Биороботика — это междисциплинарная наука, которая объединяет области биомедицинской инженерии , кибернетики и робототехники для разработки новых технологий, которые объединяют 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 обучения, такими как биология, математика, информатика, инженерия и многое другое. [2]
Эта дисциплина подпадает под раздел биоробототехники из-за того, что в ней изучаются биологические тела и механические системы. Изучение этих двух систем позволяет провести расширенный анализ функций и процессов каждой системы, а также взаимодействия между ними. [2]
Кибернетическая теория — это концепция, существовавшая на протяжении веков, начиная с эпохи Платона, когда он применил этот термин для обозначения «управления людьми». Термин «кибернетика» появился в середине 1800-х годов и использовался физиком Андре-Мари Ампером. [2] [3] Термин «кибернетика» был популяризирован в конце 1940-х годов для обозначения дисциплины, которая затрагивала, но была отделена от устоявшихся дисциплин, таких как электротехника, математика и биология. [3]
Кибернетику часто неправильно понимают из-за широты охватываемых ею дисциплин. В начале 20-го века он был задуман как междисциплинарная область исследований, сочетающая в себе биологию, естественные науки, теорию сетей и инженерию. Сегодня он охватывает все области науки, связанные с системными процессами. Цель кибернетики — проанализировать системы и процессы любой системы или систем, пытаясь сделать их более эффективными и действенными. [2] [3]
Кибернетика используется как общий термин, поэтому ее приложения распространяются на все связанные с системами научные области, такие как биология, математика, информатика, инженерия, менеджмент, психология, социология, искусство и многое другое. Кибернетика используется в нескольких областях для открытия принципов работы систем, адаптации организмов, анализа информации и многого другого. [4]
Генная инженерия — это область, которая использует достижения технологий для модификации биологических организмов. С помощью различных методов ученые могут изменять генетический материал микроорганизмов, растений и животных, придавая им желаемые свойства. Например, заставить растения расти больше, лучше и быстрее. [5] Генная инженерия включена в биоробототехнику, поскольку она использует новые технологии для изменения биологии и изменения ДНК организма на благо человека и общества. [6] [7]
Хотя люди модифицировали генетический материал животных и растений посредством искусственного отбора на протяжении тысячелетий (например, генетические мутации, в результате которых теосинте превратился в кукурузу, а волки — в собак), генная инженерия означает преднамеренное изменение или вставку определенных генов в ДНК организма. Первый успешный случай генной инженерии произошел в 1973 году, когда Герберт Бойер и Стэнли Коэн смогли перенести ген устойчивости к антибиотикам бактерии. [8] [9] [10]
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 ферменты рестрикции расщепляют их. Когда ферменты расщепляют молекулы, у некоторых из них появляется неровный край, напоминающий лестницу, которая считается «липкой» и способна к повторному соединению. Эти «липкие» молекулы встраиваются в другую бактерию, где они соединяются с кольцами ДНК с измененным генетическим материалом. [11]
Векторный метод считается более точным, чем плазмидный метод, поскольку он предполагает перенос конкретного гена, а не всей последовательности. В векторном методе конкретный ген из цепи ДНК выделяется с помощью ферментов рестрикции в лаборатории и вставляется в вектор. Как только вектор принимает генетический код, он вставляется в клетку-хозяина, куда будет перенесена ДНК. [11]
Биолистический метод обычно используется для изменения генетического материала растений. В этом методе желаемая ДНК внедряется с металлическими частицами, такими как золото или вольфрам, в высокоскоростной пистолет. Затем частица бомбардируется на завод. Благодаря высоким скоростям и вакууму, создаваемому во время бомбардировки, частица способна проникнуть через клеточную стенку и внедрить новую ДНК в клетку. [12]
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 ходе исследований ученые генетически модифицируют организмы, чтобы наблюдать физические и поведенческие изменения, чтобы понять функцию определенных генов. В сельском хозяйстве генная инженерия чрезвычайно важна, поскольку фермеры используют ее для выращивания культур, устойчивых к гербицидам и насекомым, таким как BTCorn. [13] [14]
Бионика — это область медицинской инженерии и раздел биоробототехники, состоящий из электрических и механических систем, имитирующих биологические системы, таких как протезы и слуховые аппараты. Это чемодан, сочетающий в себе биологию и электронику.
История бионики уходит корнями еще в Древний Египет. На ноге мумии был найден протез пальца ноги, сделанный из дерева и кожи. По оценкам, период времени существования трупа мумии датируется примерно пятнадцатым веком до нашей эры. Бионику также можно наблюдать в Древней Греции и Риме. Для солдат-инвалидов были изготовлены протезы ног и рук. В начале 16 века французский военный хирург Амбруаз Паре стал пионером в области бионики. Он был известен изготовлением различных видов верхних и нижних протезов. Один из его самых известных протезов, «Маленький Лоррен», представлял собой механическую руку, приводимую в действие защелками и пружинами. В начале 19 века Алессандро Вольта продолжил развитие бионики. Своими экспериментами он заложил основу для создания слуховых аппаратов. Он обнаружил, что электростимуляция может восстановить слух, если вставить электрический имплантат в мешотчатый нерв уха пациента. В 1945 году Национальная академия наук создала программу искусственных конечностей, направленную на улучшение протезирования, поскольку во время Второй мировой войны было большое количество солдат с ампутированными конечностями. С момента этого создания протезные материалы, методы компьютерного проектирования и хирургические процедуры улучшились, создав современную бионику. [15]
Важными компонентами современного протезирования являются пилон, гнездо и система подвески. Пилон — это внутренний каркас протеза, состоящий из металлических стержней или композитов из углеродного волокна. Гнездо — это часть протеза, которая соединяет протез с отсутствующей конечностью человека. Гнездо состоит из мягкого вкладыша, который обеспечивает удобную посадку, но при этом достаточно плотно прилегает к конечности. Система подвески важна для удержания протеза на конечности. Система подвески обычно представляет собой систему ремней, состоящую из ремней, ремней или рукавов, которые используются для фиксации конечности.
Действие протеза может быть сконструировано по-разному. Протез может быть с приводом от тела, внешним приводом или миоэлектрическим приводом. Протезирование с приводом от тела состоит из кабелей, прикрепленных к ремню или ремню безопасности, который размещается на функциональном плече человека, позволяя человеку манипулировать протезом и управлять им по своему усмотрению. Протезы с внешним питанием состоят из двигателей для питания протеза, а также кнопок и переключателей для управления протезом. Миоэлектрическое протезирование — это новая, усовершенствованная форма протезирования, при которой электроды размещаются на мышцах над конечностью. Электроды будут обнаруживать мышечные сокращения и посылать электрические сигналы протезу для перемещения протеза. Недостатком этого типа протезов является то, что если датчики неправильно размещены на конечности, электрические импульсы не смогут перемещать протез. [16] TrueLimb — это особая марка протезов, в которой используются миоэлектрические датчики, которые позволяют человеку контролировать свою бионическую конечность. [16]
Слуховой аппарат состоит из четырех основных компонентов: микрофона, усилителя, приемника и аккумулятора. Микрофон улавливает внешний звук, преобразует его в электрические сигналы и отправляет эти сигналы на усилитель. Усилитель усиливает звук и отправляет его на ресивер. Приемник преобразует электрический сигнал обратно в звук и отправляет его в ухо. Волосковые клетки в ухе воспринимают вибрации звука, преобразуют их в нервные сигналы и отправляют их в мозг, чтобы звуки могли стать связными для человека. Батарея просто питает слуховой аппарат. [17]
Кохлеарные имплантаты — это разновидность 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, создавая звуковые вибрации в черепе и направляя эти вибрации в улитку.
Эта искусственная чувствительная кожа обнаруживает любое давление, оказываемое на нее, и предназначена для людей, которые потеряли чувствительность к частям тела, например диабетиков с периферической невропатией.
Бионический глаз — это биоэлектронный имплант, восстанавливающий зрение слепым людям.
Бионический глаз, хотя и не совершенный, помог пяти людям, признанным юридически слепыми, снова разобрать буквы. [18]
Поскольку сетчатка имеет миллионы фоторецепторов, их очень сложно воспроизвести с помощью технологий. Вот почему эта технология пока не на 100% эффективна, но совершенствуется с каждым днем. [18]
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» (ИМТ). [19] ИМТ позволяют обрабатывать нервные сообщения между двигательными областями мозга и мышцами определенной конечности, чтобы инициировать движение. [19] ИМТ в значительной степени способствует восстановлению самостоятельного движения человека, имеющего бионическую конечность и/или экзоскелет. [19]
Эта робототехника может удалить полип во время колоноскопии.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )