Биоробототика — это междисциплинарная наука, объединяющая области биомедицинской инженерии , кибернетики и робототехники для разработки новых технологий, которые интегрируют биологию с механическими системами для разработки более эффективной коммуникации, изменения генетической информации и создания машин, имитирующих биологические системы. [1]
Кибернетика фокусируется на коммуникации и системах живых организмов и машин, которые можно применять и сочетать с различными областями знаний, такими как биология, математика, информатика, инженерия и многими другими.
Эта дисциплина относится к разделу биоробототехники из-за ее объединенной области изучения биологических тел и механических систем. Изучение этих двух систем позволяет проводить расширенный анализ функций и процессов каждой системы, а также взаимодействия между ними.
Кибернетическая теория — это концепция, которая существовала на протяжении столетий, начиная с эпохи Платона , где он применил этот термин для обозначения «управления людьми». Термин cybernetique появился в середине 1800-х годов, его использовал физик Андре-Мари Ампер. [2] Термин cybernetics был популярен в конце 1940-х годов для обозначения дисциплины, которая касалась, но была отделена от устоявшихся дисциплин, таких как электротехника, математика и биология. [2]
Кибернетику часто неправильно понимают из-за широты дисциплин, которые она охватывает. В начале 20-го века она была придумана как междисциплинарная область изучения, которая объединяет биологию, науку, теорию сетей и инженерию. Сегодня она охватывает все научные области с системно-связанными процессами. Цель кибернетики - анализ систем и процессов любой системы или систем в попытке сделать их более эффективными и действенными. [2]
Кибернетика используется как обобщающий термин, поэтому ее применение распространяется на все связанные с системами области науки, такие как биология, математика, информатика, инженерия, менеджмент, психология, социология, искусство и т. д. Кибернетика используется среди нескольких областей для открытия принципов систем, адаптации организмов, анализа информации и многого другого. [3]
Генная инженерия — это область, которая использует достижения в области технологий для модификации биологических организмов. С помощью различных методов ученые могут изменять генетический материал микроорганизмов, растений и животных, чтобы наделить их желаемыми чертами. Например, заставляя растения расти больше, лучше и быстрее. [4] Генная инженерия включена в биоробототехнику, поскольку она использует новые технологии для изменения биологии и изменения ДНК организма для их и общества пользы. [5] [6]
Хотя люди изменяли генетический материал животных и растений посредством искусственного отбора на протяжении тысячелетий (например, генетические мутации, которые превратили теосинте в кукурузу, а волков в собак), генная инженерия относится к преднамеренному изменению или вставке определенных генов в ДНК организма. Первый успешный случай генной инженерии произошел в 1973 году, когда Герберт Бойер и Стэнли Коэн смогли перенести ген с устойчивостью к антибиотикам в бактерию. [7] [8] [9]
В генной инженерии используются три основных метода: плазмидный метод, векторный метод и биолистический метод.
Этот метод используется в основном для микроорганизмов, таких как бактерии. С помощью этого метода молекулы ДНК, называемые плазмидами, извлекаются из бактерий и помещаются в лабораторию, где их расщепляют ферменты рестрикции. По мере того, как ферменты расщепляют молекулы, некоторые из них образуют грубый край, напоминающий лестницу, которая считается «липкой» и способной к повторному соединению. Эти «липкие» молекулы вставляются в другие бактерии, где они соединяются с кольцами ДНК с измененным генетическим материалом. [10]
Векторный метод считается более точным методом, чем плазмидный метод, поскольку он подразумевает перенос определенного гена, а не целой последовательности. В векторном методе определенный ген из цепи ДНК выделяется с помощью рестриктаз в лаборатории и вставляется в вектор. После того, как вектор принимает генетический код, он вставляется в клетку-хозяина, куда будет перенесена ДНК. [10]
Биолистический метод обычно используется для изменения генетического материала растений. Этот метод встраивает желаемую ДНК с помощью металлической частицы, такой как золото или вольфрам, в высокоскоростную пушку. Затем частица бомбардируется в растение. Благодаря высоким скоростям и вакууму, создаваемому во время бомбардировки, частица способна проникать через клеточную стенку и вставлять новую ДНК в клетку. [11]
Генная инженерия имеет множество применений в области медицины, исследований и сельского хозяйства. В медицинской сфере генетически модифицированные бактерии используются для производства таких лекарств, как инсулин, гормоны роста человека и вакцины. В исследованиях ученые генетически модифицируют организмы, чтобы наблюдать физические и поведенческие изменения, чтобы понять функцию определенных генов. В сельском хозяйстве генная инженерия чрезвычайно важна, поскольку она используется фермерами для выращивания культур, устойчивых к гербицидам и насекомым, таким как BTCorn. [12] [13]
Бионика — это область медицинской инженерии и ветвь биоробототехники, состоящая из электрических и механических систем, имитирующих биологические системы, такие как протезы и слуховые аппараты. Это слово- гибрид , объединяющее биологию и электронику.
История бионики восходит к Древнему Египту. На ноге мумии был найден протез пальца ноги, сделанный из дерева и кожи. По оценкам, период времени, в котором находилась мумия, был примерно с пятнадцатого века до нашей эры [ требуется ссылка ] Бионика также наблюдалась в Древней Греции и Риме. Протезы ног и рук изготавливались для солдат с ампутированными конечностями. В начале XVI века французский военный хирург по имени Амбруаз Паре стал пионером в области бионики. Он был известен тем, что создавал различные типы верхних и нижних протезов. Одним из его самых известных протезов, Le Petit Lorrain, была механическая рука, управляемая защелками и пружинами. В начале XIX века Алессандро Вольта еще больше продвинул бионику. Он заложил основу для создания слуховых аппаратов своими экспериментами. Он обнаружил, что электрическая стимуляция может восстановить слух, вставив электрический имплант в мешотчатый нерв уха пациента. В 1945 году Национальная академия наук создала программу по искусственным конечностям, которая была сосредоточена на улучшении протезирования, поскольку было большое количество солдат с ампутированными конечностями во время Второй мировой войны. С момента ее создания протезные материалы, методы компьютерного проектирования и хирургические процедуры улучшились, создав современную бионику. [14]
Важными компонентами, из которых состоит современное протезирование, являются пилон, гнездо и система подвески. Пилон — это внутренняя рама протеза, которая состоит из металлических стержней или композитных материалов из углеродного волокна. Гнездо — это часть протеза, которая соединяет протез с отсутствующей конечностью человека. Гнездо состоит из мягкой подкладки, которая делает посадку удобной, но также достаточно плотной, чтобы оставаться на конечности. Система подвески важна для удержания протеза на конечности. Система подвески обычно представляет собой систему ремней, состоящую из ремней, поясов или рукавов, которые используются для удержания конечности.
Работа протеза может быть спроектирована различными способами. Протез может быть с питанием от тела, внешним питанием или миоэлектрическим питанием. Протезы с питанием от тела состоят из кабелей, прикрепленных к ремню или упряжи, которая размещается на функциональном плече человека, что позволяет человеку манипулировать и управлять протезом так, как он или она считает нужным. Протезы с внешним питанием состоят из двигателей для питания протеза и кнопок и переключателей для управления протезом. Протезы с миоэлектрическим питанием являются новыми, передовыми формами протезирования, в которых электроды размещаются на мышцах над конечностью. Электроды будут определять сокращения мышц и посылать электрические сигналы протезу для перемещения протеза. Недостатком этого типа протезирования является то, что если датчики неправильно размещены на конечности, то электрические импульсы не смогут перемещать протез. [15] TrueLimb — это особая марка протезов, использующая миоэлектрические датчики, которые позволяют человеку контролировать свою бионическую конечность. [15]
Четыре основных компонента составляют слуховой аппарат : микрофон, усилитель, приемник и батарея. Микрофон принимает внешний звук, превращает этот звук в электрические сигналы и посылает эти сигналы на усилитель. Усилитель усиливает звук и посылает этот звук на приемник. Приемник преобразует электрический сигнал обратно в звук и посылает звук в ухо. Волосковые клетки в ухе будут воспринимать вибрации от звука, преобразовывать вибрации в нервные сигналы и отправлять их в мозг, чтобы звуки могли стать когерентными для человека. Батарея просто питает слуховой аппарат. [16]
Кохлеарные имплантаты — это тип слухового аппарата для глухих. Кохлеарные имплантаты посылают электрические сигналы прямо в слуховой нерв , нерв, отвечающий за звуковые сигналы, а не просто посылают сигналы в ушной канал, как обычные слуховые аппараты.
Эти слуховые аппараты также используются для людей с тяжелой потерей слуха. Они прикрепляются к костям среднего уха , чтобы создавать звуковые колебания в черепе и посылать эти колебания в улитку .
Искусственная сенсорная кожа распознает любое оказываемое на нее давление и предназначена для людей, утративших чувствительность отдельных частей тела, например, для диабетиков с периферической нейропатией .
Бионический глаз — это биоэлектронный имплантат, предназначенный для восстановления зрения у слепых людей.
Хотя технология все еще находится в стадии разработки, она позволила некоторым юридически слепым людям снова различать буквы. [17]
Репликация сетчатки , которая содержит миллионы фоторецепторов , и соответствие исключительным возможностям линзирования и динамического диапазона человеческого глаза представляют собой значительные проблемы. Нейронная интеграция еще больше усложняет процесс. Несмотря на эти трудности, продолжающиеся исследования и прототипирование привели к нескольким крупным достижениям в последние годы. [17]
Ортопедическая бионика состоит из усовершенствованных бионических конечностей, которые используют нервно-мышечную систему человека для управления бионической конечностью. Новый прогресс в понимании функций мозга привел к разработке и внедрению интерфейсов мозг-машина (ИММ). [18] ИММ позволяют обрабатывать нейронные сообщения между двигательными областями мозга и мышцами определенной конечности для инициирования движения. [18] ИММ вносят большой вклад в восстановление независимого движения человека, имеющего бионическую конечность и/или экзоскелет. [18]
Эти роботы могут удалить полип во время колоноскопии.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )