشعر فجأة أن الماء

قد ازدادت لزوجته،

القوى السطحية، أو قوة احتكاك الماء،

ستؤثر عليك بشكل أكبر بكثير من قبل.

فالذي قام به جوفري تايلور هو-

هذا فيديو صُنِع في الستينيات-

فقد أخذ برميلاً من مادة لزجة جداً.

إذا كنت من المملكة المتحدة فستعرف
ما هو سيروب لايل الذهبي،

وأظن أن هذا هو ما استخدمه لو أمعنت بالنظر.

فقد أخذ هذا الروبوت-

والذي هو عبارة عن سمكة ميكانيكية

ووضعه هناك، ووجد أنها لم تعد تتحرك

لأن قوى احتكاك السائل قوية جداً

والكتلة التي تُدفَع للوراء
هي أقل منها بكثير

لذلك فالسمكة لا تتحرك

فهذه هي المشكلة التي تظهر
عندما تصغر الأشياء،

إذ يصبح علينا أن نعيد التفكي
كيف تسبح الأشياء

وكيف تتحرك.

حسناً، لو كنت مهندساً ولا تعلم
كيف تقوم بحل هذه المشكلة،

ماذا تفعل؟

تنظر إلى الطبيعة وتفكر، كيف قامت
الطبيعة بحل هذه المشكلة؟

لقد حلت الطبيعة هذه المشكلة قبل ملايين
بل مليارات السنين.

نعلم أن هنالك الباراميسيوم.

أترون النطاف هنالك على اليمين؟

لديها هذه الأشعار الخاصة
هذه الأهداب،

هذه السياط، كما نسمها عند النطاف،

فهي تتحرك بطريقة مثيرة للاهتمام.

لم يكن أحد يدري عن وجود
هذه الدقائق قبل 1675

لكن في هولندا، ذُهل أنتوني فان ليفونهوك
عندما كان يشاهد

من خلال المجهر

فقد رأى عالماً يحوي عشرات الآلاف
من هذه الكائنات الدقيقة وهي تسبح،

وكتب رسالة إلى الجمعية الملكية
في العام التالي.

وقد أكدوا نتائجه.

كان الناس مذهولين. ما الذي يحدث.

والشيء الذي رآه فان ليفنهوك في المجهر

كانت المرة الأولى
التي تتم فيها رؤية بكتيريا.

هذه واحدة من الجراثيم عصوية الشكل.

طوله ميكرون أو ميكرونين.

ولو رأيتم هذه تحت المجهر-

لقد أريتكم واحدة من جراثيم إي كولاي-

ستلاحظون أنها تملك سوطاً صغيراً

ولو نظرت إليها تحت المجهر

سترى أن هذا الصوت يهتز جيئة وذهاباً

ولكن لو استطعت أن تنظر إليها
من زاوية مختلفة،

ستلاحظ أن الصوت لا يهتز، بل يدور

فقد اكتشف هاورد بيرغ،

الذي كان في جامعة كولورادو في السبعينات

اكتشف هذه الحقيقة المذهلة:

اخترعت الطبيعة حركة دورانية.

فلتفكروا بذلك.

أين تتواجد الحركة الدورانية في الطبيعة؟

وقد أتى هاورد إلى مخبرنا وأعطانا
بعض النصائح حول ماذا نفعل.

فهو يدعو هذه الأشياء بميكروروبوتات الطبيعة

فجسم البكتيريا يحوي حساسات،
حساسات كيميائية.

هذه الحساسات تتواصل مع المحركات
الموجودة في الخلف

لتقودها.

وهنالك برنامج تشغيل أيضاً.

هذه البرنامج هو قطع الحمض النووي
التي تطفو متبعثرةً.

فهي تقرر أي القطع سيتم تركيبها

فهي تبني الحساسات والمحركات التي تحتاجها
طوال الوقت.

وهذا المحرك يحوي بنية مذهلة.

منذ اكتشاف هاورد هذه المحركات الجرثومية
عام 1973-

وقد كانت دليلاً لوجود مصمم ذكي (خالق)
بالنسبة لبعض الأشخاص

لكنني لا أعتقد أن معظم علماء البيولوجيا
يصدّقون ذلك.

هذه المحركات مكونة من 30-40 بروتيناً

تجتمع في بنية تستطيع

الدوران بسرعة 160 دورة في الثانية.

وترون على اليمين فيديو من مخبر هاورد

لجراثيم مفلورة تسبح بهذه السرعات.

تذكروا أن حجمها ميكرون أو ميكرونين.

فلقد نظرنا إليها وتساءلنا،

ماذا نستطيع أن نتعلم من ذلك؟

كيف نستثمر هذه المعلومة؟

حينئذٍ استخدمنا خبراتنا في مجال
التكنولوجيا النانوية

لنبني ما يسمى بالسوط البكتيري الصناعي.

لكنني لا أستطيع أن أبني المحرك.

قطر المحرك 45 نانومتر.

لكنني أستطيع أن أبني سوطاً

ذو حجم وشكل مشابه لسوط البكتيريا.

وأمامه في اليسار ستجدون شيئاً يشبه الرأس

لكنه بالحقيقة بالحقيقة قطعة مغناطيس صغيرة

وأستطيع أن أوّلد عزماً

باستخدام حقله المغناطيسي عندما

أقوم بتدويره، وهذه الحقول

صغيرة جداً، أصغر ب 1000 مرة من حقل

الرنين المغناطيسي، تقوم هذه الحقول بتدويره

وحين يبدأ بالدوران

يدفع نفسه للأمام

تماماً مثل جرثومة الإيكولاي.

لأعطيكم فكرة عن المقياس الذي نتحدث عنه

هذه صورة بمجهر إلكتروني لشعرة إنسان

قطره 100 ميكرون تقريباً

وهذا حجم السياط الاصطناعية

قطرها 10 ميكرونات

وهذا حجم الكرية الحمراء

فحجم السوط هو ضعفها فقط

أصغر السياط حجمها ضعف الكرية الحمراء

وها هي ثلاثة منهم تسبح معاً كسرب جماعي

بالنسبة لي يبدو كأنهم أحياء

أتعرفون، يتملكني الحماس عندما نقوم بذلك.

(ضحك)

هذا هو سبب عملي في هذا

المجال. لا شيء أكثر متعة من بناء جهاز
ومشاهدته يتحرك.

والآن ستلاحظون أنها تتجه للخلف.

لم أقم بعكس الفيديو، بل عكست الحقل.

هنالك صفات مثيرة للاهتمام يجب كشفها

في مجال ديناميك السوائل.

حدث شيء مثير لنا هذا العام، فقد ذهبنا
إلى المكتبة

وأخذنا نسخة 2012 من كتاب غينيس
للأرقام القياسية

واكتشفنا أننا مذكورين في ذلك الكتاب

لأصغر روبوت طبي في العالم.

(الجمهور يهتف)

برادلي نيلسون: كوننا في كتاب غينيس
أمر رائع

لكن أنا أهدف إلى الفوز

بميدالية أولمبية في الألعاب القادمة

لذلك فإننا نعمل على بناء سباحين متزامنين

(ضحك)

إنهم مثيرين للاهتمام

الشيء المثير فيهم هو أنهم

مصنوعين من بوليمر

هم غير سامين للخلايا

لا يقتلون الخلايا

بالواقع، تنمو الخلايا عليهم.

وقد طورنا تكنولوجيا جديدة

تسمح لنا بصنع أشكال عشوائية بعض الشيء.

ففي هذا الفيديو الصغير التالي سأريكم

واحداً من أجهزتنا.

وضعنا عليه مخلباً

فيستطيع أن يتجول ويمسك بهذه الأشياء-

عبارة عن خرزات قطرها 6 ميكرون-

فهي بحجم الكرية الحمراء تقريباُ

فتمسك بها وتحركها للأعلى والأسفل
في الأبعاد الثلاثة

وبالنهاية تحررها باستخدام قوى السائل.

كنا نفكر بتطبيقات جديّة أخرى أيضاً.

هذا واحد من أجهزتنا.

غلفناه بجزيء مفلور يدعى الكالسيئين

تشاهدون هذا الجزيء من خلال مجهر فلورة.

بالحقيقة هذا الجزيء لديه

نفس الوزن الجزيئي للعديد
من أدوية العلاج الكيميائي.

وعلى اليسار سترون بعض الخلايا
التي اصطبغت باللون الأحمر.

اكتشفنا بتحريك البكتيريا بالقرب من
هذه الخلايا وملامستها لها

أن الخلايا تمتص الكالسيئين.

فهذا يمكننا نظرياً من إيصال الأدوية
إلى خلايا منفردة

ونستطيع أن نستهدف هذه الخلايا
باستخدام هذه التكنولوجيا

والشيء المثير أيضاً

أنني أريتكم البعض منها فقط لكننا
نستطيع أن نبني جيشاً منها.

نستطيع أن نصنع الآلاف منها.

بمعدل روبوت واحد كل ثانية.

نستطيع أن نصنع عشرات الآلاف منها
ونضعها في معلّق

لذلك فهنالك العديد من الاحتمالات

المثيرة للاهتمام نستطيع أن نطبقّها
في المستقبل.

لنعد إلى المحرك في البكتيريا.

هنالك فيديو من مخبر كايشي نامبا
من جامعة أوساكا

قضى العديد من السنوات مع فريقه

يحاولون فهم التسلسل الدقيق للبروتينات

وكيف يتم تجميعها في المحرك الدوراني.

ورغم أنني لا أستطيع أن أبني المحرك الآن

لكنني أستطيع أن أبني أجزاءً منه

لذلك نأمل بأن مع المزيد من البحوث
في هذا المجال

سنعرف المزيد عن الطبيعة على هذه
المستويات الجزيئية

ونستطيع أن نبني أجهزة قادرة على العمل
بطريقة مشابهة

وتحت مبادئ مشابهة.

إنني محظوظ كونني عملت مع العديد
من العلماء الرائعين

وأطباء رائعين

وعندما أكون في ال ETH

المعهد السويسري الفدرالي للتقنية

فأنا مهندس كما تعلمون

أمشي في ممرات مشى فيها أشخاص مثل
كونراد رونتجن مخترع الأشعة السينية

ولفغانغ باولي ألبرت أينشتاين.

لقد كانت تجربة تدعو للخشوع.

لذلك أشعر بالراحة عندما أستخدم

مقولة لأحد مهندسي الفضاء المشهورين
من كالتيك

ثيودور فون كارمان

فقد قال كارمان

"العالم يصف ماهية الموجودات أما المهندس
يخلق ما ليس موجودًا."

(ضحك)

إذاً

أود أن أترككم بفكرة أخيرة

من عالم الفيزياء من كالتيك
ريشارد فاينمان الذي قال

"لا أفهم مالا أستطيع صنعه."

(ضحك)

شكراً جزيلاً لكم.

(تصفيق)