Dispositivos médicos implantados o ingeridos pueden reunir la información y afinar diagnósticos

tratamientos continuamente durante un período prolongado de tiempo, en contraste con la

supervisión limitada de una serie de pruebas de laboratorio convencionales. Ejemplos actuales

incluyen cámaras de píldoras de tamaño para ver el tracto digestivo, así como la glucosa

implantado y monitores hueso de crecimiento para ayudar el tratamiento de la diabetes y

reemplazos articulares, respectivamente. El desarrollo continuo de micromáquinas está ampliando

significativamente las capacidades de los dispositivos implantados, incluyendo microrobots

milímetro escala independientes para a corto plazo en el uso quirúrgico vivo. Por ejemplo, los

campos magnéticos externos de una resonancia magnética clínica (IRM) del sistema puede mover

microrobots que contienen partículas ferromagnéticas través de la sangre vessels.1-4 Otros

demostrado micromáquinas strated utilizan motores flagelar a moverse a través de los fluidos y

ofrecer la posibilidad de cirugías mínimamente invasivas microempresas en las partes del cuerpo

más allá del alcance de la tecnología catéter existente

Continuando con el desarrollo de máquinas en vivo, nanotecnología logía tiene el potencial de

revolucionar care7-10 salud con dispositivos lo suficientemente pequeños para llegar e interactuar

con las células individuales del cuerpo. Los esfuerzos actuales se centran en nanomateriales para

mejorar el diagnóstico por imagen y la administración dirigida de fármacos. Por ejemplo, las

nanopartículas pueden dirigirse a tipos celulares específicos para la imagen o el medicamento

delivery.11-14 Otros esfuerzos se centran en el desarrollo de dispositivos más complejos, como

nanodispositivos multicomponentes llamados tectoden- drimers, que tienen un solo núcleo

dendrímero a qué módulos dendrímeros adicionales de diferentes tipos están fijados, cada tipo

diseñado para realizar una función necesaria para un nanodevice.15-17 terapéutico inteligente

Estas partículas también pueden proporcionar el control externo de algo de química dentro de las

células, tales como a través de pequeñas radiofrecuencia (RF) antenas asociadas a ácido

desoxirribonucleico (ADN) a hibridación control.

Otras capacidades surgen de la combinación de la precisión de estos dispositivos a nanoescala con

la programabilidad actualmente sólo está disponible en las máquinas más grandes. Tales robots

microscópicos ("nanorobots"), con un tamaño comparable a las células, podrían proporcionar

benefits.7,18-22 médico significativo Al darse cuenta de estos beneficios requiere la fabricación de

los robots de forma barata y en grandes cantidades. Un enfoque para la creación de estos robots

es la ingeniería de sistemas biológicos (por ejemplo, las células dentro de la lógica basada en ARN,

23 bacterias asociadas a las nanopartículas, 24 la ejecución de programas sencillos a través de la

maquinaria genética en bacterias, 25,26 y computadoras de ADN que responden a combinaciones

lógicas de chemicals27). Otro enfoque para nanorobots fabricación es machines.19 inorgánicos Tal

fabricación sintética está más allá de la tecnología actual, pero podría ser el resultado de los

avances en curso en el desarrollo de dispositivos a nanoescala. En particular, estas máquinas

podrían surgir de desarrollo continúa de actualidad demostrado nanoescala electrónica, sensores

y motores, 28-36 y se basan en assembly.37 dirigido

Un beneficio clave de las máquinas a escala micrométrica es que pueden pasar a través de incluso

los vasos más pequeños del sistema circulatorio y de ese modo puede acercarse dentro de unos

pocos diámetros de células de la mayoría de las células del tejido del cuerpo. Sin embargo, este

pequeño tamaño limita las capacidades de los robots individuales. Para las tareas que requieren

mayores capacidades en relación con el acceso a las células individuales, nanorobots podrían

utilizar la circulación para llegar a los lugares deseados y, una vez allí, formar agregados utilizando

protocols.19 autoensamblaje Para los robots alcanzan los tejidos a través de la circulación, se

forman los agregados más simples en la pared interna del recipiente. Robots podrían también

agregada en espacios de tejido fuera de los pequeños vasos sanguíneos a través de los capilares de

salir por diapedesis, 19 un proceso similar al utilizado por cells.38 inmune

Los agregados de robots en un solo lugar durante un período prolongado de tiempo podrían ser

útiles en una variedad de tareas. Por ejemplo, podrían mejorar el diagnóstico mediante la

combinación de múltiples mediciones de chemicals.39 Usando estas mediciones, el agregado

podría dar el control temporal y espacial precisa de release19,20 drogas como una extensión de

una demostración in vitro utilizando ADN computers.27 Utilizando señales químicas, los robots

podrían afectar el comportamiento de las células de los tejidos cercanos. Para dicha comunicación,

las moléculas en la superficie del robot podían imitar las moléculas de señalización existente para

unirse a los receptores sobre la célula surface.19,40 Ejemplos incluyen la activación cells41 del

nervio y que inician la respuesta inmune, 40, que podría a su vez amplificar las acciones de los

robots mediante el reclutamiento de células para ayuda en el tratamiento. Estas acciones serían

un análogo de pequeña escala de los robots que afectan el comportamiento de auto-organizada

de grupos de organisms.42 Agregados también podría supervisar los procesos que tienen lugar

durante largos períodos de tiempo, como la actividad eléctrica (por ejemplo, a partir de células

nerviosas cercanas), con lo que extender las capacidades de los dispositivos atados a nanocables

introducido a través de las system.43 circulatorios En estos casos, los robots es probable que

tenga que permanecer en la estación durante decenas de minutos a unas pocas horas o incluso

más tiempo.

El agregado en sí podría ser parte del tratamiento, proporcionando un soporte estructural (por

ejemplo, en respuesta rápida a los heridos vessels44 sangre). Agregados podían realizar gery

microsur- preciso en la escala de las células individuales, extender las capacidades quirúrgicas de

simple devices.45 nanoescala Debido a los procesos biológicos a menudo involucran actividades

en molecular, celular, tisular, y los niveles de órganos, como la microcirugía podría complementar

la cirugía convencional a escalas más grandes. Por ejemplo, unos manipuladores milímetro escala,

construidos a partir de micromáquina (sistema microelectromecánico; MEMS) la tecnología, y una

población de dispositivos microscópicos podrían actuar simultáneamente en escalas de tejidos y el

tamaño celular (por ejemplo, para diagnosis46 o repair47,48 nervio).

Un reto importante para nanorobots surge de la física de los microambientes, que difieren en

varios aspectos importantes de los robots más grandes de hoy en día. En primer lugar, los robots a

menudo operar en fluidos que contienen muchos objetos en movimiento, tales como células,

dominada por las fuerzas viscosas. En segundo lugar, el ruido térmico es una fuente importante de

error en el sensor, y el movimiento browniano limita la capacidad de seguir rutas especificadas

con precisión. Por último, el poder limita significativamente los robots, 49,50 especialmente para

aplicaciones a largo plazo donde los robots pueden monitorear pasivamente raras condiciones

específicas (por ejemplo, lesión o infección) y deben responder rápidamente cuando ocurren esas

condiciones.

Para las tareas médicas de duración limitada, el combustible a bordo creado durante la fabricación

robot podría ser suficiente. De lo contrario, los robots necesitan energía extraída de su medio

ambiente, tales como la conversión de las vibraciones generadas externamente para electricity51

o generators.19 química de energía y un nivel grueso del control se puede combinar con una

fuente externa (por ejemplo, luz) para activar los productos químicos en el fluido para alimentar

las máquinas en lugares específicos, 52 similar a la activación de nanopartículas durante la terapia

fotodinámica, 53 o utilizando localizados térmico, acústico o demarcation.19 química

Este artículo examina la generación de energía para la actividad del robot a largo plazo a partir de

la reacción de la glucosa y el oxígeno, que son ambos disponibles en la sangre. Esta fuente de

energía es similar a las bacterias basada pilas de combustible cuyas enzimas permitir la oxidación

completa de glucose.54-56 Se describe un modelo computacional factible la incorporación de los

aspectos de microambientes con efecto significativo en el rendimiento del robot, pero no

consideramos anteriormente en diseños de robots (por ejemplo, cinética constantes de tiempo

que determinan la rapidez con concentraciones químicas se ajustan a las operaciones del robot).

Como un escenario específico, nos centramos en los números modestos de robots agregados en

los capilares.

Una segunda cuestión que consideramos es la forma en que los robots afectan el tejido

circundante. Localmente, los robots compiten por oxígeno con el tejido y también bloquean

físicamente difusión fuera del capilar. Robot resultados de generación de energía en calor residual,

que localmente podrían calentar el tejido. El consumo de oxígeno robot también podría tener

efectos de largo alcance por el agotamiento de oxígeno transportado en el paso glóbulos rojos.

En el resto de este artículo, se presenta un modelo de las propiedades físicas más importantes

relacionados con la generación de energía para los robots que utilizan el oxígeno y la glucosa en el

plasma sanguíneo. El uso de este modelo, a continuación, evaluar las capacidades de generación

de energía en estado estacionario de robots agregados y cómo influyen en el tejido circundante.

Métodos

Consideramos robots microscópicos utilizando oxígeno y glucosa disponible en el plasma

sanguíneo como fuente de energía de los robots. Este escenario implica flujo de fluidos, la difusión

química, energía genera- ción de los productos químicos que reaccionan, y la producción de calor

residual. Excepto por las geometrías simples, comportamientos deben ser calculados

numéricamente (por ejemplo, a través del elemento finito method57).

En esta sección se describe nuestro modelo. Los imations aproximada- simplificadoras son

similares a los utilizados en los modelos biofísicos de entornos microscópicos, como el transporte

de oxígeno en los pequeños vasos sanguíneos con difusión en los alrededores tissue.58,59 Nos

enfocamos en el comportamiento en estado estacionario que indica el rendimiento del robot a

largo plazo cuando se promedian sobre cambios a corto plazo en el medio ambiente local, tales

como glóbulos individuales (exclusivamente los eritrocitos, las células no blancos o plaquetas

menos que se indique lo contrario) que pasan a los robots.

Figura 1. Representación esquemática de la geometría recipiente, robots, y el tejido circundante.

Los tamaños relativos de las regiones no son a escala para los parámetros de nuestro modelo (que

se describen en la sección "Parámetros del modelo"). (A) Una rebanada a través de la geometría

axialmente simétrica con el eje de los vasos en la parte inferior, que muestra una sección

transversal de 10 anillos de robots. El fluido fluye a través del recipiente de izquierda a derecha,

con diferentes velocidades dependiendo de la distancia a la pared del vaso. Sección transversal (B)

del buque en la posición de un anillo de robots.

Los vasos sanguíneos y la geometría del robot

Evaluar el comportamiento de geometrías tridimensionales generales es computacionalmente

intensivas. Modelos físicos simplificados dan una idea útil con reducidos significativamente

requirements.59 computacionales Tales simplificaciones incluyen utilizando dos-dimensiones

geometrías tridimensionales sionales y axialmente simétricas. El último caso, apropiada para el

comportamiento dentro de los vasos, tiene física

Ignoramos variaciones pulsátiles en circunferencia del vaso ya que se limitan principalmente a la

arteria más grande vessels.60 Por lo tanto, nuestra geometría del modelo es tanto axial simétrica y

estática.

El flujo de fluido

La viscosidad domina el movimiento de los objetos microscópicos en los fluidos, produciendo

diferentes comportamientos físicos que para los más grandes

61 a 65

propiedades independientes del ángulo de rotación alrededor del vaso

organismos y robots en los fluidos.

64,66

La ecuación de Navier-Stokes

eje. Adoptamos este enfoque y consideramos la simetría axial

describe el flujo.

Para la geometría del vaso de la Figura 1, la

geometría ilustra en la Figura 1: un segmento de un vaso pequeño con robots que forman uno o

más anillos alrededor de la pared del vaso. La cifra incluye el efecto Fahraeus: confinamiento de

células de la sangre cerca del centro del recipiente. La sección "Efectos de las celdas de flujo y

química de transporte" de este artículo describe cómo modelamos este efecto.

diferencia de presión entre la entrada y la salida del recipiente

determina la naturaleza del flujo. Se especifica la diferencia de presión como ▿pL donde ▿p es el

gradiente de presión total y L es la longitud del segmento de modelado de la embarcación.

Mientras que algunas fugas de líquido dentro o fuera de los capilares, ignoramos este pequeño

componente del flujo, en común con otros modelos de la sangre

59,67

Para asegurar la simetría axial, modelamos el interior del robot con

fluir en capilares.

En nuestro escenario, los robots están asociadas a

propiedades físicas uniformes y tomar su formas conformes a la pared del vaso sin espacios entre

robots.19 vecina Por lo tanto, como se ve en la Figura 1, B, las superficies de los robots en

contacto con el plasma o la pared del vaso son curvas, de manera que los robots son solamente

más o menos cúbica. Las otras superficies robot indicados en la Figura 1 no se tratan

explícitamente en nuestro modelo.

Físicamente interiores robot uniformes son convenientes pero no es necesario para este modelo.

Un modelo axialmente simétrico sólo requiere los robots de ser uniforme en la dirección alrededor

del vaso y que las superficies radiales limítrofes entre robots son tratados como continuo con los

interiores. Características robot podría variar en la dirección lo largo del eje buque o radialmente.

