بیونیک؛ لنزی از جنس مهندسی برای کشف ایده های نو

📱 @NeuronMultimedia

✍️ تاریخچه بیونیک

واژه بیونیک برای اولین بار توسط جک ای. استیل در سال ۱۹۵۸ ابداع شد که از واژه فنی بیون (bion) از یونان قدیم به معنی زندگی و پسوند ایک (-ic) به معنی مشابه تشکیل شده است. بدین ترتیب بیونیک را می‌توان مانند زندگی معنا کرد.
شاید بتوان لقب پدر علم بیونیک را به لئوناردو داوینچی نقاش ایتالیایی عصر رونسانس دانست. در آثار به جای مانده از او، نقاشی‎‌هایی از ماشین‌ پرنده‌ای را میتوان مشاهده کرد که از بال خفاش ایده گرفته بود. با این استدلال که خفاش دارای بال کاملاً پوشیده ای است که هوا را از خود عبور نمی دهد و بال خفاش را پوستی پرده مانند پوشانده است که آن را تقویت می کند.
در طی دوران‌های مختلف، طبیعت زنده در طبیعت مصنوع بیشتر خود را نشان داد به طوری که در قرن بیست و یک شاهد حضور اختراعات بسیاری الهام گرفته از دنیای حیوانات و گیاهان هستیم.

فکت : حدود 400 سال بعد از طرح داوینچی ، ماشین پرنده توسط کلمنت آدر با الهام از خفاش ساخته شد و در سال 1890 تا ارتفاع 15 متری پرواز کرد.

📱 @NeuronMultimedia

✍️ معرفی بیونیک

بیونیک چیست ❓
بیونیک حوزه ای است که زیست‌شناسی و مهندسی(مکانیک، الکترونیک و نرم‌افزار) را با هم ترکیب می‌کند. سیستم‌های بیونیکی میتوانند توانایی‌های فیزیکی و شناختی ما را به طور قابل ملاحضه‌ای بهبود بخشند. مانند ایمپلنت‌های عصبی که به بازگرداندن عملکرد حسی و حرکتی کمک می‌کنند تا اسکلت‌های بیرونی که قدرت و استقامت انسان را افزایش می‌دهند[1].

انواع سیستم های بیونیکی ❓
برخی از مهم ترین سیستم های بیونیکی عبارتند از:
1- بیونیک عصبی: این نوع بیونیک بر توسعه‌ی دستگاه‌های کاشتنی تمرکز دارد که با سیستم عصبی در ارتباط هستند تا عملکرد حسی و حرکتی را در افراد مبتلا به اختلالات عصبی بازیابی یا تقویت کنند. رابط مغز و ماشین کمپانی نورالینک، نمونه‌ای از یک سیستم بیونیک عصبی محسوب می‌شود.

2- پروتز: پروتزها اغلب به عنوان رایج‌ترین نوع سیستم‌های بیونیکی شناخته می‌شوند، زیرا کاربردهای گسترده‌ای دارند. پروتز اندام مصنوعی است که برای جایگزینی اعضای بدن از دست رفته یا آسیب دیده طراحی میشود. پیشرفت‌های بیونیک منجر به توسعه‌ی پروتزهایی شده است که نه تنها کاربردی هستند، بلکه می‌توانند توسط ماهیچه‌های فرد پوشنده کنترل شوند.

3- اسکلت‌های بیرونی: وسایل پوشیدنی که برای تقویت قدرت و استحکام بدن انسان بکار میروند. این نوع وسایل بیشتر کابرد نظامی دارد ولی به تازگی برای توانبخشی و کمک به افراد مبتلا به اختلالات حرکتی نیز مورد استفاده قرار میگیرد[2].

📱 @NeuronMultimedia

✍️ حوزه های دانشگاهی بیونیک

هر یک از جانوران یا گیاهان در فرآیند تکامل خود یک از یک الگو خاص برای ساختار خود استفاده می کنند. در علم بیونیک دانشمندان شکاف بین زمینه های زیست شناسی و مهندسی را به حداقل می رسانند تا تبدیل الگوهای طبیعت به قابلیت های مهندسی و در نهایت به فناوری های امیدوار کننده و محصولات تجاری محقق شود.

