Les Nano-robots


 

Définissons tout d'abord le terme nano-robot. Un nano-robot  est un robot dont les pièces qui le constituent sont de l'ordre du nano, cependant sa taille peut aller jusqu'à quelques millimètres. Son utilisation en médecine en est encore au stade de la recherche mais quelques prototypes se montrent très prometteurs. Comme ils ont pour vocation d'entrer dans le corps humain, les nano-robots sont très contrôlés et poussent au débat. Il n'en reste pas moins que leur utilisation en médecine ouvre des possibilités infinies à la science. Les nano-robots seraient capables de repérer et détruire des cellules cancéreuses, d'agir sur les fibres musculaires, de reconstruire des tissus vivants, d'entrer dans les cellules pour modifier le programme génétique, d'effectuer des opérations de mini-chirurgie, de déboucher des artères, de participer à des missions d'exploration...

 

 

Les nano-robots étaient au début de purs produits fantaisistes utilisés dans les films et les romans de science fiction. Ainsi dans la série télévisée  Au delà du réel, les nano-robots permettaient d'avoir des branchies et des défenses électriques.

C'est encore le physicien Richard Feynman et un de ses élèves, en 1959, qui eurent en premier, l'idée d'utiliser des "machines menues" à des fins médicales.

De nos jours, dans le monde entier, de nombreux scientifiques et leurs équipes travaillent sur les nano-robots. Et, alors que l'on pourrait croire le contraire, ce n'est plus la miniaturisation qui pose problème mais le fait que le nano-robot soit capable d'effectuer des tâches complexes tout en bougeant seul et en ayant sa propre énergie.

 

Il faut tout de même nuancer, car beaucoup de personnes ont tendance à croire, à tord, que les nano-robots ont envahi le domaine médical et sont présents dans toutes les salles d'opération. Sans en être encore à ce stade, il est fort probable, au rythme où s'enchainent les innovations que d'ici une quinzaine d'années leur utilisation se sera généralisée dans les pays développés.

Dans cette partie, nous allons nous baser sur des exemples concrets de prototype parmi les plus aboutis dans le domaine médical. Nous détaillerons leur mode de fonctionnement, leur zone d'action et leur constitution mécanique.


L'exemple de Protheus

 

 

La science fiction est devenue réalité grâce à Proteus. Son nom vient du livre d'Isaac Assimov "Voyage fantastique" paru en1966. Dans celui-ci un sous-marin "le Proteus" transportant une équipe de chirurgien était réduit à des dimensions microscopiques. Il devait voyager dans un corps humain et sa mission était de détruire, dans le cerveau, un caillot impossible à opérer.

 

En 2009, une équipe australienne de l’université de Monash dirigée par le professeur James Friend, un nanophysicien, a mis au point un nanorobot utilisable en médecine. Ils l'ont baptisé Proteus.

 

Proteus possède un diamètre de 250 microns, soit l'épaisseur de trois cheveux. Sa forme est allongée et fine, tous les composants mécaniques sont entourés d'une capsule qui les isolent de l'environnement extérieur, ce qui confère au nano-robot la forme d'un "suppositoire."

 

A l'avant de la capsule, se trouve le circuit de commande, un composant électronique qui constitue l'intelligence de Proteus. Il fonctionne grâce à une source d'alimentation située en dessous, juste assez puissante pour alimenter la tête.

 

Encore plus bas, se trouve un élément piézoélectrique, nous analyserons son mode de fonctionnement plus tard dans cette partie. Son rôle est de mettre en rotation une tige hélicoïdale reliée à un rotor, lui-même fixé au bout de la capsule. Hors de la capsule, trois flagelles sont attachées au rotor. Lorsque celui-ci se met à tourner grâce à la tige, les flagelles se mettent en rotation, elles constituent le moyen de propulsion de Proteus

 

La tige hélicoïdale, appelée stator, mesure 250 microns de diamètre, soit un quart de millimètre. Elle est mise en rotation grâce à un courant très faible produit par de la piézoélectricité et peut tourner jusqu'à 1 295 tours par minute, une vitesse largement suffisante pour permettre à Proteus de circuler dans des courants sanguins à débit modéré.

 

Parlons maintenant du moteur piézoélectrique. La piézoélectricité vient du grec "piézen" qui signifie presser. Lorsque deux corps se touchent ou se frottent, ils exercent une pression l'un sur l'autre. La pression exercée correspond à de l'énergie que se transmettent les deux corps. Certains matériaux ont pour caractéristique de transformer l'énergie produite par la pression en électricité. C'est le cas du cristal, qui est aussi l'élément utilisé pour alimenter Proteus en électricité.

 

Proteus circulera dans le système sanguin du patient. Il sera injecté dans le cou, en effet le sang circule plus lentement à cet endroit, ce qui permettra à Proteus de se déplacer à contre courant pour aller jusqu'au cerveau. La région du cœur possède un flux sanguin trop rapide pour les flagelles de Proteus qui serait aussitôt emporté et deviendrait incontrôlable. Le nano-robot sera contrôlé à distance grâce à des ondes électromagnétiques d'une puissance de 2 à 3 watts, ce qui correspond à la puissance d'un téléphone cellulaire. Cependant lors des premiers test, Proteus était fixé au bout d'un cathéter pour que les scientifiques puissent le récupérer en cas de disfonctionnement.

 

Proteus explorera le corps humain et pourra transporter du nano matériel tel qu’une caméra, des médicaments à dose concentrée pour injecter par exemple dans une tumeur, un scalpel pour pratiquer une intervention chirurgicale. Ce type d’intervention permettra aux patients de se rétablir plus rapidement. Ces équipements seront transportés dans des petits compartiments.

Mais de nombreuses heures de recherche et de nombreuses expérimentations seront nécessaires avant que Proteus puisse procéder seul à une opération ou à un traitement médical. S’il veut être opérationnel dans tout le corps humain, il doit aussi renforcer la puissance de son moteur pour pouvoir circuler dans les endroits où le flux sanguin est fort.

 

 

 

Le robot marcheur


Mais un nanorobot peut prendre une forme tout à fait différente de celle de Proteus. Prenons par exemple le robot marcheur du Professeur Carlos Montemagno. En 2004, le professeur et ses collègues de l'université de Los Angeles en Californie ont créé un prototype de nanorobot ayant pour vocation, une fois implanté de forcer le diaphragme de patients ayant du mal à respirer de se contracter en remplaçant les nerfs phréniques endommagés. Le diaphragme est un muscle, relié aux extrémités de la cage thoracique et s'étendant sous les poumons. Lors de sa phase abdominale, le diaphragme crée une dépression dans les poumons et entraine un appel d'air, c'est grâce à lui notamment que l'on peut respirer aisément.

 

 

 

Pour cela, Carlos Montemagno prévoit d'utiliser un muscle cardiaque de rat. En effet, les fibres de Purkinje situées au bout du faisceau de Hiss, dans la paroi interne des ventricules du cœur sont capables de se contracter même sans être innervesé, c'est l'automatisme cardiaque.

 

 

Ainsi, il est tout à fait possible de faire battre le cœur d'une grenouille même si celui-ci est séparé du reste de l'organisme et cela pendant près de 3h. Il faut tout de même penser à l'asperger régulièrement d'une solution ionique  pendant l'expérience.

Le nanorobot à l'épaisseur d'un cheveu et a réussi à avancer jusqu'à 40 microns par seconde. Il est composé d'un fil de silicium de 50 microns de diamètre, en arc de voute sur lequel sont attachées en dessous  les cellules musculaires prélevées sur le myocarde du patient pour éviter un rejet. On peut voir sur le schéma en dessous qu'une fine couche d'or sépare le silicium du muscle cardiaque, cela permet une meilleure adhésion des fibres musculaires.

 

 

Lors de l'étape n°1, le muscle cardiaque est au repos, le nano-robot est dans sa phase initiale.

Pendant l'étape n°2, le muscle va se contracter et rapprocher la branche de silicium flexible de sa voisine. Le bras arrière avance.

Enfin, au cours de l'étape n°3, le muscle se relâche, la contrainte exercée sur les branches de silicium disparait, entrainant l'avancée du nano-robot. Et ainsi de suite.

Le nano-robot est quasiment autonome, cependant il lui faut tout de même du glucose pour servir de carburant, il permettra au muscle de créer de l'énergie.

 

En effet, le glucose est la principale source d'énergie du muscle qui se traduit par la relation :

 

 

Les tests sur des êtres vivants n'ont pas encore débuté, mais les tests sur le nano-robots ayant été concluants, cela ne saurait tarder.