Por ejemplo, el modelo de simetría axial podría aplicarse a robots cuyos generadores de energía

están cerca de la superficie de contacto con el plasma para reducir al mínimo el transporte interno

de oxígeno, análoga a la aglutinación de las mitocondrias en las células cerca capillaries.59 Por otra

parte, si bien principalmente centramos en anillos físicamente adyacentes de robots, simetría axial

también es válido para juegos de anillos que están separados unos de otros a lo largo de la

embarcación. Nos referimos a un conjunto de anillos de robots como ringset.

la pared del vaso. Para comportamiento de los fluidos de modelado, tales robots estáticos

simplemente cambiar la forma del límite buque. Aplicamos el "deslizamiento" condición de

frontera en ambos los robots y la pared del vaso (es decir, la velocidad del fluido es cero en estos

límites). Por lo tanto, la velocidad de flujo varía de cero en la pared a un valor máximo en el centro

del buque.

Difusión química

Robots microscópicos y bacterias se enfrentan a limitaciones físicas similares en la obtención

chemicals.68 a pequeñas escalas, la difusión resultante de movimientos térmicos aleatorios es el

proceso principal el transporte de sustancias químicas. Incluso en la escala de estos robots, las

moléculas individuales y sus distancias entre colisiones sucesivas son pequeñas. Por lo tanto, los

productos químicos en el líquido son bien aproximada por una concentración de C continua que

especifica el número de moléculas por unidad de volumen. La concentración obedece a la

ecuación de difusión

Ecuación 1

donde F = -D▿C + vC es el flujo de producto químico, se ▿C el gradiente de concentración, v es el

vector de velocidad del fluido, D es el coeficiente de difusión química, y Γ es la densidad de la

velocidad de reacción (es decir, velocidad a la que las moléculas se creado por reacciones químicas

por unidad de volumen). El primer término en el flujo es la difusión, que actúa para reducir los

gradientes de concentración, y surge el segundo término del movimiento del fluido en el que el

producto químico se disuelve moléculas .small como el oxígeno y la glucosa se difunden fácilmente

a partir de los capilares en el tejido circundante. Eq. (1) también describe el transporte dentro de

los tejidos en donde v ≈ 0 (es decir, el transporte es completamente debido a la difusión). El

coeficiente de difusión de oxígeno en el tejido es similar a la del plasma, de 58 años y por

simplicidad utilizamos los mismos coeficientes de difusión en ambas regiones.

Cinética de liberación de oxígeno de las células rojas de la sangre

Como robots consumen el oxígeno del plasma, que pasan a los glóbulos rojos responden a la

concentración reducida por la liberación de oxígeno. Una cuestión importante para la

alimentación de robots es la rapidez con células reponer el oxígeno en el plasma ya que las células

pasan los robots.

Un valor de clave de la determinación de la liberación de oxígeno de los glóbulos rojos es la

saturación de la hemoglobina S: la fracción de la capacidad de la hemoglobina en una célula que se

ha unido oxígeno. La concentración de oxígeno en la célula es CmaxS, donde Cmax es la

concentración en la célula cuando toda la hemoglobina ha unido oxígeno.

La saturación es alta cuando la célula está en el líquido con alto contenido de oxígeno (es decir, en

los pulmones) y baja después de que la célula ha entregado oxígeno a los tejidos del cuerpo.

Cuantitativamente, la

saturación en equilibrio, convencionalmente expresada en términos de la presión equivalente p

parcial de oxígeno (O2) en el líquido alrededor de la célula, está bien descrito por la ecuación de

Hill

donde a = p / p50 es la relación de presión parcial, p50 es la presión parcial a la que la mitad de la

hemoglobina se une al oxígeno, y n caracteriza a la pendiente del cambio de menor a mayor

saturación. La saturación en los pequeños vasos sanguíneos se extiende de cerca de 1 dentro de

los pulmones a alrededor de un tercio en los tejidos de trabajo. La ley de Henry se relaciona la

presión parcial a la concentración: p = Ho2 Co2 con el HO2 constante de proporcionalidad en

función de la temperatura del fluido.

Eq. (2) da la saturación de equilibrio (es decir, el valor de una celda roja después de residir un

tiempo suficientemente largo en un fluido con una presión p parcial). Sin embargo, pequeños

robots que consumen el oxígeno del plasma pueden producir grandes gradientes de concentración

de oxígeno. Si los gradientes de concentración de oxígeno y la velocidad de flujo son lo

suficientemente altos, las células que pasan no tienen tiempo para equilibrarse con la disminución

abrupta concentración de oxígeno antes de que el flujo de los mueve más allá de los robots. Si

este es el caso depende de la cinética (es decir, la rapidez con que las células cambian su nivel de

saturación cuando se expone a cambios de concentración). La escala de tiempo para la liberación

de oxígeno se determina por la cinética de reacción de unión de oxígeno a la hemoglobina en la

célula y la difusión de estos productos químicos dentro de la célula.

Uno de los modelos de esta cinética es una ecuación diferencial globalizado-modelo que relaciona

la saturación a la concentración fuera del cell.71 En

este modelo, el cambio en S, y por lo tanto el flujo de oxígeno a partir de una célula en el plasma

circundante, se determina a partir de la presión parcial relación A como cuando tu es una escala

de tiempo característica para la descarga de oxígeno, y la función de descarga de saturación s es

Si la presión parcial de oxígeno, p, varía a lo largo de la superficie de la célula, la velocidad de

cambio es la media de la mano del lado derecho de la ecuación. (3) sobre la superficie de la célula.

Eq. (3) es coherente con la relación de equilibrio de la ecuación. (2) porque s (a, Sequib (a)) = 0.

Como una condición de contorno en la saturación de oxígeno S, en la entrada del recipiente

tomamos S igual al valor de equilibrio con la concentración de plasma de oxígeno especificado en

la entrada. Evaluación numérica de la ecuación. (3) requiere cuidado para evaluar con precisión s

cuando la concentración es cercano al equilibrio para evitar la inestabilidad numérica si la

concentración calculada en el plasma es aún ligeramente por encima de la saturación de la célula.

Las células de la sangre también tienen un papel en la eliminación del dióxido de carbono (CO2)

producido por los robots (descritos en la sección siguiente). Sólo una pequeña parte se transporta

disuelto en el plasma. En lugar de ello, la mayoría de CO2 se transporta o químicamente convierte

en bicarbonato dentro de las células rojas. La cinética detalladas de estos procesos no limita

directamente el poder robot una producción y por lo tanto está más allá del alcance de este

artículo.

Por otra parte, las tasas de producción de energía robot que aquí se consideran aumentan la

concentración de dióxido de carbono por sólo un pequeño porcentaje, que puede ser amortiguada

por los procesos dentro de las células que pasan y por tanto no es probable que sea una

restricción de seguridad en los niveles de potencia en los escenarios que consideramos.

La generación de energía Robot

La glucosa reacción química global combinando (C6H12O6) y oxígeno para producir agua (H2O) y

dióxido de carbono es

Denotamos la energía liberada por cada una de estas reacciones por correo. Un robot que absorbe

las moléculas de oxígeno a un ritmo JO2 produce JO2 poder e = 6 porque cada reacción utiliza seis

moléculas de O2.

Consideramos robots en la pared del vaso de absorción de los productos químicos desde el fluido

sólo en sus lados que mira al plasma. Para la generación de energía con el oxígeno y la glucosa de

la sangre, el oxígeno es el chemical.19 limitar Examinamos dos opciones de diseño para los robots:

cómo recogen oxígeno llegar a su superficie y su capacidad de procesamiento que el oxígeno para

producir energía.

Para la primera opción de diseño, el transporte de oxígeno dentro de los robots, examinamos dos

extremos. En el diseño básico ("no hay bombas"), los robots absorben el oxígeno de forma pasiva

a través de la difusión. En el diseño avanzado ("con bombas"), los robots usan bombas en sus

superficies de forma activa absorber todo el oxígeno que llega y distribuir este

de gas a los sitios de generación de energía interna. Tratamos a la superficie completa como

disponibles para absorber los productos químicos. En la práctica, los robots absorber productos

químicos con sólo una fracción de su superficie. Esto no es una limitación importante para los

robots microscópicos ya que incluso una modesta fracción de una superficie con los sitios de

absorción da la absorción casi tan grande como la de una superficie totalmente absorbente.

Para la segunda opción de diseño, la capacidad de producción de energía del robot, también

examinamos dos casos. A bordo de la capacidad de generación surge a partir del número y la

eficiencia de los sitios de reacción internos (por ejemplo, células de combustible) 19,54,56 en cada

robot. Si la capacidad se ve limitada por la ingeniería de factibilidad de la fabricación de pilas de

combustible o por la dificultad de colocación en los robots, los robots tienen relativamente pocas

células-y combustible en consecuencia, una baja capacidad máxima de generación de energía, de

ahí se denominan robots "de baja capacidad". Cuando estas restricciones no se aplican, tenemos

robots "alta capacidad".

Un robot con la bomba suficiente y la capacidad de generación produce energía de todo el

oxígeno de llegar al robot. Esta situación limitado de oxígeno se corresponde con una condición de

contorno-concentración cero para la concentración de oxígeno en el líquido en la superficie del

robot. Con esta condición de contorno, integrando el producto escalar de la F de flujo

(determinado a partir de la Ec. (1)) y el vector normal de la superficie que mira al plasma del robot

da la tasa

JO2 (moléculas por unidad de tiempo) en el que el robot absorbe las moléculas de oxígeno, sin

necesidad de modelar explícitamente el transporte y el consumo de oxígeno en el interior del

robot. Mientras que las bombas no pueden mantener la condición de frontera concentración cero

en arbitrariamente alto flujo de oxígeno, capacidad de la bomba teórico parece más que adecuado

para las concentraciones de oxígeno pertinentes a nuestro modelo.

La capacidad de generación de energía de un robot está limitada por el número de sitios de

reacción que contiene, Nreact, y por la velocidad máxima de la reacción de la glucosa y el oxígeno

en cada sitio, r. Específicamente, la tasa de absorción de oxígeno en estado estacionario debe

satisfacer Jo2 V6Nreactr. Si esta unido en la tasa de absorción es menor que el flujo de oxígeno

correspondiente a la condición de contorno-concentración cero las bombas podrían mantener, a

continuación, la generación de energía del robot será limitada por la capacidad en lugar de

limitarse oxígeno, y la condición límite de concentración cero no lo hará aplicar. En esta situación,

para un robot con bombas, consideramos que las bombas de la entrega de tanto oxígeno como los

sitios de reacción pueden procesar, dando la generación de energía robot igual a su valor máximo

posible, es decir, Nreactre.

La determinación de la generación de energía para los robots sin bombas requiere modelar

explícitamente el transporte de oxígeno y la generación de energía en el robot. En este caso, el

oxígeno se mueve por difusión dentro del robot. Tratamos a la generación de energía como

espacialmente continua en lugar de que ocurren en sitios de reacción discretas, lo que se

mantiene la simetría axial. Por lo tanto, la ecuación. Eq. (1) se aplica dentro del robot, con la

densidad velocidad de reacción para el oxígeno, Γ, determinada por la densidad de número de

sitios de reacción, ρreact, y la cinética de reacción de cada sitio. Para los sitios de reacción

distribuidos uniformemente, ρreact = Nreact / Vrobot donde Vrobot es el volumen de cada robot.

Específicamente, en un lugar determinado dentro del robot, Γ = 6Probot / e donde Probot es la

densidad de generación de energía (es decir, la potencia generada por unidad de volumen en esa

ubicación). Estamos modelo de generación de energía robot utilizando Michaelis-Menten

kinetics73 asumiendo el oxígeno es el factor limitante, porque las concentraciones de glucosa son

típicamente dos órdenes de magnitud mayores que los de oxígeno:

donde K es la concentración de O2 dar la mitad de la velocidad de reacción máxima. La potencia

total generada por un robot es la integral de Probot sobre el volumen del robot, que es la misma

que la potencia determinada a partir de la tasa que el robot absorbe oxígeno .IS determina a partir

de la solución de la ecuación. (1) en el interior de fluido y robot en lugar de a partir de una

condición de contorno en la superficie del robot.

El número de sitios de reacción en un robot es una opción de diseño, limitado por el volumen de

cada sitio de reacción. Como ejemplo, una pila de combustible-oxígeno glucosa nanoescala podría

ser tan pequeño como 3.000 Nm3 con moléculas r = 106 de glucosa por ρreact second.19 no

puede ser mayor que el recíproco de este volumen-que se correspondería con el robot

completamente llenado por Power- sitios de reacción generación. Para ilustrar las ventajas y

desventajas entre estas opciones de diseño, consideramos robots de alta y de baja capacidad, con

y sin bombas. El aumento de la concentración de oxígeno en los sitios de reacción aumenta su

potencia de salida más cerca de su máximo (como la fracción que aparece en la Ec. (5) se acerca a

su valor máximo de 1). Por lo tanto, las bombas pueden compensar al menos algo de una

disminución en el número de sitios de reacción funcionales mediante el aumento de la

concentración de oxígeno por lo que los sitios de reacción restantes operan de manera más

eficiente. Por otra parte, si las bombas son más difíciles de fabricar que las pilas de combustible,

los robots se beneficiaría de un gran número de células de combustible (alta capacidad) para

compensar la incapacidad de difusión pasiva a aumentar las concentraciones. Como otro enfoque

para tratar con pocas pilas de combustible, también consideramos colocando todos ellos cerca de

la superficie que mira al plasma del robot, donde la concentración de oxígeno es más alta en la

difusión pasiva (sin bombas) de diseño.