تحقیقات نشان می دهد در طبیعت حدود 55000 گونه مختلف وجود دارد.

گستردگی انواع و الگو های موجود در طبیعت باعث شده که حوزه های تحقیقاتی بسیاری پیرامون مبحث بیونیک ایجاد شود.
جامعه علمی بیونیک به عنوان یک حوزه فکری در حال توسعه تأثیر فزاینده ای بر برنامه های تحقیقاتی نوآورانه، برنامه های کاربردی تجاری در صنعت، برنامه های آموزش عالی و مشاوران مدیریت گذاشته است.
بیونیک از نظر تحقیقات قیاسی کاربردی به سه حوزه اصلی تقسیم شده است:

● بیونیک ساختمانی: ساختارهای طبیعی

● پردازش بیونیک: روش ها و فرآیندهای طبیعت.

● بیونیک اطلاعات: ابزارهای انتقال داده، استراتژی های توسعه و تکامل.

رشته های مختلف آکادمیک با نگاهی نزدیک تر به هر یک از حوزه های تحقیقاتی به ۱۲ رشته تحصیلی اصلی تقسیم بندی شده اند:
1. بیومیمتیک(Biomimetics)
2. مهندسی عصبی(Neural Engineering)
3. پروتز و ارتز(Prosthetics and Orthotics)
4. فناوری پوشیدنی(Wearable Technology)
5. بیومکاترونیک(Biomechatronics)
6. سیستم های بیوهیبرید(Biohybrid Systems)
7. مهندسی توانبخشی(Rehabilitation Engineering)
8. پروتزهای حسی(Sensory Prosthetics)
9. مهندسی بافت و پزشکی بازساختی(Tissue Engineering and Regenerative Medicine)
10. پردازش سیگنال زیست پزشکی(Biomedical Signal Processing)
11. بیوانفورماتیک و زیست شناسی محاسباتی(Bioinformatics and Computational Biology)
12. مهندسی میکرو و نانو(Micro and Nano-Engineering)

1-"Bionics in patents – semantic-based analysis for the exploitation of
bionic principles in patents "
Lothar Walter *, Ralf Isenmann, Martin G. Moehrle
University of Bremen
2-"BIONIC IMPACT ON INDUSTRIAL PRODUCTION DEVELOPMENT"-Adam Ruszaj
State University of Applied Sciences i Nowy Sącz

📱 @NeuronMultimedia

✍🏻چشم بیونیک

چشم بیونیک، پروتز الکتریکی است که از طریق جراحی در چشم انسان کاشته می‌شود تا امکان هدایت نور (تغییر نور از نور محیط به ایمپالس هایی که مغز توانایی پردازش آنها را دارد) را در افرادی که آسیب شدیدی در شبکیه دیده‌اند، احیا کند.


چه افرادی شرایط استفاده از چشم بیونیک را دارند؟

افرادی که به احتمال زیاد از چشم بیونیک بهره مند می شوند، میانسال یا مسن هستند با بینایی بسیار ضعیف مرتبط با دژنراسیون ماکولا وابسته به سن یا رتینیت پیگمانتوزا دارند. در حالی که شبکیه توسط این بیماری ها آسیب دیده است، باید برخی از سلول های گانگلیونی شبکیه وجود داشته باشند که دست نخورده باقی بمانند تا چشم بیونیک همانطور که در نظر گرفته شده است عمل کند. افراد مبتلا باید در مقطعی از زندگی خود قادر به دیدن بوده باشند تا بتوانند اتصالات عصبی را در مغز برای عملکرد دستگاه ایجاد کنند.

دژنراسیون ماکولا :
شرایطی که باعث انحطاط سلول های موجود در مرکز شبکیه می شود

رتینیت پیگمانتوزا :
یک گروهی از بیماری های ارثی که سلول های میله ای و مخروطی حساس به نور را در شبکیه از بین می برند

چشم بیونیک چگونه کار میکند؟

چشم بیونیک شامل یک دوربین و فرستنده خارجی و یک ریزتراشه داخلی است. دوربین روی یک عینک نصب شده است، جایی که برای سازماندهی محرک های بصری محیط قبل از انتشار امواج رادیویی با فرکانس بالا کار می کند. ریزتراشه محرک از یک آرایه الکترود تشکیل شده است که با جراحی در شبکیه چشم کاشته می شود. که به عنوان یک رله الکتریکی به جای سلول های شبکیه تحلیل رفته عمل می کند. امواج رادیویی که توسط دوربین خارجی و فرستنده ساطع می شوند، توسط ریزتراشه محرک دریافت می شوند و سپس ایمپالس های الکتریکی را تولید می کند. ایمپالس ها توسط تعداد کمی از سلول های شبکیه باقی مانده منتقل می شوند و به طور طبیعی به مسیر عصب بینایی منتقل می شوند و در نتیجه بینایی ایجاد می شود.

فکت : اولین کاشت یک نسخه ابتدایی از چشم بیونیک در سال 2012 گزارش شد. بیمار که در نتیجه رتینیت پیگمانتوزا از کاهش دید عمیق رنج می برد، گزارش داد که قادر به دیدن نور است اما قادر به ایجاد تمایز در محیط نیست. اولین مدل توسط شرکت استرالیایی Bionic Vision Australia ساخته شد. فناوری‌های پیشرفته‌تر توسعه‌یافته‌تر از آن زمان در مدل‌های جدیدتر کاشته شده در بیمارانی که بینایی آنها تحت تأثیر رتینیت پیگمانتوزا قرار گرفته بود، استفاده شده است. مدل‌های بهبودیافته به بیماران اجازه می‌دهد اجمالی از محیط خود ببینند، و آنها را قادر می‌سازد تصاویر انتزاعی ایجاد کنند، اگرچه بینایی آنها به طور کامل بازیابی نشده است.

References :

https://spectrum.ieee.org/bionic-eye-obsolete

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6350159/

https://www.science.org.au/curious/people-medicine/bionic-eye

 

https://www.britannica.com/science/retina

📱 @NeuronMultimedia

بیونیک (Bionics) دنیای جالب و شگفت انگیزی است که در مرز های بین زیست شناسی و فناوری قرار دارد. این رشته از مهندسی پزشکی نه تنها به حافظه و دانش ما از سیستم های طبیعی زندگی می افزاید ،بلکه با استفاده از علم الکترونیک ، امکان طراحی و توسعه پروتز های عصبی پیشرفته را فراهم می کند . این پروتز ها با تحریک مصنوعی نورون ها ، به میلیون ها نفر که با اختلالات حسی دست و پنجه نرم می کنند، کمک می کنند تا بتوانند کیفیت زندگی بهتری داشته باشند.
چند نمونه از سازه های بیونیک در رشته مهندسی پزشکی :

1. قلب بیونیک(Bionic Heart): قلب مصنوعی SynCardia یک دستگاه مکانیکی است که به عنوان یک ایمپلنت دائمی یا موقت برای افرادی که نیاز به پیوند قلب دارند ولی هنوز قلب مناسبی پیدا نکرده‌اند، عمل می‌کند.یکی از ویژگی های این قلب مصنوعی این است که برخی از سیستم های جدید قابلیت کنترل از راه دور دارند که به پزشکان اجازه می دهد وضعیت بیمار را پایش کنند.
2. گوش بیونیک (Bionic Ear ):گوش‌های بیونیک مانند " دستگاه‌های شنوایی کوکلئار" به افرادی که مشکل شنوایی دارند کمک می‌کنند تا صداها را به طور دیجیتال پردازش کرده و به مغز مخابره کنند.از قسمت های سیستم گوش بیونیک می توان به میکروفن ،پردازشگر صوت و الکترود ها اشاره کرد.
3. پای بیونیک(Bionic Legs): پای بیونیک C-Leg نمونه‌ای از این نوع وسایل است که به افراد کمک می‌کند تا تعادل خود را بهبود بدهند و حرکات طبیعی‌تری داشته باشند. از ویژگی های بارز پاهای الکترونیکی می توان به حرکت طبیعی و تامین انرژی (برخی از پاهای بیونیک از باتری‌های قابل شارژ استفاده می‌کنند که انرژی لازم برای حرکت را تأمین می‌کند)اشاره کرد.

Mayo Clinic (www.mayoclinic.org)
   Ottobock (www.ottobock.com)
Cleveland Clinic(www.clevelandclinic.org)

📱 @NeuronMultimedia

✍🏻بیونیک در ایران

یکی از محصولاتی که با بهره‌گیری از بیونیک ساخته می‌شود، دست مصنوعی است. این محصول از چند سال پیش به واسطه تحریم دیگر نتوانست وارد کشور شود و هم‌اکنون توسط شرکت "فناور احیاگر نوین پارسه ماندگار" تولید می‌شود.
سعید بهرامی مقدم مدیر عامل شرکت فناور تولید کننده این محصول فناورانه گفت:

دست‌های مصنوعی زیر شاخه‌ای از علم نوظهور بایومکاترونیک هستند. بایومکاترونیک حوزه‌ای میان رشته‌ای از علومی است که مجموعه‌ای از تمامی رشته‌های اصلی مهندسی و زیستی مانند مکانیک، الکترونیک، علوم کامپیوتر و علوم پزشکی را شامل می‌شود.

وی ادامه داد: دست بایونیک یا Bionic Hand در طراحی خود از طبیعت زنده الگو برداری می‌کند. دست مصنوعی نیز تقلیدی از دست واقعی است. زیرا تمامی افراد دچار نقص عضو انتظار دارند دستی مانند دست واقعی از دست داده خود را داشته باشند.

همچنین این محصول دارای چندین اختراع ثبت شده داخلی و بین المللی است. این شرکت فناور با بهره گیری از توان و تخصص نیروی خلاق خود موفق به طراحی و ساخت دست بایونیک برای نخستین بار در کشور شده است. همچنین وجود سیستمی که ایجاد کننده احساسات محیطی برای کاربر است را به عنوان ویژگی خاص در این طرح نام برد. هدف آن درک بهتر محیط به واسطه بایونیک است. سیستم فوق از روش تعویض حسی بهره می‌برد که این محصول امکان نصب بر روی هر دست مصنوعی را فراهم می‌کند. با استفاده از این محصول می‌توان لرزش، لغزش، دما، فشار و موقعیت انگشت را به کاربر القاء کرد.

البته این شرکت فناور محصولی دیگر با نام «اگزواسکلتون» دست را نیز طراحی کرده است که برای افراد دچار سکته مغزی که قدرت حرکت دست خود را از دست داده‌اند، کاربرد دارد. در این افراد عضلات دست پس از چند ماه به دلیل عدم حرکت تحلیل می‌روند، اما این محصول مانند یک دستکش به دست بیمار می‌رود و با دریافت فرمان ارادی از دست سالم، تحریک عضلات با حرکت دادن آن‌ها توسط موتور‌ها و الکتریسته باعث حرکت انگشتان به صورت ارادی می‌شود.

همچنین یکی دیگر از شرکت‌هایی که در زمینه بیونیک‌پزشکی فعالیت دارد، شرکت "پداسیس" است که ساخت "اکسوپد شخصی" را در پیش گرفته‌اند.

اکسوپد شخصی چیست؟
اکسوپد شخصی جدیدترین نسخه از اسکلت بیرونی پایین تنه است که بر روی لباسهای فرد پوشیده می‌شود. این دستگاه از چهار موتور الکتریکی پرقدرت در مفاصل لگن و زانو بهره می‌برد که قادرند پاهای کاربر را با الگوهای حرکتی گوناگون و سرعت های مختلف حرکت دهند. بدین ترتیب با انتقال وزن کاربر به زمین، او قادر است در استفاده روزمره از اکسوپد شخصی بدون نیاز به صرف انرژی چندانی راه برود.

از دیگر شرکت‌هایی که در این زمینه می‌توان از آنها یاد کرد، شرکت "چکاد طب آدرین" است.
این شرکت در جهت بومی سازی دانش و فناوری، گام‌های بلندی برداشته و به همین جهت در سال 1397موفق به کسب عنوان دانش‌بنیان از سوی معاونت علمی و فناوری رییس‌جمهور گردید.

از محصولات این شرکت می‌توان به:
-پروتز پنجه کربنی چکاد 1و2
-زانوی چند محوره
-کاور پنجه چکاد
-لوله(پایلون)کربنی
-ارتز تحریک‌ الکتریکی(واکید)
-دستگاه تست مکانیکی پروتز‌ها
اشاره کرد.

📱 @NeuronMultimedia