Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Czym jest bionika?

Bionika (gr. bios – życie) to interdyscyplinarna dziedzina nauki z pogranicza biologii i techniki. Znana jest także pod innymi  nazwami: biomimetyka (od mimesis – naśladowanie), biomimikra (od mimikra), inżynieria bioniczna. Jej głównym celem jest tworzenie modeli systemów biologicznych. Bada budowę i zasady działania organizmów oraz ich adaptowanie w technice (zwłaszcza w automatyce) i budowie urządzeń technicznych na wzór organizmu.

Termin ‘biomimetyka’ został wprowadzony około 1950 roku przez Otto Schmitta, ‘bionika’ został użyty po raz pierwszy w 1960 roku na sympozjum „Living prototypes of artificial organs” w Dayton (USA). Historia obserwacji biologicznej struktury, czyli podglądanie natury, a następnie próby wdrożenia jej rozwiązań dla potrzeb człowieka mają długą historię. Przyroda na przestrzeni wieków dostarczyła ludziom wiele dobrych pomysłów. Chętnie z niej korzystał Leonardo da Vinci, a jego projekty samolotów i okrętów to wczesne przykłady wzorowania inżynierii na naturze. Najsławniejszym przykładem biomimetyki są rzepy, których syntetyczną wersję w 1941 roku opatentował Szwajcar, inżynier George de Mestral. Lotos zainspirował wynalezienie hydrofobowych powierzchni – zaobserwowano, że z liści lotosu nawet duże krople wody spływają nie zostawiając śladu zwilżenia, za to zbierając zanieczyszczenia z powierzchni liścia. Okazało się, że powierzchnia ta nie jest gładka. Powstały pojemniki, które po opróżnieniu np. z farby nie są brudne. Użycie bioniki w inżynierii pozwoliło na skonstruowanie sonaru, radaru, narzędzi do badania echa serca i wielu innych przydatnych urządzeń.

Bionika w medycynie

W medycynie bionika oznacza zastępowanie lub wspomaganie różnych organów i części ciała urządzeniami, które bardzo dobrze naśladują naturalne funkcjonowanie, w przeciwieństwie do protez. Najbardziej znanym przykładem jest implant ślimakowy dla niesłyszących.

Także osiągnięcia z dziedziny biomateriałów znacząco wpłynęły na budowę sztucznych narządów. Odkrywanie nowych, kompatybilnych biologicznie materiałów bądź ulepszanie istniejących pozwala na konstruowanie jeszcze lepszych implantów. Dzięki swoim właściwościom jeszcze lepiej odwzorowują funkcje prawdziwych ludzkich narządów.

W laboratoriach wytworzono już pierwsze sztuczne mięśnie. Na razie powstały z myślą o wykorzystaniu ich w robotyce, ale jest to niewątpliwie pierwszy krok ku pomocy ludziom z uszkodzonym narządem ruchu. Nowy typ sztucznych mięśni zbudowany został ze skręconych włókien węglowych nanorurek, dzięki czemu cechuje je ogromna twardość i wytrzymałość, a także lekkość. Ich mechanizm jest zbliżony oczywiście do działania naturalnych mięśni. Powstało sztuczne serce, a nawet sztuczne oko. Szczególnie intensywnie rozwija się robotyka, która ma ogromny wpływ na postęp w tworzeniu bionicznych kończyn.

Bioniczny kręgosłup

Australijscy naukowcy mają nadzieję, że malutkie urządzenie o rozmiarach zaledwie 3 cm długości i kilku milimetrów szerokości pozwoli sparaliżowanym pacjentom ponowne chodzenie. A wszystko dzięki kontrolowaniu kończyn za pomocą umysłu. Nowe urządzenie nazwane bionicznym kręgosłupem jest wielkości małego spinacza i zostanie wszczepione u trzech pacjentów w Royal Hospital w Melbourne w stanie Wiktoria (Australia) w przyszłym roku. Uczestnicy zostaną wybrani wśród osób z  urazami rdzenia kręgowego. Do tej pory urządzenie było testowane tylko u owiec.

Na zewnątrz bioniczny kręgosłup jest wyposażony w elektrody, które wykrywają sygnały z kory ruchowej (to obszar kory mózgu odpowiedzialny za planowanie i wykonywanie ruchów dowolnych ciała, znajduje się w płacie czołowym) i przesyłają je do małego urządzenia, które jest wszczepione w ramieniu pacjenta. Urządzenie to przekłada sygnały na polecenia, które zostają wysłane do bionicznych kończyn poprzez bluetooth.

Urządzenie zostało opracowane przez naukowców z Royal Hospital w Melbourne, University of Melbourne i Florey Institute of Neuroscience and Mental Health i zostało opisane w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Biotechnology”.

Prof. Terry O’Brien, szef Wydziału Neurologii w Royal Hospital powiedział: – Pacjenci początkowo będą musieli nauczyć się myśleć nad ruchami bionicznych kończyn. Z biegiem czasu te myśli powinny podświadomie być wysyłane jako sygnały z mózgu, by były łatwiej przekształcane w ruch. Bioniczny kręgosłup nie naprawi uszkodzonych ścieżek w mózgu, ale pomoże mózgowi znaleźć nowe drogi do robienia poszczególnych rzeczy.

Warto wspomnieć, że przeprowadzono już pierwsze próby z urządzeniami pomagającymi osobom cierpiącym na paraplegię (porażenie poprzeczne, schorzenie neurologiczne polegające na porażeniu dwukończynowym, najczęściej dotyczy kończyn dolnych, jest spowodowane uszkodzeniem rdzenia kręgowego na różnych poziomach lub uszkodzeniem mózgu). Urządzenia pozwalały kontrolować ruch kończyn egzoszkieletu przy użyciu wyłącznie myśli. Większość jednak jego działań wymaga zabiegu inwazyjnego związanego z usunięciem kawałka czaszki, tzw. kraniotomii, i który to zabieg niesie ze sobą ryzyko infekcji i innych komplikacji.

W 2014 roku 29-letni mężczyzna, paraplegik, Juliano Pinto, dokonał pierwszego kopnięcia piłki podczas Mistrzostw Świata w Piłce Nożnej za pomocą ubrania wyposażonego w roboty sterujące umysłem, czapka zaś wyposażona była w elektrody. Jest jeszcze jedna metoda, polegająca na wkłuciu tysiąca elektrod do mózgu. Jest ona jednak skuteczna tylko przez okres do jednego roku, gdyż mózg, traktując je jako obce, doprowadza do tworzenia blizn.

Bioniczny kręgosłup jest minimalnie inwazyjny i mniej kłopotliwy niż dotychczas opracowane urządzeń, takie jak czapki i zrobotyzowane ubrania. Docelowo urządzenie ma pomóc osobom cierpiącym na takie choroby, jak: padaczka, zaburzenia obsesyjno-kompulsywne i choroba Parkinsona.

Opracowano na podstawie:
‘Bionic spine’ could enable paralysed patients to walk using subconscious thought

Więcej na stronie:
Moving with the power of thought