El uso de oxígeno en los tejidos

Modelos de uso de oxígeno y la generación de energía en los tejidos pueden incluir varios detalles

de la estructura del tejido. Un enfoque simple adoptada en este artículo, trata el tejido que rodea

el recipiente como el oxígeno homogénea y metabolizar (se supone que el producto químico

limitante RATE) con una cinética similar en su forma a la ecuación. (5):

tejido es la demanda de potencia (potencia por unidad de volumen) del tejido, y Ktissue es la

concentración de O2 dar la mitad de la velocidad de reacción máxima.

Calentamiento

La potencia generada por robot finalmente se disipa como calor residual en el medio ambiente. La

transferencia de calor a partir de los robots a su entorno se produce tanto por conducción y

convección debido al fluido en movimiento. Tomamos el entorno del tejido fuera del recipiente a

ser lo suficientemente pequeño para no incluir otras embarcaciones. Por lo tanto el transporte de

calor en el tejido es sólo a través de la conducción.

La temperatura T obedece a una versión de la ecuación. (1) 66:

donde F = -kthermal▿T + ρcthermalTv está el flujo de calor, se ▿T el gradiente de temperatura, v

es el vector de velocidad del fluido, ρ es la densidad del fluido, kthermal es la conductividad

térmica del fluido, cthermal es la capacidad de calor del fluido, y Q es la densidad de tasa de

generación de calor, que es la misma que la producción de energía por unidad de volumen. por

robots de absorción de oxígeno que llega a todos ellos (es decir, utilizando bombas), que toman Q

uniforme dentro del robot, es decir, igual a eJo2 = ð6VrobotÞ. Para los robots sin bombas, la

generación de energía varía dentro del robot, con Q = Probot de la ecuación. (5). Para condiciones

límites de temperatura, tomamos el fluido entrante y el radio exterior del cilindro de tejido que se

celebrará en la temperatura corporal.

Si bien podríamos incluir la generación de energía del tejido como fuente de calor en la ecuación

del calor, aquí nos centramos en el calor adicional de los robots solo. De este modo se evalúa

cómo la generación de energía robot se suma a la carga de calor producida por el tejido. No

consideramos que cualquier cambio en el tejido, ya sea local o sistémica (por ejemplo,

aumentando el flujo de sangre), en respuesta al calentamiento adicional. Esta es una suposición

razonable dado el pequeño temperatura

aumento descrito en la sección "poder de Tejidos y calefacción".

Efectos de las células en el transporte de flujo y química

En los pequeños vasos sanguíneos, las células de sangre individuales son comparables en tamaño

al diámetro del vaso. Por lo tanto, en la longitud escalas relevantes para los robots microscópicos,

el fluido consiste en separar plasma objetos relativamente grandes. Las células afectan

significativamente el flujo de fluido y, porque las células no son rígidos, el flujo altera la forma de

las células (aunque podemos ignorar elevación rojo inducida por la rotación de células de sangre

de diffusivity74 debido a que estas células se mocionalmente restringidos en los capilares y la

elevación es más bajo para pequeñas moléculas tales como O2). Del mismo modo, las paredes de

los vasos no son rígidos, que cambia algo tanto el flujo y el límite buque. Una consecuencia clave

para el transporte de oxígeno es el confinamiento de las células hacia el centro del recipiente. El

líquido libre de células cerca de la pared del vaso es una brecha sobre la que el oxígeno liberado

por las células debe difundirse para llegar a la pared del vaso o la superficie robot mira al plasma.

En los capilares, esta brecha varía de aproximadamente 0,5 a 1 m,

dependiendo de flujo speed.67,75

Modelado de las interacciones entre las células del líquido y sangre es computacionalmente

factible para unas pocas células en capillaries.70,76 Sin embargo, modelando las interacciones con

muchas células de deformación es un reto, y cerca de embalaje de objetos que se mueven en las

derivaciones de líquido a lo complejo interactions.77,78 hidrodinámico lugar de evaluar estos

efectos en detalle, utilizamos modelos aproximados que promedian más de los comportamientos

celulares y asumen paredes de los vasos rígidos. Tales modelos se utilizan comúnmente para

estudiar la entrega de oxígeno en el tejido.

Este enfoque de promediación también simplifica el análisis del comportamiento robot colectiva.

En esta aproximación, el buque sólo contiene líquido, que consta de dos componentes como se

ilustra en la Figura 1. Los primeros modelos de componentes la mezcla de las células y plasma en

la porción central de la embarcación. En lugar de modelar explícitamente las células individuales,

esta aproximación promedios de las posiciones de células en el

fluido. El segundo componente es el fluido cerca de la pared del vaso, que consta de plasma

solamente.

El componente de fluido de modelado de la mezcla de células y plasma está confinado a una

distancia Rcell desde el eje del vaso. Esta distancia varía con la posición a lo largo del buque, como

se muestra en la Figura 1, porque los robots en la pared reducen el volumen disponible para el

fluido que pasa. Por lo tanto, todo el oxígeno liberado por las células que pasan está a una

distancia del eje Rcell buque, y este oxígeno debe difundirse a través de la brecha de plasma para

llegar a los robots o el tejido. Tomamos Rcell para seguir un fluido a simplificar con el hueco

apropiado para la velocidad del fluido en la sección del recipiente lejos de la robots.75 Este

cuentas de aproximación para la localización de las células hacia el centro del recipiente sin la

complejidad de modelar cómo cambian las células forma a medida que pasan los robots.

Un parámetro clave para el suministro de oxígeno es el hematocrito, hfull (es decir, la fracción del

volumen capilar ocupada por células). En nuestro modelo, el parámetro más relevante es el

hematocrito, h, dentro del componente fluido que contiene las células, que tiene un volumen

menor que el deposito lleno. Como ambos valores deben dar la misma tarifa para las células que

pasan a través del vaso, estas cantidades están relacionadas por

donde vpromedio es la velocidad media de flujo en el recipiente, y Vcell es la velocidad media de

flujo dentro de la porción central del recipiente con el componente líquido de modelado de las

células. Velocidad del fluido es más rápido cerca del centro de la vasija que cerca de las paredes,

por lo que Vcell es mayor que vpromedio. El vpromedio cantidades, Vcell, y Rcell variar a lo largo

de la longitud del recipiente, pero la relación que aparece en la Ec. (8) es constante debido a

nuestra elección de Rcell siguiente una línea de corriente de flujo de fluido. Dentro del

componente de fluido de la célula, el oxígeno unido a la hemoglobina tiene hCmaxS de

concentración, y el oxígeno en el plasma tiene la concentración

2

ð1 - hÞCo2. Las evaluaciones futuras de la exactitud de este enfoque simplifica la entrega de

oxígeno pueden incluir resultados de los modelos más detallados que comparan la liberación de

oxígeno de los glóbulos rojos con la de transportadores de oxígeno basados en la hemoglobina

disueltos en el plasma en lugar de contenido en cells.82 Este promediado sobre posición de la

celda puede también ser visto como aproximar el comportamiento promediada en el tiempo como

células pasan los robots en la pared del vaso.

Se modela la cinética de liberación de oxígeno pase a las células como debido a cambios en la

saturación de células en el componente de fluido de célula (es decir, S). El efecto de la liberación

de oxígeno de los glóbulos rojos en el plasma surge de la tasa de cambio en la saturación dentro

de las células, 71 como se explica en la sección "Cinética de liberación de oxígeno de las células

rojas de la sangre", con la Ec. (3). Así, el término de reacción en la ecuación. (1) para el oxígeno en

el componente de fluido con las células es debido a dS / dt de la ecuación. (3) es negativo, este

valor para Γ es positiva, dando un aumento de oxígeno en el plasma.

Determinamos S lo largo del vaso utilizando el modelo agrupado discutido en la sección "Cinética

de liberación de oxígeno de las células rojas de la sangre." El valor de S lo largo del vaso se rige por

una versión unidimensional de la ecuación de difusión basado en la

TABLA 1

We consider two values, the extremes of the listed range, for parameters indicated in boldface. For the

vessel without robots, the pressure gradient range corresponds with average flow speeds of vavg = 0.2 to 1 mm/s.

The corresponding hematocrit values within the cell fluid component are h = 0.31 to 0.36. See text for source

references.

average flow speed in the cell fluid component, vcell, and using the chemical diffusion coefficient for oxygen

bound to hemoglobin in the cell, Dheme. We determine the reaction term in the diffusion equation for S,

for each position along the vessel, by averaging the right-hand side of Eq. (3) over the cross section of the

vessel at that position, based on the oxygen concentration in the plasma of the plasma and cell component of

the fluid. This average value gives the rate of change for the saturation of cells as they pass that position

along the vessel. In this way, the changes in saturation within the cells and the concentration in the plasma

are coupled equations that are solved simultaneously.

Model parameters

Table 1 lists the parameter values we use. To locate the boundary between the fluid component modeling the

cells and the cell-free component near the vessel wall, we use cell-free gaps of 0.98 and 1.27 μm at the

vessel inlet for pressure gradients of 105 and 5 × 105 Pa/m, respectively. For the 10-μm ringset, the fluid

streamline becomes nearly flat (ie, fluid velocity in the radial direction is nearly zero) near the middle of the

aggregate, and the corresponding cell-free gap for the narrow section of the vessel by the robots (ie, of

radius 3 μm) matches that for a long vessel with radius 3 μm.75

TABLA 2

Both scenarios use high inlet concentration: CO = 7 × 1022 m3 (arterial).

Asumimos las propiedades del fluido (es decir, la densidad, la viscosidad, heatcapacity, y conductividad térmica)

son uniformes en todo el modelo y aproximadamente igual a las del agua. El rango de gradiente de presión que

consideramos se corresponde con la velocidad media de flujo de 0,2 a 1 mm / s en un recipiente de radio R sin

robots. Estas velocidades son típicos de flujo medido en capillaries.19 Para la comparación de los buques con y sin

robots, utilizamos los mismos gradientes de presión en ambos casos. Es decir, se comparan de presión constante las

condiciones de frontera en lugar de las condiciones de velocidad constante. La temperatura ambiente es la

temperatura del cuerpo, y el valor hematocrito es típico de los vasos sanguíneos pequeños, 19 que es algo menor

que en los vasos más grandes.

Para la cinética, Ktissue es de Ref. [58] y la cinética de células sanguíneas parámetros son de Refs. [71] y [59]. El

rango de concentración de oxígeno se corresponde con los extremos venosas y arteriales de las concentraciones de

glucosa y capillaries.19 CO2 en el plasma sanguíneo están en el rango milimolar (aproximadamente 1.024 molécula

/ m3), mucho más grande que el concentrations.19 oxígeno para evaluar el comportamiento robot microscópico ,

una medida conveniente de la concentración química en un fluido es número de moléculas por unidad de volumen.

Gran parte de la literatura existente utiliza unidades convenientes para las escalas más grandes, como moles de

sustancia química por litro de fluido (es decir, molar, M) y los gramos de producto químico por centímetro cúbico.

Las discusiones de los gases disueltos en la sangre a menudo especifican concentración indirectamente a través de

la presión parcial correspondiente del gas en condiciones estándar. Como ejemplo, la concentración de oxígeno Co2

= 10

molécula / m3 corresponde con una solución 17 mM, 0,53 g / cm3,

y con una presión parcial de 1,600 Pa o 12 mmHg.

Demandas de energía de tejidos varían considerablemente, dependiendo del tipo de tejido y el nivel de actividad

general. Consideramos valores típicos de descanso y alta demand19 poder y enfoque en dos escenarios extremos

indicados en la tabla 2. El escenario de baja demanda es la situación que para la mayoría de los procedimientos

médicos en la práctica. El escenario de alta demanda tiene una demanda relativamente alta de tejido, pero no es la

tasa metabólica pico en tejido humano, que puede alcanzar tasas de hasta 200 kW / m3.58

Propiedades de los fluidos y químicas varían con la temperatura, pero, como se describe a continuación, el rango de

temperatura visto en nuestro modelo es muy pequeña. Por lo tanto, tomamos los valores a la temperatura corporal.

También tratamos la curva de saturación de la ecuación. (4) como constante aunque varía un poco con la

concentración de CO2 a través de un cambio en p50.

El tamaño del robot, el número de agregados en la pared del vaso, y

la capacidad de generación de energía son las opciones de diseño, con los valores que consideramos dan en la Tabla

3. Consideramos conjuntos de anillos circulares a lo largo de la pared del vaso ya sea 1 ó 10 robots adyacentes

larga. Estos agregados se componen de 20 y 200 robots, respectivamente. Estimamos K como el valor

correspondiente con las pilas de combustible sobre la base de

table 3

El tamaño robot es la longitud de cada robot en las direcciones radial y longitudinal. Las superficies curvas frente a

la pared de plasma y de los vasos tienen ligeramente diferentes longitudes. Cuando no está limitado por la

disponibilidad de oxígeno o glucosa, un sitio de reacción de generación de energía produce er = 4 pW.

Consideramos dos valores, los extremos de la gama de la lista, para los parámetros indicados en negrita. El número

de sitios de generación de energía en cada robot, Nreact = ρreactVrobot, oscila desde 66 hasta 3.300, con la

correspondiente potencia máxima por robot, reNreact, de 260 pW y 13.000 pW para robots de baja y de alta

capacidad, respectivamente.

la glucosa oxidasa enzyme.83 Los diseños de robot de alta y de baja capacidad se corresponden con las opciones de

densidad de sitio de reacción dada en la Tabla 3. Para el caso de alta capacidad, la generación de energía utiliza

aproximadamente 1% del volumen de robot con las células de combustible se describe en la sección "la generación

de energía del robot." Como se muestra en la sección "Resultados", la generación de potencia máxima, incluso para

el caso de baja capacidad, es considerablemente más grande que sea posible con el oxígeno disponible. Así pues,

estas opciones de diseño son razonables para el estudio de las limitaciones debido al oxígeno disponible.

En nuestro modelo, el flujo de fluido es independiente de las concentraciones químicas, y ambos son

independientes de la generación de calor debido a nuestra suposición de que los parámetros de la Tabla 1 son

independientes de la temperatura en el rango fisiológico estrecho. Esto simplifica la solución numérica al permitir

que un procedimiento iterativo: la solución de primera para el flujo de fluido, a continuación, para la concentración

química, y, finalmente, para la temperatura. Específicamente, primero resolvemos para el flujo de fluido en el

recipiente como se determina por la geometría del vaso y del robot y el gradiente de presión impuesta. Dada la

velocidad del fluido, entonces resolvemos simultáneamente la ecuación. (1) para la concentración de oxígeno y la

Ec. (3) para la saturación de oxígeno promedio de células sanguíneas. Eq. (5) y la Ec. (6) dan la densidad de

generación de energía en los robots y tejidos, respectivamente. Para robots con

bombas, que imponen las condiciones de contorno en la superficie robot mira al plasma se describe en la sección

"generación de energía Robot" y no es necesario para resolver la ecuación. (1) en el interior del robot. La división

de la generación de energía por e / 6, donde E es la energía por reacción, da el correspondiente densidades

velocidad de reacción de oxígeno Γ que aparecen en la ecuación. (1) (es decir, el número de moléculas de oxígeno

consumido por unidad de volumen por unidad de tiempo en cada lugar). Esta solución da el CO2 concentración de

oxígeno y el flujo F a través del recipiente y el tejido y el promedio de saturación de células S como una función de

la distancia a lo largo del vaso. Por último, la solución de la ecuación. (7) el uso de las soluciones para el flujo de

fluido y la potencia generada por los robots da el aumento de temperatura debido a los robots. Solucionamos los

comportamientos en estado estacionario utilizando el método de los elementos finitos, de 84 años, aunque el

modelo se aplica también a tiempo- escenarios dependientes.

Resultados

La Figura 2 muestra la distribución de oxígeno en el tejido y plasma en el recipiente cerca de los robots. Los robots

reducen la concentración local de oxígeno mucho más que el tejido circundante, como se ve mediante la

comparación con el recipiente sin robots. La mayor parte del oxígeno adicional utilizado por los robots proviene de

las células de la sangre que pasa, que tienen alrededor de 100 veces la concentración de oxígeno del plasma. Dentro

del recipiente con los robots, la concentración en el plasma es más bajo en el líquido junto a los robots.

Aguas abajo de los robots es una región de recuperación donde el

concentración aumenta un poco como las células responden a la concentración abruptamente bajado cerca de los

robots. En el escenario de baja demanda, la concentración en el recipiente justo aguas abajo de los robots es algo

menor que en el tejido circundante. Así, en esta región, el movimiento neto de oxígeno es a partir del tejido en el

recipiente, donde el movimiento del fluido transporta el oxígeno aguas abajo un poco antes de que se difunde de

nuevo en el tejido. En efecto, parte del oxígeno entra en el recipiente viaja a través del tejido alrededor de robots a

la sección aguas abajo del recipiente, en contraste con el patrón sin robots donde el oxígeno está siempre en

movimiento desde el recipiente en el tejido circundante. Las líneas de corriente en la Figura 2 muestran que el flujo

laminar se acelera a medida que el fluido pasa a través de la sección de vasos estrechos, donde están estacionados

los robots.

La Figura 3 da otra vista de cómo los robots afectan a la concentración de oxígeno en el tejido circundante. La

concentración es cero en la superficie robot frente al interior del recipiente. Los robots disminuyen la concentración

de oxígeno un poco, pero no afectan a la generación de energía tejido mucho porque la concentración se mantiene

muy por encima del umbral en el que la generación de energía se reduce significativamente (es decir, Ktissue da en

la Tabla 1). Sin embargo, a grandes distancias de la nave en el escenario de alta demanda, la concentración de

oxígeno es lo suficientemente bajo como para disminuir significativamente la producción de energía del tejido. Este

bajo nivel de oxígeno también se produce cuando no hay robots.

La Figura 3 incluye la comparación con el modelo más simple Krogh de transporte de oxígeno a los tejidos de los

vasos sin robots.85 El modelo asume Krogh densidad de potencia constante en el tejido y no la difusión a lo largo

de la dirección del vaso sanguíneo en el tejido. Para el escenario de demanda baja, los resultados del modelo Krogh

son similares a los de nuestro modelo. Sin embargo, en el caso de alta demanda, el modelo Krogh tiene oxígeno

gota concentración a cero sobre 10 micras desde el recipiente, debido a la suposición poco realista de uso de

potencia constante en lugar de la disminución en el uso de la energía a bajas concentraciones dadas por la ecuación.

(6).

Oxygen flujo a los robots varía de aproximadamente 1.019 mil a 1,02 mil molécula de m-2 s-1 con la condición de

contorno-concentración cero. Las estimaciones de las capacidades de la bomba son de hasta 1.022 molécula de m-2

s-1,19 que es más de 100 veces el flujo real a los robots. Tales bombas de ese modo podían mantener la condición

de frontera concentración cero. En un uso de la energía del 10-20 J / molécula, 19 las bombas que requerirá

aproximadamente el 1 pW por robot para manejar el flujo entrante, reduciendo ligeramente el beneficio potencia de

las bombas. Sin embargo, gran parte de esta energía de bombeo pueden ser recuperables mediante la adición de un

generador utilizando la posterior expansión de los productos de reacción a su presión parcial inferior fuera del

robot.18

Figura 2. La concentración de oxígeno en el tejido y plasma dentro del recipiente. Cada diagrama muestra una

sección transversal a través del vaso y el tejido circundante de la longitud de 30 m. Normalmente, esta longitud de

recipiente contiene cerca de cuatro células. Las parcelas que quedan (A, C) son para el buque sin robots. Las

parcelas derecha (B, D) incluyen la ringset 10-m con bombas, que ocupa el volumen circunferencial indicada por

las rectángulos blancos junto a la pared del vaso. Las parcelas superior e inferior son los de baja y alta demanda de

los escenarios de la Tabla 2, respectivamente. El líquido en el recipiente fluye de izquierda a derecha. Las distancias

a lo largo de los lados de cada parcela se indican en micrómetros, y las concentraciones en las barras de colores

están en unidades de 1.022 molécula / m3. Las líneas negras horizontales son las paredes de los vasos y las curvas

grises del interior de la embarcación son líneas de corriente de flujo de fluidos.

Figura 3. La concentración de oxígeno, en unidades de 1.022 molécula / m3, a lo largo de una sección transversal

radial desde el centro del recipiente hasta el borde exterior de la región de tejido. La sección transversal está en el

medio de la sección de modelado del buque y el tejido, lo que corresponde con una línea vertical en el centro de

cada parcela de la figura 2. El área gris indica el interior del recipiente. En cada parcela, la curva superior es para el

buque sin robots, y la curva inferior es para el recipiente que contiene el ringset 10-m con bombas. Para la

comparación, las curvas de trazos son soluciones a la model85 Krogh correspondiente con el recipiente sin robots.

(A, B) de baja y escenarios de alta demanda de la Tabla 2, respectivamente.

poder Robot

En esta sección se describe el poder del estado estacionario a disposición de los robots de acuerdo a nuestro modelo

en diversos escenarios. En primer lugar, analizamos el promedio por el poder de robot en el agregado, tanto para los

casos de alta y de baja capacidad, lo que también indica la potencia total disponible para el agregado en su

conjunto. A continuación, mostramos cómo el poder se distribuye entre los robots, en función de su ubicación en el

ringset.

Por último, se expone las características cualitativas de estos resultados en un modelo más simple, analíticamente

solucionable para identificar relaciones de escala clave entre las opciones de diseño de robots y la disponibilidad de

energía.

Potencia media robot

Tabla 4 da la potencia media generada utilizando el oxígeno disponible, por robot dentro del agregado. Como era de

esperar, los robots

recibe más oxígeno y por lo tanto puede generar más energía cuando concentración de entrada es alta, la velocidad

del fluido es alta o la demanda de energía del tejido es bajo. En los dos primeros casos, el flujo de oxígeno trae a

través del recipiente más rápidamente; en el último caso, el tejido circundante elimina menos oxígeno. El menos de

disminución del doble en la generación de energía robot en la cara de una mayor disminución de 2,5 veces en la

concentración de entrada de O2 de la arterial al extremo venoso del capilar muestra que los robots extraer más

oxígeno de los glóbulos rojos

que estas células normalmente liberar al pasar la longitud de la embarcación. Por lo tanto, los robots consiguen algo

de su oxígeno como "nuevo oxígeno" en lugar de simplemente tomar de lo que los tejidos que normalmente

recibirían. Esto es posible porque en este caso, los robots crean gradientes de concentración más pronunciadas que

el tejido hace.

El anillo de 10 micras de conjunto con bombas produce casi el mismo poder en los escenarios de bajo y de alta

demanda, el consumo de oxígeno a 5 × 109 moléculas / s.

La comparación de los diferentes tamaños de agregados inferior muestra la generación de energía, por robot, en el

agregado grande en comparación con la pequeña. Esto surge de la competencia entre los robots cercanos para el

oxígeno. Sin embargo, el agregado más grande, con 10 veces más robots, genera varias veces como mucho poder en

su conjunto como la más pequeña. Esta diferencia identifica una opción de diseño para la agregación: los agregados

más grandes tienen más potencia total disponible pero menos en una base por robot.

Los robots que utilizan bombas generan sólo modestamente más poder que los robots que dependen de la difusión

solo en nuestro ejemplo de diseño de alta capacidad (véase la sección "generación de energía Robot"). En este caso,

para los robots sin bombas, la densidad de sitios de generación de energía, ρ- reaccionar, es lo suficientemente

grande para que las moléculas de oxígeno que se difunden en el robot son consumidos principalmente por los

generadores de energía cerca de la superficie del robot antes de que tengan la oportunidad de difundir a salir del

robot. Para este tipo de robots, generadores de energía lejos de la superficie que mira al plasma reciben muy poco

oxígeno y por lo tanto no se suman de manera significativa a la producción de energía del robot.

Bombas dan mayor beneficio para los anillos aislados de robots que para los agregados muy próximas entre sí.

Aunque no se evaluó en el modelo axialmente simétrica utilizada aquí, las bombas pueden ser aún más significativo

para un solo robot aislado en la pared del vaso. Un robot de este tipo no estaría compitiendo con otros robots para el

oxígeno disponible, aunque seguiría siendo competir con los tejidos cercanos.

Robots de poca capacidad

Los robots de baja capacidad tienen sólo 1 / 50th de la capacidad máxima de generación de energía de los robots de

alta capacidad discutido antes. Sin embargo, la potencia máxima de cada robot es

varias veces más grandes que el límite debido al oxígeno disponible. Por lo tanto, las bombas permiten a los robots

para producir la misma potencia que figura en el cuadro 4 para los robots de alta capacidad. Las bombas de

garantizar la absorción de oxígeno se utiliza completamente por el menor número de sitios de reacción mediante el

aumento de la concentración de oxígeno dentro de los robots, por lo que la ecuación. (5) da el mismo la generación

de energía a pesar de la menor valor de ρreact.

Por otra parte, el menor número de sitios de reacción es una

limitación significativa para los robots sin bombas. Comparando con el cuadro 4 bombas de mejorar la potencia

media por factores de aproximadamente 3 y 8 para los ringsets de 10 y 1-M, respectivamente. Comparando con los

robots de alta capacidad sin bombas muestra el factor de reducción en 50 sitios de reacción sólo reduce la potencia

media por factores de aproximadamente 3 y 5 para los ringsets de 10 y 1-M, respectivamente. Por lo tanto, los sitios

de reacción en el escenario de baja capacidad se utilizan de manera más eficaz que en los robots de alta capacidad:

Con un número menor de sitios, cada sitio no compite tanto con sitios cercanos para el oxígeno disponible.

Gran parte de la potencia en robots sin bombas se genera cerca de la superficie que mira al plasma, donde la

concentración de oxígeno es más grande. En nuestro caso, el poder de los robots de alta capacidad se genera

principalmente dentro de 100 nm de la superficie de robot. Esta observación sugiere que un diseño con los sitios de

generación de energía colocados cerca de esta superficie en lugar de manera uniforme en todo el volumen robot,

como hemos supuesto, podría mejorar significativamente la generación de energía para los robots sin bombas. Por

ejemplo, la colocación de todos los sitios de reacción de manera uniforme dentro de la 1 / 50a del volumen robot

más cercano a la superficie aumentaría la densidad de sitio de reacción local en ese volumen por un factor de 50.

Para robots de baja capacidad, esta colocación aumentaría ρreact a la mismo valor que el caso de alta capacidad,

pero sólo en un volumen reducido dentro de 23 nm de la superficie con la geometría del robot que utilizamos. En

otras partes del robot con este diseño ρreact = 0. Considerando lo que podríamos esperar de esta concentración para

aumentar la potencia de manera significativa, de hecho nos encontramos con sólo un pequeño aumento (por

ejemplo, 12% para el ringset de 10 micras en el escenario bajo demanda). Por lo tanto, la concentración de los sitios

de reacción cerca de la superficie que mira al plasma no ofrece mucho de una ventaja de rendimiento.

Distribución de poder entre los robots

Considerando que todos los robots en un solo anillo tienen el mismo poder debido a la suposición de simetría axial,

la figura 4 muestra que el poder varía con la posición del anillo en el ringset 10 micras. Los robots en el borde

aguas arriba del agregado reciben más oxígeno que los otros robots y por lo tanto producen más energía. Poder de

generación

La figura 4. El estado de equilibrio la generación de energía, en picovatios, para los robots como una función de su

posición a lo largo de la pared del vaso, a partir de aquellos en el extremo aguas arriba de la ringset (posición 1) y

continuando a aquellos en el extremo de aguas abajo (posición 10 ). Los gráficos comparan robots con bombas, que

absorben todo el oxígeno llegar a ellos, con robots depender de difusión libre (es decir, sin bombas), y los robots de

alta y de baja capacidad. Para robots con bombas, energía para casos de alta y de baja capacidad son los mismos.

(A, B) de baja y escenarios de alta demanda de la Tabla 2, respectivamente.

no disminuye monótonamente a lo largo del buque: Robots en el borde aguas abajo de oxígeno tener algo más que

aquellos disponibles en el medio del agregado como robots en el borde del agregado tienen menos competencia

para el oxígeno. La Figura 4 muestra los beneficios significativamente más grandes de bombas en los bordes de

agregados multianillo que en sus secciones medias, especialmente en el escenario de demanda baja.

En los escenarios descritos anteriormente, los robots producen energía de todo el oxígeno disponible. Esto es

apropiado para aplicaciones que requieren tanta energía como sea posible para el agregado en su conjunto. En el

otro extremo, una aplicación que requiere el mismo comportamiento de todos los robots en el agregado estaría

limitado por los robots con el poder menos disponible. Este sería el caso para los robots idénticos, todos los cuales

realizar la misma tarea y por lo tanto utiliza la misma potencia. En este caso, los robots podrían aumentar el

rendimiento mediante la transferencia de poder de aquellos en los bordes del agregado a los de la media. Dicha

transferencia podría tener lugar después de la generación (por ejemplo, a través de la corriente eléctrica compartida)

o antes de la generación mediante la transferencia de oxígeno entre los robots vecinos. Sin embargo, dicha

transferencia interna requeriría capacidades de hardware adicionales. Para robots con bombas, un método de

transferencia alternativa es que los robots cerca del borde del agregado para ejecutar sus bombas en menor

capacidad y por lo tanto evitar la recogida de todo el oxígeno que llega en sus superficies. Este oxígeno no cobrados

sería entonces disponible para otros robots, aunque algo de esto oxígeno serían transportados por el fluido más allá

de los robots o ser capturado por el tejido en lugar de otros robots. Este enfoque aumenta la potencia a los robots en

el medio del agregado sin necesidad de hardware adicional para las transferencias internas entre robots, pero a costa

de la potencia total algo menor para el agregado. El aumento tanto como sea posible el poder de los robots con el

mínimo de energía conduce a una distribución uniforme de la energía entre los robots.

Para cuantificar el trade-off entre el poder total y su uniformidad entre los robots, consideramos que todos los

robots de ajuste cada una de las bombas en sus superficies para funcionar a la misma velocidad y las bombas

distribuido uniformemente sobre la superficie. Esto da un flujo uniforme de oxígeno sobre toda la superficie de

todos los robots. El valor posible más grande para este flujo uniforme, y por tanto la

potencia más grande para el agregado, se produce cuando la concentración mínima de oxígeno en las superficies de

robot es cero en ese punto, el robot cuya superficie incluye la ubicación de concentración cero no puede aumentar

aún más su flujo uniforme. Por ejemplo, en el escenario de baja demanda, el valor máximo de este flujo uniforme es

aproximadamente 2.22 × 1019 moléculas m-2 s-1. En comparación con la situación en la Figura 4, este flujo

uniforme da significativamente menor potencia (anillo que lleva 39%, el anillo de salida 56%) para los robots en los

bordes del agregado, la potencia algo inferior para los robots en las posiciones 2 y 3 (87% y 98%, respectivamente),

y algo más de potencia (que van desde 104%

a 116%) para los otros robots. La combinación de estos cambios da un total de 84% de la potencia para el agregado

cuando cada robot recoge todo el oxígeno alcanzando su superficie. La potencia mínima por robot se incrementa de

12 a 14 pW pW. Robots podrían aumentar ligeramente la energía mediante la aceptación de alguna falta de

uniformidad de flujo sobre cada superficie, mientras que se mantiene el mismo flujo total a cada robot. Esto

ocurriría cuando el oxígeno mínimo la concentración en toda la longitud de las superficies de robot en un anillo de

robot en particular es cero.

El uso de este enfoque para poder uniforme en la práctica requeriría los robots para determinar la tasa máxima que

pueden operar sus bombas mientras que el logro de distribución de energía uniforme. Esta tasa podría variar con la

demanda de tejidos, y también en el tiempo como las células pasar los robots. Un protocolo de control simple es

para cada robot, para ajustar el tipo de bomba arriba o hacia abajo en función de que su generación de energía está

por debajo o por encima de la de sus vecinos, respectivamente. Cuando la concentración llega a cero en un robot, el

aumento de velocidad de la bomba en ese lugar no aumentaría la generación de energía. La comunicación de

información para este protocolo es probable más simple que el hardware necesario para poder internamente

transferencia o de oxígeno entre los robots, pero también requiere que cada robot es capaz de medir su tasa de

generación de energía. Tales mediciones y la comunicación daría un control efectivo siempre que operan

rápidamente en comparación con el tiempo durante el cual los cambios de flujo de oxígeno (por ejemplo, como las

células pasan los robots en escalas de tiempo de milisegundos). Tiempos de reacción más largos podrían dar lugar a

oscilaciones o behavior.86 caótica

Un segundo enfoque para lograr una distribución más uniforme de la energía es para espaciar los robots a cierta

distancia de uno al otro

en la pared del vaso. Este enfoque sería adecuado si los robots agregados no necesitan contacto físico para lograr su

tarea. Por ejemplo, algo que separa los robots permitiría que un número relativamente pequeño para abarcar una

distancia a lo largo de la pared del vaso más grande que el tamaño de una sola célula que pasa a través del

recipiente. Este agregado siempre tendría al menos algunos robots entre las células sucesivas. Comunicar lecturas

de los sensores entre los robots sería entonces garantizar la respuesta (por ejemplo, la liberación de productos

químicos) no se ve afectada por inducir a error valores de los sensores debido al paso de una sola célula, dando

mayor estabilidad y fiabilidad sin necesidad de retrasar la respuesta debida a un promedio de más lecturas de los

sensores como un enfoque alternativo a la contabilidad para el paso de las células. Otro ejemplo para robots

espaciados es para la comunicación acústica direccional, a distancias de alrededor de 100 μm.19 El logro de control

direccional requiere fuentes acústicas que se extienden a través de distancias comparables con o mayores que la

longitud de onda de sonido. Comunicación acústica plausible entre nanorobots implica longitudes de onda de

decenas de micrometers.19

Como un ejemplo cuantitativa del beneficio de espaciamiento de robots en el contexto de nuestro modelo simétrico

axialmente, tenemos en cuenta un conjunto de anillos de robots espaciados a lo largo de la pared del vaso. Cuando

la distancia entre los anillos sucesivos es suficientemente grande, la potencia para cada anillo sería cercana a la de

la aislada anillo de 1-m dan en la Tabla 4. Por ejemplo, la potencia para el escenario de baja demanda en el anillo de

1-m de robots de alta capacidad disminuye desde

69 pW a alta concentración de entrada de 44 pW en concentración de entrada baja, que abarca el rango de potencia

para un número modesto de anillos de 1-micras ampliamente espaciados dentro de un único recipiente. Como

se describe en la sección "poder de tejidos y la calefacción," oxígeno

absorción por robots puede afectar a la concentración de más de unas pocas decenas de micrómetros aguas arriba de

esos robots. Por lo tanto, la separación de los anillos de robot, por ejemplo, 100 micras dará potencia cercana a la de

los anillos aislados, con una disminución gradual en el poder durante anillos sucesivos debido a la saturación de

células disminuyendo a lo largo del vaso.

Un tercer enfoque para reducir la variación en el poder robot, en promedio, es a través de cambios en las tasas de la

bomba en el tiempo. Por ejemplo, anillos nanorobot adyacentes podrían operar con ciclos de trabajo counterphased

50%, con un anillo y su anillo vecino segundo más cercano utilizando bombas mientras que el vecino más cercano

intervención tiene sus bombas apagado y no absorbe oxígeno. Los anillos alternantes de robots cambiarían bombas

de encendido y apagado. En este caso, los robots tendrían el poder más grande que se ve en la figura 4 para la mitad

del tiempo que están activos y potencia cero para la otra mitad. Este enfoque temporal no sería adecuado para tareas

que requieren todos los robots para tener el mismo poder de forma simultánea, pero sería útil para tareas que

requieren una mayor potencia de ráfaga de robots en todo el agregado, donde los robots son incapaces de almacenar

oxígeno o el poder

para su uso posterior. Siempre que el ciclo de trabajo es lo suficientemente largo, nuestro modelo de estado

estacionario puede cuantificar la distribución de energía resultante. Por ejemplo, en el escenario de baja demanda, el

flujo total para el agregado es 79% de que cuando cada robot recoge todo el oxígeno alcanzando su superficie, y la

potencia mínima por robot cae de 12 pW a 10 pW. De este modo, cuando se promedia sobre el ciclo de trabajo, esta

técnica temporal reduce la potencia total, sin beneficiar a los robots que reciben la potencia mínima. En este caso, el

enfoque temporal no mejora la potencia mínima robot (en promedio) como la ganancia de potencia a un robot,

mientras que sus vecinos están fuera es menor que un factor de 2, lo que no compensar la pérdida debida a cada

robot estar fuera por la mitad del tiempo. La aplicación del modelo de estado estacionario a esta variación temporal

de la actividad del robot requiere el ciclo de trabajo es el tiempo suficiente para que el sistema alcance el

comportamiento en estado estable después de cada cambio entre el subconjunto activa de robots, y que el tiempo de

conmutación es corto en comparación con el deber ciclo de lo que la mayoría de la energía de los robots surge

durante las porciones de estado estable del ciclo entre la conmutación. Difusión ofrece un salto más bajo en este

momento: cuando los robots vecinos cambian bombas de encendido a apagado o viceversa, el tiempo de difusión

característico de oxígeno sobre la distancia entre próximos vecinos más cercanos (1 M) es de aproximadamente 0,1

milisegundos. Los ajustes en la saturación de células para el turno 1- micras en la ubicación de los robots activos

entre cada mitad del ciclo de trabajo es una limitación adicional en el tiempo de ciclo de trabajo para la validez del

modelo de estado estable, aunque es probable que esto sea mínimo ya que las células se separan de los robots por la

brecha de plasma en el fluido. Debido a que los promedios modelo de estado estacionario sobre la posición de las

células que pasan, otro límite inferior en el ciclo de trabajo se plantea desde el momento para una celda para pasar

los robots. A partir de las velocidades de la Tabla 1, esta vez es de al menos 100 milisegundos.

Modelo de análisis para un robot esférico aislado

La dependencia de la energía del robot en los parámetros de diseño descritos anteriormente puede parecer contrario

a intuiciones simples. En primer lugar, se podría esperar que el ringset 10-m, con 10 veces la superficie en contacto

con el plasma, absorbería cerca de 10 veces más oxígeno que el anillo de 1-m. En su lugar nos encontramos con

sólo alrededor de un factor de 2 a 4 aumento. En segundo lugar, el beneficio de bombas, menos de un factor de 2

para los robots de alta capacidad, puede parecer sorprendentemente pequeño. En tercer lugar, los robots de baja

capacidad, con 1 / 50o los sitios de reacción de los robots de gran capacidad, sin embargo, generan alrededor de 1 /

quinto tanto poder como robots de alta capacidad en el caso sin bombas. Y, por último, a pesar de la concentración

más alta cerca de la superficie de robot en el interior del robot cuando no hay bombas, el aumento de la densidad de

sitio de reacción mediante la colocación de todos los sitios de reacción cerca de la superficie de robot da poco

beneficio. Aunque los valores específicos de estos diseños dependen de la geometría y el entorno utilizado en

nuestro modelo, las características generales de pequeños robots que obtienen poder a través de la difusión se

aplican en otras situaciones también.

En esta sección, ilustramos cómo surgen estas consecuencias de las decisiones de diseño en el contexto de un

escenario para el que la ecuación de difusión tiene una solución analítica simple, identificando así los efectos físicos

claves que conducen a estas conductas. Específicamente, consideramos un robot esférico aislado de radio a en un

fluido estacionario con concentración de oxígeno C lejos de la esfera.

Tal esfera con una superficie totalmente absorbente recoge oxígeno Esta expresión ilustra una propiedad clave de la

captura de difusión: La tasa no depende de la superficie del objeto, sino de su tamaño. Este comportamiento, que

también se aplica a otras formas, 69 surge porque mientras que los objetos más grandes tienen mayores áreas de

superficie, que también se encuentran con gradientes de concentración más pequeñas. Como un ejemplo

cuantitativa, teniendo la esfera tenga el mismo volumen que el robot, es decir, (4/3) = Vrobot πa3 dada en la Tabla

3, el oxígeno absorbido por la esfera genera 320 y 750 pW para C igual a la baja y las concentraciones de oxígeno

de entrada elevadas en el plasma de la Tabla 1, respectivamente. Estos valores de potencia son mayores que para los

robots en la pared del vaso se ha descrito anteriormente. Ni idea

esfera en un fluido estacionario, los robots agregados compiten entre sí para el oxígeno, el fluido se mueve parte del

oxígeno más allá de los robots antes de que tengan la oportunidad de absorber, y el tejido circundante también

consume parte del oxígeno. La reposición del oxígeno de los glóbulos que pasan no es suficiente para contrarrestar

estos efectos.

El robot esférico también indica el beneficio de bombas. La esfera totalmente absorbente, con una condición de

contorno concentración cero en la superficie, se corresponde con el uso de bombas. Para los robots sin bombas, una

aproximación a la Ec. (5) permite una solución simple. Específicamente, debido a que la constante de Michaelis-

Menten para los generadores de energía robot, K, es mucho mayor que las concentraciones de oxígeno (por

ejemplo, como se ve en la Figura 2), la generación de energía robot

de la ecuación. (5) es aproximadamente Probotcðeqreactr = KÞCo2. Dividiendo por e / 6 da la densidad tasa de

consumo de oxígeno como g de CO2, donde γ = 6ρreactr / K. La solución de la ecuación de difusión, la Ec. (1),

para una esfera en un fluido estacionario con la concentración de C lejos de la esfera, con la difusión libre a través

de la superficie y velocidad de reacción g de CO2 densidad de la esfera dentro de la esfera, da oxígeno tasa es

absorbido por la esfera (y por lo tanto hace reaccionar para producir de potencia) como

. Así difusión libre produce una fracción de la energía producida por la esfera totalmente absorbente. La distancia μ

es más o menos la distancia media de una molécula de oxígeno se difunde en el tiempo un sitio de generación de

energía consume una molécula de oxígeno. Cuando una molécula de difusión libremente en el interior del robot

tiene una alta probabilidad de difundirse fuera del robot antes de que reaccione (μ grande en comparación con a), fμ

es pequeño, así bombas proporcionan un aumento significativo en el poder. A la inversa, cuando μ es pequeño en

comparación con una, bombas proporcionan poco beneficio: El gran número de sitios de reacción asegurar el robot

consume casi todo el oxígeno de difusión de llegar a su superficie.

Este argumento ilustra un equilibrio entre el uso de bombas para mantener el oxígeno en el robot y el número de

generadores de energía. En particular, si los sitios de reacción internos son fáciles de implementar, a continuación,

los robots con muchos sitios de reacción y no hay bombas serían una opción de diseño razonable. Por el contrario,

si los sitios de reacción son difíciles de implementar, mientras que las bombas son fáciles, a continuación, robots

con bombas y pocos sitios de reacción sería una mejor opción.

Una advertencia para los robots con pocos sitios de generación de energía es que la ecuación. (10) se aplica cuando

el consumo de oxígeno es lineal en la concentración, como se da por g de CO2. Esta expresión permite aumentar

arbitrariamente la velocidad de reacción mediante el aumento de la concentración, no importa lo pequeño que sea el

número de sitios de reacción. Esta linealidad es una buena aproximación de la ecuación. (5) sólo cuando Co2 K. A

concentraciones más grandes, la densidad de potencia satura en eρreactr. Cuando ρreact es suficientemente

pequeño, este límite está por debajo de la potencia que podría producirse a partir de todo el oxígeno que un

totalmente

esfera absorbente recoge. Por lo tanto, en la práctica, el beneficio de usar bombas estimados a partir de la velocidad

de reacción lineal, G = f -1, está limitado por esta obligado cuando ρreact es pequeña.

Como ejemplo, para un robot esférico con la alta capacidad de densidad de sitio de reacción de la Tabla 3, γ = 1,8 ×

104 / s y μ = 0,33 micras, con el bastante modesto beneficio de bombas G = 2,0. Los robots de baja capacidad

tienen γ = 360 / s y μ = 2,4 m con G = 42. En este caso, el límite debido a la máxima velocidad de reacción de la

ecuación. (5) se aplica, algo que limita el beneficio de bombas en un factor de 34, pero las bombas siguen

ofreciendo un beneficio considerable. Estos valores para los beneficios de bombas son algo más grandes que visto

con nuestro modelo para robots en la pared del vaso. Sin embargo, el ejemplo esférica identifica las propiedades

físicas clave que influyen en la generación de energía con y sin bombas y cómo varían con las opciones de diseño

de robots.

Eq. (10) también ilustra por qué el poder de los robots de baja capacidad no es tan pequeña como era de esperar en

base a la reducción de los sitios de reacción por un factor de 50. Si bien el valor de

γ es proporcional a ρreact, la distancia de difusión típica μ varía como 1 / √ρreact, por lo que una disminución en

sitios de reacción por un factor de 50 sólo aumenta μ por un factor de aproximadamente 7. La dependencia de la

raíz cuadrada surge de la propiedad fundamental de difusión :

distancia típica una partícula de difusión viaja crece sólo con la raíz cuadrada del tiempo. El cambio modesto en

distancia de difusión, combinado con la Ec. (10), da una menor disminución en el poder que el factor de 50

disminución de la capacidad. El robot de baja capacidad tiene concentraciones más altas a lo largo de la esfera, de

manera que cada sitio de reacción opera más rápidamente que en el caso de alta capacidad. Este aumento compensa

parcialmente la disminución en el número de sitios de reacción.

Sin bombas, la mayor concentración de oxígeno cerca de la superficie de la esfera que cerca de su centro significa

gran parte de la generación de energía tiene lugar cerca de la superficie. Por lo tanto, podemos esperar un aumento

en el poder mediante la colocación de sitios de reacción cerca de la superficie y no distribuidos de manera uniforme

en toda la esfera. De acuerdo con los resultados del modelo se describe en la sección "Métodos", la evaluación de la

ecuación. (1) con la reacción confinado a una capa esférica muestra sólo un modesto beneficio

en comparación con una distribución uniforme. El beneficio es mayor para una cáscara más delgada y está

determinada por la misma relación, a / μ, que aparece en la Ec. (10). En particular, el mayor beneficio de utilizar

una cáscara delgada, sólo el 12%, se produce para un / mu ≈ 3,5. Los parámetros de los robots de alta y de baja

capacidad son algo por debajo de este valor óptimo, dando sólo el 10% y menos del 1% se benefician de una

cáscara delgada, respectivamente, para la esfera. Estos modestos

mejoras corresponden con los pequeños beneficios de usar una cáscara delgada se ve en la solución a nuestro

modelo para los dos robots de alta y de baja capacidad. Por lo tanto la solución de la ecuación. (1) para la esfera

ilustra cómo, con un número fijo de sitios de reacción, la concentración cerca de la superficie robot sólo

proporciona un beneficio limitado. El beneficio de la mayor densidad de sitio de reacción en la cáscara está casi

completamente compensado por la distancia más corta moléculas tienen que difundirse a escapar de la región

delgada reactiva. Es decir, el beneficio de la colocación de todos los sitios de reacción en una cáscara delgada surge

a partir de dos efectos competitivos. Cuando μ es grande (baja capacidad), la concentración es sólo ligeramente

superior cerca de la superficie que bien dentro de la esfera. Así que hay poco beneficio de la colocación de los sitios

de reacción más cerca de la superficie. Por otro lado, cuando μ es pequeño (alta capacidad), sitios de reacción

incluso distribuidos uniformemente las arreglan para consumir la mayor parte del oxígeno que llega, dando casi

cero concentración en la superficie de la esfera y poco margen para mejoras adicionales mediante la concentración

de los sitios de reacción . Así, el más grande, aunque todavía modesto, el beneficio para un diseño de la cáscara es

para valores intermedios de a / μ.

Figura 5. La desviación de la saturación de equilibrio de oxígeno en las células, S - Sequib, a lo largo

del límite entre las porciones de células y sin células del fluido

ilustrado en la Figura 1, como una función de la distancia a lo largo de ese límite. Una desviación

de cero indica que el oxígeno que tuvo lugar en las células está en perfecto equilibrio con el

plasma circundante. Saturación varía entre 0 y 1. Las curvas se corresponden con los de baja y alta

demanda de los escenarios de la Tabla 2, cuando los robots están presentes (curvas superiores) o

(curvas inferiores) ausentes. Para el

buque sin robots y baja demanda, S - Sequib es indistinguible de cero en la escala de la parcela. La

banda gris indica la longitud de 10 m del

pared del vaso en el que los robots están estacionados, dentro de la longitud 60-m del capilar se

ilustra.

Oxygen reposición a partir de células que pasan

La alta densidad de potencia de los robots crea una fuerte pendiente de la concentración de

oxígeno en el plasma. Por lo tanto, a diferencia del papel de menor importancia para la liberación

de no equilibrio de oxígeno en el tejido, 59 el pequeño tamaño de los robots hace pasar glóbulos

rojos varían significativamente de equilibrio con la concentración en el plasma. La Figura 5 ilustra

este comportamiento, usando una medida de la cantidad de disequilibration: la diferencia entre la

saturación S y el Sequib valor de equilibrio correspondiente a la concentración local del oxígeno en

el plasma, como dada por la ecuación. (2). Nosotros comparamos con un buque sin robots, en el

que las células de la sangre permanecen cerca del equilibrio.

La Figura 5 muestra que la cinética de liberación de oxígeno de los glóbulos rojos juega un papel

importante en la limitación del oxígeno disponible para los robots. Sin embargo, la región de

disequilibration significativa es bastante pequeño, que se extiende sólo unos pocos micrómetros

de los robots.

Tissue potencia y calefacción

Los robots de potencia afectan el tejido de dos maneras. En primer lugar, los robots compiten por

oxígeno con el tejido cercano. En segundo lugar, los robots consumen oxígeno pase a células de la

sangre, por lo tanto dejando menos para el tejido aguas abajo de los robots.

Para el efecto sobre el tejido cercano, la Figura 6 muestra cómo varía la densidad de potencia del

tejido al lado de la pared del vaso. En el recipiente sin robots, la densidad de potencia disminuye

ligeramente con la distancia a lo largo del buque como el tejido consume oxígeno de la sangre. La

reducción total de densidad de potencia tejido es bastante modesta, menos de 10%, incluso para

alta demanda de energía en los tejidos. La reducción relativa es menor para el tejido a distancias

más grandes de la embarcación, aunque tal tejido tiene una menor generación de energía debido

a la menor oxígeno que llega tejido lejos del buque. Esta reducción surge tanto de la competencia

directa de los robots para el oxígeno disponible y la física

Figura 6. La densidad de potencia en el tejido junto a la pared del vaso en relación con la demanda

máxima (es decir, la relación Ptissue = Pmax partir de la Ec. (6)) como una función de posición a lo

largo del recipiente. Las curvas son para los de baja y alta demanda escenarios de la Tabla 2. Las

dos líneas en la parte superior son para el buque sin robots, y de las curvas más bajas son las

ringsets 10-M. En cada caso, la curva con los valores más altos se corresponde con el escenario de

demanda baja potencia. La banda gris indica la longitud 10-m de la pared del vaso en el que los

robots están estacionados, dentro de la longitud 60-m del capilar se ilustra.

obstrucción de la pared capilar, forzando el tejido circundante que depender de la difusión de

oxígeno una distancia más larga a partir de secciones no bloqueados de la pared. En el caso de

baja demanda, la competencia directa es el factor importante, como se ve por las caídas en la

densidad de potencia en cada extremo del agregado, donde el flujo de absorción es la más alta. En

el caso de alta demanda, el consumo del tejido reduce la cantidad de oxígeno se difunde a través

del tejido a ambos lados del agregado, dando la gota más grande en la densidad de potencia de

tejido en el medio del agregado.

Para consecuencias de largo alcance, la Figura 7 muestra cómo la saturación de oxígeno en los

glóbulos cambios a medida que pasan los robots. Las células que se mueve lentamente (en el

escenario de baja demanda) se agotan sustancialmente al pasar los robots, a pesar de que la

demanda de energía del tejido en este escenario es baja. Este agotamiento surge de las células

que quedan cerca de los robots un tiempo relativamente largo como las células se mueven

lentamente con el fluido. La saturación resultante se muestra en la figura, alrededor de 0,6, por

debajo de la saturación es de equilibrio (S = 0,7) para las concentraciones típicas en el extremo

venoso de los capilares, dado en la Tabla 1. Así, en el escenario de bajo-demanda, los robots

eliminan más oxígeno desde pasando las células que se produce durante todo su tránsito de un

recipiente que contiene no hay robots. En este escenario, el tejido tiene demanda de potencia

baja, por lo que el agotamiento del oxígeno de las células puede tener un efecto limitado sobre el

tejido a lo largo del recipiente corriente abajo de los robots. Sin embargo, esta reducción podría

limitar significativamente el número de robots que pueden ser simultáneamente presente en el

interior de un capilar dado.

Otra observación a partir de la Figura 7 es una disminución significativa en la saturación de la

célula a una corta distancia aguas arriba de los robots en el escenario de demanda baja. Podemos

entender este comportamiento en términos del número de Peclet, que caracteriza a la

importancia relativa de la convección y difusión en varios distances.65 En particular, D /

vpromedio es la distancia a la que la difusión y la convección tienen aproximadamente el mismo

efecto sobre el transporte de masa en un fluido en movimiento. A distancias significativamente

más largos, la convección es el efecto dominante, y la absorción de oxígeno en un lugar

determinado en el recipiente tiene

Figura 7. saturación de la célula S como una función de la distancia a lo largo del vaso. Saturación

oscila entre 0 y 1. Las curvas se corresponden con los de baja y alta demanda escenarios de la

Tabla 2, con las curvas superiores de cada par correspondiente con un buque sin robots. La banda

gris indica la longitud de 10 m de la pared del vaso en el que los robots están estacionados, dentro

de la longitud de 60 m del capilar se ilustra.

poco efecto sobre las concentraciones de aguas arriba sobre tales distancias. En nuestros

escenarios, D / vpromedio oscila entre ~ 2 m (alta demanda) a ~ 10 m (bajo demanda). Por lo

tanto, los robots afectan de manera significativa la concentración de oxígeno en el plasma más de

unas pocas decenas de micrómetros aguas arriba de su ubicación. La saturación de la célula

permanece cerca del equilibrio en esta región aguas arriba (Figura 5), de ahí el

concentración de oxígeno reducida en el plasma disminuye la saturación de células en esta región

aguas arriba de los robots (Figura 7). Esta distancia es también relevante para espaciar los anillos

de los robots lo suficientemente separados para alcanzar el poder casi uniforme, tal como se

describe en la sección "Distribución de poder entre los robots."

Los dispositivos de este ejemplo tienen un volumen de Vrobot ≈ 1 μm3

por lo que la generación de energía robot corresponde con densidades de potencia

alrededor de 107 W / m3, en varios órdenes de magnitud mayor que las densidades de potencia

en el tejido, aumentando las preocupaciones de un posible calentamiento del tejido significativa

por los robots. Sin embargo, para el agregado aislado utilizado en este escenario, el calor residual

debido al poder de los robots generación se elimina rápidamente, dando lugar a elevación de la

temperatura máxima insignificante de 10-4 ° C.

El flujo de fluido y las fuerzas sobre los robots

Los robots cambian el flujo de fluido mediante la constricción del vaso. Con la misma diferencia de

presión como un buque sin robots, tal como se utiliza en nuestro modelo, esta constricción

resultados en la velocidad flujo algo menor a través de la embarcación. En concreto, los agregados

largos de 1 y 10 μm- reducen la velocidad de flujo en un 6% y 20%, respectivamente. El fluido que

se mueve más allá de los robots ejerce una fuerza sobre ellos. Para permanecer en la pared, los

robots deben resistir esta fuerza a través de su adhesión a la embarcación wall.19 Esta fuerza es

una combinación de diferencia de presión, entre los extremos anterior y posterior del agregado y

arrastre viscoso. Para el

flujo laminar, la fuerza f es lineal en el gradiente de presión ▿p

impuesta al buque: f = a▿p donde a = 1.56 × 10-15 m3 y

5,02 × 10-16 m3 para los ringsets 10-M y 1-M, respectivamente. Por ejemplo, el flujo impone una

fuerza de 160 pN en la ringset-10 micras cuando el gradiente de presión es 105 Pa / m. El 10-m

ringset experiencias alrededor de tres veces la fuerza del anillo 1-micras pero cubre 10 veces la

superficie. Por lo tanto, el agregado más grande requiere alrededor de un tercio de la fuerza de

fijación por robot. Fuerzas aplicadas pueden afectar cells.88 En particular, las células endoteliales

utilizan fuerzas como un detonante de crecimiento de nuevos vasos, 89 lo cual es importante para

los cambios de modelado en los buques de más de escalas de tiempo más largas de lo que

consideramos en este article.90

Discusión

Los escenarios de este artículo ilustran cómo las diversas propiedades físicas afectan a la

generación de energía del robot. Robots aproximadamente 1 m de tamaño posicionado en los

anillos en las paredes capilares podrían generar unas pocas decenas de picovatios en estado

estacionario de oxígeno y glucosa rescatados localmente desde el torrente sanguíneo. Los

agregados pueden combinar su consumo de oxígeno para las tareas que requieren una mayor

generación de energía sostenida. Las densidades de alta potencia resultantes no se calientan

significativamente el tejido circundante pero introducen pendientes pronunciadas en la

concentración de oxígeno debido a la cinética de reacción relativamente lenta de liberación de

oxígeno de los glóbulos rojos. Los robots reducen la concentración de oxígeno en los tejidos

cercanos, pero generalmente no lo suficiente para afectar significativamente la generación de

energía del tejido.

La fracción de la energía generada disponible para la actividad útil dentro del robot depende de la

eficiencia del diseño del motor de la glucosa, con ~ 50% una estimación razonable para cells.19

combustible Los robots tendrán 5 a 30 pW de usable mientras eléctrico estable en la pared del

vaso. Como una indicación de la utilidad de este poder de cómputo, la corriente electrónica a

nanoescala y

sensores tienen un costo de energía por operación lógica o sensor de eventos de conmutación de

unos pocos cientos kBT donde kB es la de Boltzmann

la tecnología del futuro constant.36 Aunque debería permitir a menor

el uso de energía, 19 incluso con 500 kBT ≈ 2 × 10-18 J la potencia disponible de oxígeno que

circula podría apoyar varios millones de operaciones de cálculo por segundo. En el tamaño de

estos robots,

movimientos significativos de las células sanguíneas y transporte de sustancias químicas se

producen en escalas de tiempo de milisegundos. Por lo tanto, el poder podría soportar miles de

operaciones de cálculo (por ejemplo, para el reconocimiento química patrón) en este marco de

tiempo. Los robots agregados podrían compartir ciclos de información de sensor y de la CPU, lo

que aumenta esta capacidad por un factor de decenas a cientos.

Los dispositivos del tipo modelada en este artículo tienen numerosas aplicaciones clínicas

potenciales. Por ejemplo, nanorobot áridos posicionado en lechos capilares permitirá directa en la

detección in situ de biomarcadores de cáncer, incluyendo firmas de membrana de células

tumorales antígeno, los productos metabólicos del tumor y factores de crecimiento angiogénesis

transmitidas por la sangre, lo que permite la localización precisa de los tumores en fase inicial y la

detección temprana de microtumores. La capacidad computacional permitido por la energía de

célula de combustible podría ser utilizado para el reconocimiento de patrones química para

permitir el diagnóstico de alta resolución química precisa a largo plazo debido a un agregado de

sitio fijo puede monitorizar productos químicos de baja concentración pertinentes liberados cerca

de las células durante períodos prolongados de tiempo para mejorar sensibilidad a

concentraciones muy bajas. Agregados Robot con potencia disponible de alrededor de 1.000 pW

podría entregar localizada con precisión (es decir, dentro de una sola célula de diámetro) y

precisamente explosiones sincronizadas (es decir, dentro de decenas de milisegundos) de dosis de

los fármacos contra el cáncer concentradas, proporcionando desbordamiento mínimo para dario

ing células sanas y permitir la amplificación de la actividad y la eficacia de co-entregado

fotodinámica, radiación, rayo de partículas, o terapias de cáncer relacionados. Agregados

nanorobot podrían servir como agentes de contraste móviles (y quizás conmutables), lo que

permite alta precisión no invasiva de muestreo pared capilar y mapeo permitiendo así integral en

vivo ensayos clínicos de lechos capilares de tejido vascular esclerótica o necrótico y fisiológica

vascular relacionada o patologías estructurales. Agregados nanorobot podrían determinar la

ubicación de los productos metabólicos bacterianos, lo que permite la detección directa de

biopelículas y las infecciones focales relacionados. Cuando se detectan las infecciones, los

agregados de robots pueden prescindir de agentes antibacterianos con precisión milimétrica

permitiendo bajo volumen de alícuotas de alta concentración a emplear terapéuticamente.

Agregados nanorobot también podrían realizar control metabólico funcional de metabolitos de

alta concentración en volúmenes de lecho capilar precisamente localizados en el cerebro durante

intervalos de tiempo muy estrechos, mejorando en gran medida la resolución espacial y el tiempo

de exploraciones en pequeños volúmenes en comparación

con la tomografía por emisión de positrones convencional (PET) o funcional MRI-una capacidad de

utilidad clínica, tanto para la evaluación de trauma cerebral y para anestesiología durante la

cirugía.

Los robots no tienen por qué generar energía tan rápido como ellos reciben oxígeno, pero en su

lugar podría almacenar oxígeno recibido más de tiempo para que los estallidos de actividad, ya

que detectan eventos de interés. Robots con bombas tienen una ventaja significativa en

aplicaciones de potencia estallar porque permiten bombas de alta concentración a largo plazo a

bordo de acumulación de gas para soportar breves períodos de generación de potencia máxima

próximo. Como ejemplo, en nuestros escenarios robots individuales con bombas reciben

alrededor de 108 molécula / s. Si en lugar de utilizar este oxígeno para generar energía inmediata,

el robot almacena el oxígeno recibido más de 1 segundo, tendría suficiente para hacer funcionar

los generadores de energía a una tasa máxima de cerca (dando unos 104 pW) durante varios

milisegundos. Por el contrario, los robots sin bombas sólo tendrían un beneficio modesto de

oxígeno se difunde en el robot, la consecución de una concentración igual a la concentración

ambiental en el plasma que rodea como se da en la Tabla 1. Esta concentración sólo podría apoyar

la generación de varios cientos de picovatios durante aproximadamente un décimo de un

milisegundo. Así, mientras que las bombas pueden dar sólo una mejoría modesta para la

generación de energía en estado estacionario, pueden aumentar significativamente la potencia

disponible en ráfagas cortas.

Nuestro modelo podría extenderse para estimar la cantidad de almacenamiento a bordo que se

requeriría para evitar condiciones patológicas relacionadas con la competencia de O2 entre los

tejidos y nanorobots. En particular, los agregados más grandes podrían agotar el oxígeno en

distancias más largas para los que la difusión a través del tejido de aguas arriba de los robots

serían insuficientes. Por otra parte, los agregados más grandes de robots estrechamente

espaciados podrían bloquear el transporte del capilar en el tejido circundante, incluso si los robots

no utilizaron la cantidad de oxígeno. Almacenamiento de oxígeno a bordo permitiría mayores

densidades de potencia transitorios para los robots, aunque esto podría conducir a problemas de

calefacción para los agregados más grandes. Para estimar el potencial de almacenamiento a

bordo, un

ringset contiene 200 robots con volumen 200Vrobot ≈ 220 μm3 de los cuales el 10% se dedica al

almacenamiento de O2 comprimido a 1,000 atm a temperatura corporal puede almacenar

alrededor de 5 × 1011 moléculas de O2 en

el agregado. El flujo de entrada en el capilar proporciona alrededor

0,2 × 1 011 a 1 x 1.011 moléculas por segundo, dependiendo de la

velocidad, de los cuales alrededor de una cuarta parte y la mitad está disponible para el tejido y

los robots fluir. Esto significa que el oxígeno almacenado en el agregado es equivalente a sólo

varios segundos de la entrega de oxígeno a través del recipiente. Por lo tanto, el almacenamiento

de oxígeno en los robots sí mismos no pueden aumentar significativamente duración de la misión,

aunque dicho almacenamiento podría ser útil a corto plazo (es decir, unos pocos segundos)

funciones de nivelación de carga (por ejemplo, el mantenimiento de la función durante el bloqueo

capilar temporal debido al paso de glóbulos blancos).

Alternativamente, los robots agregados podrían haber oxígeno complementado con una modesta

población circulante de respirocytes18 (es decir, 1-micras robots esféricos capaces de transportar

oxígeno a los tejidos mucho más eficaz que los glóbulos rojos). Tales robots se eliminaría de forma

continua y completamente cualquier región agotamiento del oxígeno en el tejido debido a la

generación de energía robot y permitir una mayor generación de energía robot porque el oxígeno

ya no sería un factor tan limitante. Tales máquinas no sólo podían llevar significativamente más

oxígeno que las células rojas de la sangre sino que también responder más rápidamente a

descensos bruscos en la presión parcial debido al consumo por robots agregados en las paredes de

los vasos. por

ejemplo, los sensores debe ser capaz de detectar la caída en la concentración del tamaño vemos

cerca el ejemplo robots-para, 3 × 1 022 a 2 x 1.022 molécula / m3 (o aproximadamente 40 a 20

mmHg) - dentro de un millisecond.19 Esta vez es lo suficientemente corto que las máquinas se han

movido sólo alrededor de un micrómetro y así seguirá siendo cerca de los robots. Una vez que se

detecta la caída de presión, las máquinas podrían liberar oxígeno rápidamente, hasta 1,5 × 108

moléculas / s, 18 mientras que pasan cerca de los robots agregados. Sin embargo, en la práctica, la

velocidad de liberación se ve limitada por el límite de efervescencia en el plasma a

aproximadamente 2,5 × 107 moléculas / S.19 Una pregunta interesante para el trabajo futuro está

evaluando la cantidad de oxígeno liberado llega a los robots en la pared del vaso, que dependerán

de qué tan cerca de la pared del vaso los lugares de fluidos los respirocitos. En esta situación, los

robots agregados también podrían communicate19 a pasar respirocitos para activar o suprimir su

suministro de oxígeno, dependiendo de la tarea en cuestión.

Así, tanto las capacidades de manejo de oxígeno de respirocitos, con cinética más rápida y mayor

capacidad de almacenamiento de glóbulos rojos, y la posibilidad de comunicación proporcionan

ejemplos de la flexibilidad de los pequeños dispositivos con control programable. Por otra parte,

este escenario ilustra los beneficios de la mezcla de robots con diferentes capacidades de

hardware.

Nuestro modelo considera agregados estáticos en las paredes del vaso, pero podría extenderse a

estudiar la disponibilidad de energía para los agregados que se mueven a lo largo del walls.91 Otro

escenario significativa robots moviendo pasivamente con el fluido, donde podían sacar oxígeno del

plasma que rodea. El modelo de descarga de oxígeno utilizado aquí podría evaluar la rapidez con

que las células cercanas serían reponer oxígeno en el plasma como las células y los robots se

mueven a través del capilar.

Tratamos a parámetros ambientales (por ejemplo, la velocidad de flujo y oxígeno a los tejidos de la

demanda de líquido) según se establecen en los alrededores. Más allá de los cambios locales en el

entorno de los robots descritos por el modelo, el uso sostenido de estos robots podrían inducir

respuestas de mayor escala. Por ejemplo, el aumento del uso de oxígeno por los robots podría

conducir a un aumento del flujo de sangre, como ocurre con, por ejemplo, el ejercicio de los

músculos, por aumento de la presión para conducir el fluido a una velocidad superior o dilatación

de los vasos. Los déficit de oxígeno locales debido al uso de energía de alta robot son de menor

escala que la mayor demanda de tejidos

(por ejemplo, de una mayor actividad en un músculo). Por lo tanto, una importante cuestión

abierta es si el consumo de oxígeno localizada robot durante un largo período de tiempo puede

iniciar una respuesta menos localizada para aumentar el flujo en los vasos.

La posibilidad de respuestas a gran escala para la actividad robot plantea una cuestión más amplia

para el diseño de tratamiento nanomedicina cuando la tecnología permite alterar la correlación

habitual entre las magnitudes físicas utilizadas para la señalización en el body.19,20 Un ejemplo a

mayor escala es la respuesta a los bajos niveles de oxígeno mediada por el dióxido de carbono en

exceso en la sangre, lo que puede conducir a edema y otras dificultades para las personas con alto

altitudes.92 En términos de consecuencias aguas abajo de uso de oxígeno de los robots, baja

saturación de las células que salen de un capilar de aislados no debería ser un problema porque el

grueso de intercambio de oxígeno se produce en el lecho capilar, no en los recipientes colectores

más grandes. Sin embargo, las células alcanzando baja saturación antes de salir del capilar

produciría anoxia localizada en el tejido cerca del extremo del capilar. Esto podría ser aliviado en

parte por la difusión de oxígeno a partir de células de tejido vecino si la región anóxica no es

demasiado grande o demasiado severa. Efectos específicos de tales anoxia localizada aún no se

han identificado plenamente. Capilares enteros sometidos a condiciones isquémicas durante un

período de días remodelan a sí mismos (por ejemplo, mediante la adición de nuevas ramas

vasculares y por el aumento de la tortuosidad de vessels93 existente). Este comportamiento

observado es probable que sea una respuesta (es decir, a nivel de célula) localizado, por lo tanto,

se podría esperar una respuesta tan si una porción de un capilar aguas abajo de los robots fue

conducido en condiciones isquémicas. También podría haber una respuesta inflamatoria localizada

a un número suficientemente grande de células endoteliales de la pared capillary- bajo estrés,

especialmente para las células insistieron hasta el punto de la apoptosis, pero la isquemia

moderada parece poco probable que genere este response.94 Algunos productos químicos, como

el nítrico solos óxido (NO), prostaglandina D2 (PGD2) y leucotrieno D4 (LTD4), se dilatan los vasos.

Estos productos químicos pueden producir

actividad significativa en las células endoteliales que recubren (y por lo tanto forman la geometría

del tubo de) el recipiente capilar, por lo que su influencia puede ser bastante directa y quick.95,96

Nanorobots en los vasos podría liberar dichos productos químicos para alterar el comportamiento

de los vasos. Del mismo modo, una gran población de robots constantemente dibujo suministro

exceso de oxígeno podría inducir la secreción de eritropoyetina elevada (si no se regula por los

robots), el aumento de la producción de glóbulos rojos en el marrow.18,97 eritroide

El calentamiento directo no es un problema con el tamaño de los agregados considerado aquí, a

pesar de su alta densidad de potencia en comparación con el tejido. Para la gran agregado hemos

examinado (firmemente cubriendo 10 micras a lo largo de la pared del vaso), la difusión de

oxígeno a través del tejido de las regiones aguas arriba y aguas abajo de los robots proporcionados

oxígeno al tejido fuera de la sección del vaso bloqueado por los robots. Agregados más grandes,

especialmente si apretados, reducirían significativamente oxígeno en los tejidos, incluso si los

robots utilizados poco poder sí mismos, simplemente debido a su cubriendo la pared del vaso a

una distancia lo suficientemente larga que la difusión a través del tejido de las regiones no

bloqueados ya no es eficaz. El aliciente de las respuestas no lineales de tejidos térmicos (por

ejemplo, inflamación o fiebre) debido al calor generado por los agregados más grandes o múltiples

agregados en los capilares cercanos es una pregunta importante para el trabajo futuro.

Nanorobots estacionados o que se arrastran a lo largo de la superficie luminal de la embarcación

pueden activar respuestas mechanosensory del

células endoteliales a través de cuyas superficies del touch.40 nanorobots Si los agregados abarcan

una larga sección de la pared del vaso, que podían producir edemas locales porque

estrechamiento de los vasos por la presencia de los nanorobots aumenta gradientes de presión

locales y velocidades de fluido. Mientras nos centramos en un solo agregado en una vasija

microscópico, se planteen otras cuestiones, si una gran población de robots que circulan forma

muchos agregados. En ese caso, los múltiples agregados aumentarán resistencia hidrodinámica en

todo el circuito de fluido. Por lo tanto, los robots podrían hacer que el corazón trabaje un poco

más difícil de bombear fluido contra la carga ligeramente superior. Por otra parte, si los agregados

robot se desprenden de la pared sin desagregación completa, estos agregados más pequeños que

se mueven en la sangre pueden ser lo suficientemente grande como para bloquear una pequeña

embarcación. Los escenarios analizados en este artículo pueden sugerir controles adecuados para

distribuir el poder cuando los robots se agregan. Por otra parte, las decisiones de control de

potencia interactúan con las decisiones tomadas durante el proceso de agregación. Por ejemplo, si

la tarea requiere una cierta cantidad de potencia total para el agregado (por ejemplo, como un

centro de cálculo), a continuación, el protocolo de agregación de auto-ensamblaje dependerá de

la cantidad de oxígeno está disponible (por ejemplo, para hacer un total mayor en los vasos con

menos oxígeno disponible) o reclutar más robots que pasan cuando la tarea requiere más

potencia. Un ejemplo de este último caso podría ser si los agregados se utilizan como centros de

cálculo para validar las respuestas a eventos raros: Cuando lecturas de los sensores locales indican

la posibilidad de un evento tal, el agregado podría reclutar temporalmente robots adicionales para

aumentar la potencia y capacidad computacional para evaluar si esas lecturas

justificar el inicio del tratamiento.

Otro enfoque para el diseño de controles para los equipos de robots es el formalismo de

parcialmente observable processes.98,99 Markov Este formalismo permite cálculos

arbitrariamente complejas entre los robots para actualizar sus creencias acerca de su medio

ambiente y otros robots. Desafortunadamente, esta generalidad conduce a cálculos intratables

para la determinación de los procesos de control óptimos. Para las situaciones que estudiamos, las

limitaciones de potencia en capilares de paredes residente robots microscópicos que operan con

el oxígeno disponible en vivo: las normas locales deben ser simples. La inclusión de esta limitación

en el formalismo podría permitir que se

identificar opciones de control viables para grandes agregados de robots microscópicos en estas

situaciones.

Las limitaciones de potencia de nuestro modelo podrían proporcionar parámetros útiles para los

modelos menos detalladas del comportamiento de un gran número de robots en la circulación en

el contexto de los escenarios examinados en este artículo. En particular, el poder limita las

capacidades de computación, comunicación y locomoción de los robots. Estas restricciones

podrían incorporarse en modelos simplificados, como enfoques autómatas celulares para el

comportamiento del robot. Estos autómatas son un conjunto de máquinas simples, por lo general

dispuestos en una retícula regular. Cada máquina es capaz de comunicarse con sus vecinos en la

red y actualiza su estado interno basado en una regla simple. Por ejemplo, un escenario

bidimensional muestra cómo los robots podrían montar structures100 utilizando las reglas locales.

Tales modelos pueden ayudar a comprender las estructuras formadas en varias escalas a través de

las reglas locales simples y algunas motions.101,102 aleatoria Una técnica de análisis relacionados

considera swarms103 (es decir, grupos de muchas máquinas simples o los organismos biológicos

como las hormigas). En estos sistemas, los individuos utilizan reglas simples para determinar su

comportamiento a partir de la información sobre un limitado

parte de su medio ambiente y los individuos vecinos. Por lo general, los individuos en enjambres

no están obligados a tener un conjunto fijo de los vecinos, pero cambiar su lugar continuamente

sus vecinos a medida que avanzan. Enjambre modelos están bien adaptados a los robots

microscópicos con sus limitados capacidades físicas y computacionales y grandes números. La

mayoría de los estudios se centran en enjambre de robots o comportamientos macroscópicos en

spaces.104 abstracta A pesar de la física simplificada, estos estudios muestran cómo las

interacciones locales entre los robots llevan a varios behaviors105 colectiva y proporcionan

directrices de diseño generales. Un paso hacia modelos más realistas, aunque todavía manejables,

de grandes agregados podría incorporar las limitaciones de potencia del modelo que se presenta

en este artículo.

Además de evaluar el rendimiento de los nanorobots médicos hipotéticos, estudios teóricos

identificar compensaciones entre la complejidad de control y capacidades de hardware puede

ayudar fabricación futuro. Un ejemplo es la complejidad del diseño de sistemas de adquisición de

combustible y de utilización del robot. Para el funcionamiento en estado estacionario en las

paredes de los vasos, encontramos un beneficio limitado de bombas sobre la difusión libre cuando

numerosos generadores de energía a bordo se pueden emplear. En tales casos, nuestros

resultados indican que un diseño sin bombas no sacrifica mucho el rendimiento. En términos más

generales, el control puede compensar limitada de hardware (por ejemplo, errores en los sensores

o las limitaciones de potencia), que proporciona libertad de diseño para simplificar el hardware a

través de los programas de control adicionales. Por lo tanto, los estudios podrían ayudar a

determinar las capacidades de rendimiento de hardware mínimos necesarios para proporcionar

robusto comportamiento a nivel de sistemas.

Un desafío clave para los estudios de diseño de robots basado en modelos aproximados está

validando los resultados. En nuestro caso, las aproximaciones más significativos son el tratamiento

de las células como un componente promediado en el fluido y la cinética-modelo agrupado para la

descarga de oxígeno. Con el aumento de potencia de cálculo, solución numérica de modelos más

precisos podría poner a prueba la validez de estas aproximaciones. Como la tecnología avanza a la

construcción de las primeras versiones de robots microscópicos, las evaluaciones experimentales

complementarán los estudios teóricos. Uno de estos experimentos está operando los robots en

channels.65 microfluidos manufacturado Esto pondría a prueba la capacidad de los robots de

agregar ubicaciones en química definida y generar energía fiable a partir de las concentraciones de

sustancias químicas conocidas en el fluido. Después de tales experimentos in vitro, a principios de

ensayos in vivo podría implicar robots que actúan como sensores pasivos en el sistema circulatorio

y en los lugares de agregación químicamente distintivas. Tales nanorobots serán útiles no sólo

como herramientas de diagnóstico y extensiones sofisticados a capabilities106 administración de

fármacos, sino también como una ayuda para validar los modelos numéricos y por lo tanto el

desarrollo de diseños de robots y métodos de control para las tareas más activas.