Биороботика
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2011 г. ) |
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
[ редактировать ]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.
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.
История
[ редактировать ]Кибернетическая теория — это концепция, существовавшая на протяжении веков, начиная с эпохи Платона , где он применил этот термин для обозначения «управления людьми». Термин «кибернетика» появился в середине 1800-х годов и использовался физиком Андре-Мари Ампером. [2] Термин «кибернетика» был популяризирован в конце 1940-х годов для обозначения дисциплины, которая затрагивала, но была отделена от традиционных дисциплин, таких как электротехника, математика и биология. [2]
Наука
[ редактировать ]Кибернетику часто неправильно понимают из-за широты охватываемых ею дисциплин. В начале 20 века оно было задумано 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]
Приложения
[ редактировать ]Кибернетика используется как общий термин, поэтому ее приложения распространяются на все научные области, связанные с системами, 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. [3]
Генная инженерия
[ редактировать ]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. [4] Генная инженерия включена в биоробототехнику, поскольку она использует новые технологии для изменения биологии и ДНК организма на благо человека и общества. [5] [6]
История
[ редактировать ]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. [7] [8] [9]
Наука
[ редактировать ]В генной инженерии используются три основных метода: плазмидный метод, векторный метод и биолистический метод.
Плазмидный метод
[ редактировать ]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, который считается «липким» и способным к повторному соединению. Эти «липкие» молекулы встраиваются в другую бактерию, где они соединяются с кольцами ДНК с измененным генетическим материалом. [10]
Векторный метод
[ редактировать ]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. [10]
Биолистический метод
[ редактировать ]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. [11]
Приложения
[ редактировать ]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 она используется фермерами для выращивания культур, устойчивых к гербицидам и насекомым, таким как BTCorn. [12] [13]
Бионика
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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. [14]
Наука
[ редактировать ]Протезирование
[ редактировать ]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 иметь питание от тела, от внешнего источника или от миоэлектрика. Протезирование с питанием 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. Обратной стороной этого типа протезирования является то, что если датчики неправильно размещены на конечности, электрические импульсы не смогут перемещать протез. [15] TrueLimb — это особая марка протезов, в которой используются миоэлектрические датчики, которые позволяют человеку контролировать свою бионическую конечность. [15]
Слуховые аппараты
[ редактировать ]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 понятными для человека. Батарея просто питает слуховой аппарат. [16]
Приложения
[ редактировать ]Кохлеарный имплантат
[ редактировать ]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.
Слуховые аппараты с костной фиксацией
[ редактировать ]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.
Искусственная чувствительная кожа
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Бионический глаз — это биоэлектронный имплант, восстанавливающий зрение слепым людям.
Бионический глаз, хотя и не совершенный, помог пяти людям, признанным юридически слепыми, снова разобрать буквы. [17]
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. [17]
Ортопедическая бионика
[ редактировать ]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). [18] ИМТ позволяют обрабатывать нейронные сообщения между двигательными областями мозга и мышцами определенной конечности, чтобы инициировать движение. [18] ИМТ в значительной степени способствует восстановлению самостоятельного движения человека, имеющего бионическую конечность и/или экзоскелет. [18]
Эндоскопическая робототехника
[ редактировать ]Эта робототехника может удалить полип во время колоноскопии.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дарио, Паоло (15 июля 2005 г.). «Журнал Общества робототехники Японии» . 23 (5): 552–554. дои : 10.7210/jrsj.23.552 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: а б с «Кибернетика – Определение» . pangaro.com . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ «Кибернетика — Математическая энциклопедия» . энциклопедияofmath.org . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ Тернер, Лиза (июнь 2001 г.). «Странная наука: что нужно знать о генной инженерии» . библиотека.brookdalecc.edu . Проверено 24 апреля 2023 г.
- ^ «Что такое генная инженерия?» . ваш геном . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ Маллиган, Памела К. (2021). «Генная инженерия» . Доступ к науке . дои : 10.1036/1097-8542.285000 .
- ^ Ранхель, Габриэль (9 августа 2015 г.). «От корги до кукурузы: краткий обзор долгой истории технологии ГМО» . Наука в новостях . Гарвардский университет . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ «История генной инженерии» . Королевское общество Те Апаранги . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ «Генная инженерия» . Genome.gov . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б «Методы генной инженерии» . мрллойдер . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ «Биолистическая трансформация — обзор | Темы ScienceDirect» . sciencedirect.com . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ «7.23B: Применение генной инженерии» . Свободные тексты по биологии . 06.06.2017 . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ «Генная инженерия | Определение, процесс и использование» . Британская энциклопедия . Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ «История бионики» . Бионическая медицина . 10 декабря 2012 г. Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б «Как контролируются протезы рук и чем отличается TrueLimb» . Безлимит завтра . 04.08.2021 . Проверено 15 ноября 2023 г.
- ^ «Основы слухового аппарата» . Как все работает . 23 августа 2007 г. Проверено 3 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Лу, Донна (2019). «Бионический глаз помогает слепым людям снова читать буквы» . Новый учёный . 243 (3241): 15. Бибкод : 2019NewSc.243...15L . дои : 10.1016/S0262-4079(19)31410-1 . S2CID 201259631 .
- ^ Jump up to: а б с Пандаринатх, Четан; Бенсмайя, Слиман Дж. (01 апреля 2022 г.). «Наука и техника, лежащие в основе сенсибилизированных бионических рук, управляемых мозгом» . Физиологические обзоры . 102 (2): 551–604. doi : 10.1152/physrev.00034.2020 . ISSN 0031-9333 . ПМЦ 8742729 . ПМИД 34541898 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Институт биоробототехники, Scuola Superiore Sant'Anna, Пиза, Италия
- Лаборатория биоробототехники . Институт робототехники , Университет Карнеги-Меллона *
- Bioroïdes - Хронология популяризации идеи (на французском языке )
- Гарвардская лаборатория биороботизации Гарвардского университета
- Лаборатория локомоции в механических и биологических системах (LIMBS), Университет Джонса Хопкинса
- Лаборатория биоробототехники в Корее. Архивировано 14 мая 2012 г. в Wayback Machine.
- Лаборатория биомедицинской робототехники и биомикросистем, Италия
- Крошечные рюкзаки для клеток (MIT News)
- Лаборатория биологической робототехники, Университет Кейс Вестерн Резерв
- Лаборатория биоробототехники и моделирования человека - Технологический институт Джорджии
- Лаборатория биоробототехники Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария)
- Лаборатория биороботики, Свободный университет Берлина. Архивировано 22 апреля 2013 г. в Wayback Machine (Германия).
- Исследовательская группа по биоробототехнике , Институт науки о движении, CNRS/Университет Экс-Марсель (Франция)
- Центр биоробототехники Таллиннского технического университета (Эстония)
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
