لمس زندگی با نسل جدید اندامهای مصنوعی

ممکن است وقتی صحبت از اندام مصنوعی می‌شود به یاد فیلم‌های دزدان دریایی بیفتید که پای چوبین دارند اما باید بدانید که اندام‌های مصنوعی امروزی چیزی فراتر از تکه چوبی ساده و بی‌حرکت هستند. نسل جدید اندام‌های مصنوعی قادر است حرکات صاحب خود را پیش‌بینی کرده و مانند یک اندام طبیعی حرکت کند. این اندام‌های مصنوعی عصر جدیدی را در علم بیونیک پدید آورده‌اند. (بیونیک به معنای مطالعه سیستم‌های زنده به منظور ارتباط دادن ویژگی‌ها و اعمال آنها به توسعه سخت‌افزار مکانیکی و الکترونیکی گفته می‌شود.)

تکنولوژی جدید ساخت اندام‌های مصنوعی نه‌تنها قدرت و انعطاف بیشتری را نوید می‌دهد بلکه پوست مصنوعی حساس به فشار و اندام‌هایی که با ذهن فرد کنترل می‌شود را نیز در برنامه کاری قرار داده است. با کمک آزمایش اندام‌های جدید که قابلیت یکپارچگی با گوشت و استخوان و سیستم عصبی را دارند از دست دادن اندام به فراموشی سپرده خواهد شد. هم‌اکنون دانشگاه‌های بزرگی چون جان هاپکینز وMIT در حال کار روی این نسل از اندام‌های مصنوعی هستند.

بیشترین اندام‌های قطع شده مربوط به افراد مبتلا به زخم‌های دیابتی است. همچنین سربازان که به دنبال اصابت گلوله و ترکش اندام‌های خود را از دست می‌دهند در این گروه قرار دارند. این افراد و هزاران فرد دیگر که به علل مختلف اندام‌های خود را از دست می‌دهند محققان را بر آن داشته‌اند تا بیش از گذشته در زمینه تکنولوژی بیونیک تحقیق کنند. نتایج اولیه این تحقیقات در حال ورود به بازار است. هم‌اکنون با 30 هزار دلار می‌توان صاحب پای مصنوعی شد که با نرم‌افزار هوشمندی که دارد، می‌تواند راه برود و با زمین‌های مختلف سازگار شود. مثال‌هایی از این اندام مصنوعیC-Leg شرکت‌ آلمانیOHO Block وRhea Knee از یک کمپانی ایسلندی هستند. در این اندام‌ها از ترکیبی از موتور و هیدرولیک برای آسانی حمل اندام و فیبرهای کربن برای تقلید خصوصیات الاستیک استخوان و تاندون استفاده می‌شود.

ساخت پای مصنوعی به مهارت زیادی احتیاج دارد. ماهیچه‌های کف و مچ‌ پای طبیعی به طور مداوم فشار را تنظیم می‌کنند و انعطاف‌پذیری تاندون‌‌ها موجب صرف انرژی کمتر حین راه رفتن می‌شود. کسانی که پایشان قطع شده است آرام‌تر راه می‌روند، انرژی متابولیک بیشتری مصرف می‌کنند و تعادل کمتری دارند حتی روی زمین صاف.

عملکرد نسل جدید بازوهای بیونیک

اندام‌های فوقانی مصنوعی نسبت به اندام‌های تحتانی مصنوعی کمتر مورد توجه هستند. این بدان علت است که قطع دست و بازو شیوع کمتری نسبت به قطع پا دارند. همچنین از آنجا که بازوها کوچک‌ترند و دامنه حرکت بیشتری دارند، قرار دادن سخت‌افزاری در اندام مصنوعی که بتواند حرکات بازوی واقعی را تقلید کند، بسیار دشوار است. البته با ساخت قطعات کوچک‌تر این مشکل به‌زودی برطرف خواهد شد.

به نظر می‌رسد در حال حاضر کوچک‌ترین و قدرتمندترین دست مربوط به کمپانی انگلیسی Touch Bionics باشد که i-Limb نام دارد. این اندام مصنوعی یک دست پلاستیکی سبک است که هر انگشت آن موتور جداگانه‌ای دارد و می‌تواند به طور مستقل در پاسخ به پیام‌های ارسالی از دو حسگر که روی پوست جایی دیگر از بدن فرد قرار دارند، حرکت کنند. این دست دارای یک سیستم متوقف کننده است که از فشرده شدن بیش از اندازه اجسامی که در دست گرفته می‌شوند، ممانعت به عمل می‌آورد.

طبق گفته‌های جان جرمن که دست چپ خود را به علت مشکل عصبی ژنتیکی از دست داده است، اطرافیان وی معمولاi-Limb وی را که از یک پوست سیلیکونی پوشیده شده است، با دست واقعی اشتباه می‌گیرند. از آنجا که بعضی مصرف‌کنندگان به خصوص سربازان ظاهر مکانیکی و ترمیناتوری دست را ترجیح می‌دهند، این کمپانی اقدام به تولید دست‌هایی با پوشش شفاف کرده است. بازوی دیگری به نامLuke Arm به مصرف‌کنندگان این اجازه را می‌داد که با دیگران دست بدهند، کلید را در قفل بگردانند و حرکات دقیقی چون برداشتن یک دانه قهوه را انجام دهند. با وجود پیشرفت‌های زیاد در این وسایل، هنوز موانع زیادی برای رسیدن به اندام‌های مصنوعی ایده‌آل بر سر راهند. پروتزی که مستقیما با استخوان و اعصاب ارتباط برقرار کند با بدن یکی شود و تنها تفاوت آن در جنس آن باشد.

ساخت پوست برای اندام‌های مصنوعی

پوست مصنوعی حساس و با ظاهر واقعی مرحله مهمی از ساخت پروتز را تشکیل می‌دهد، به خصوص اگر بخواهیم ظاهر اندام مصنوعی از اندام طبیعی قابل افتراق نباشد. بهترین پوست‌های پوشاننده کهCosmeses نام دارند به طرز تعجب‌آوری واقعی به نظر می‌رسند و حتی سوراخ‌های پوستی و مو نیز در آنها طراحی شده است، اما تنها اشکال آنها این است که حس لامسه خوبی را تامین نمی‌‌کنند. محققان اخیرا توانسته‌اند قطعات کوچکی ازCosmeses باریک و قابل انعطاف به همراه حس لامسه جاسازی شده بسازند.

برقراری حس لامسه توسط الکتریسیته

پوست مصنوعی از یک پلیمر لاستیک مانند ساخته شده است که محکم، سبک و قابل انعطاف است. در داخل آن نانولوله‌های یک لایه کربنی جاسازی شده است که موجب می‌شود با تغییر فشار وارده به ماده، مقاومت الکتریکی آن تغییر کند، با اندازه‌گیری تغییرات مقاومت لایه نانولوله پوست قادر خواهد بود فشارهای مختلف و انواع مختلف تماس را شناسایی کند. البته این پوست برای رسیدن به لطافت و ظرافت پوست طبیعی انسان باید راه زیادی را طی کند ولی همین قابلیت حس ساده به همراه حس دما تحول عظیمی در جایگزینی حس اندام‌های از دست رفته ایجاد می‌کند. محققان هم‌اکنون در حال کار روی راه‌های مخابره این پیام‌ها به عصب و مغز افراد هستند. همچنین آنها در تلاشند حداقل آستانه حساسیت را افزایش دهند.

راه‌هایی برای نزدیک‌شدن اندام مصنوعی به طبیعی

برای واقعی جلوه دادن اندام مصنوعی بهتر این است که آن را به طور دائمی یا لااقل نیمه دائمی به بدن متصل کنیم. هم‌اکنون حتی بهترین انواع به جای متصل شدن، پوشیده می‌شوند که این خود موجب بروز مشکلاتی مانند خراشیدگی سوکت‌ها شود. بعضی از محققان در این فکرند که آیا نمی‌شود به جای بستن بند اندام مصنوعی را مستقیما به اسکلت بدن وصل کرد. گروهی از جراحان سوئدی با استفاده از تکنیک‌هایی که مختص کاشت دندان است مشغول کار روی این سیستم هستند. این تیم قطعات تیتانیوم را در استخوان باقی مانده اندام طبیعی قرار می‌دهد به گونه‌ای که 2 سانتی‌متر انتهایی آن از پوست بیرون باشد تا بتوان اندام مصنوعی را روی آن سوار کرد. این سیستم اتصال به اندام مصنوعی اجازه می‌دهد تا به راحتی وصل و از جای خود جدا شود بدون آن که در حرکت مفصل اندام اصلی اختلال ایجاد کند.

این سیستم هنوز مراحل آزمایشی را می‌گذراند و استفاده‌کنندگان بیان کرده‌اند که حرکات و راحتی آنها بهتر از قبل شده است و آنها قادرند اندام مصنوعی خود را برای مدت طولانی‌تری مورد استفاده قرار دهند. عفونت پوست اطراف پایه هنوز یکی از مشکلات است، همچنین نیروهای بیش از اندازه می‌تواند باعث تخریب استخوان ضعیف باقی مانده شود.

یک تیم انگلیسی اخیرا گفته که راه حلی برای مشکل عفونت پیدا کرده است. با منفذدار کردن قسمت‌هایی از تیتانیوم، پوست، ماهیچه و استخوان را تشویق به رشد در اطراف پایه کردند تا پایه به طور موثری در بدن جای گیرد. این کار حد فاصل پایه و پوست را آب‌بندی کرده و از عفونت جلوگیری می‌کند.

پیوند اندام مصنوعی با مغز

مرحله بعدی در جهت نزدیک کردن کارکرد اندام مصنوعی به اندام طبیعی مرتبط کردن آن با سیستم عصبی است. این به معنی پیوسته کردن پیام‌های مغزی، رمزگشایی آنها در آن واحد و هدایت آنها به اندام مصنوعی است. ورودی‌های حسی نیز باید از اندام مصنوعی به سیستم عصبی مرکزی مخابره شوند.

گروهی از محققان در تلاشند که بعضی از این خصوصیات را توسط بازوی جدیدی به نام2Proto بدست آورند. این بازو سبک و نیرومند است که استخوان‌های آن از فیبرهای کربن و آلیاژهای محکم ساخته شده‌اند و چالاکی آن نزدیک به بازوی طبیعی است.

این بازو 25 موتور و میکروپردازنده دارد که بیشتر حرکات بازوی طبیعی را انجام می‌دهند. این تیم در حال ساخت ابزارهای بی‌سیم به اندازه یک دانه برنج است که در ماهیچه‌های نزدیک بازوی مصنوعی قرار داده می‌شوند. وقتی ماهیچه‌ها منقبض می‌شوند این حسگرهای میوالکتریک پیام‌ها را هدایت می‌کنند و به بازو فرمان حرکت می‌دهند.

این تیم در حال آزمایش راه‌های دیگری برای کنترل مستقیم اندام مصنوعی می‌باشد. یکی از این تکنیک‌ها عصب‌دهی مجدد ماهیچه هدف نام دارد. در این روش، اعصاب باقی‌مانده در قسمتی از اندام که بعد از قطع شدن باقی مانده است به ماهیچه‌های سینه انتقال داده می‌شوند.

این اعصاب زمانی وظیفه حرکت دادن بازو را داشته‌اند، بنابراین وقتی مغز به بازو فرمان حرکت می‌دهد، این اعصاب موجب ماهیچه‌های سینه به گونه‌ای خاص می‌شوند. از آنجا که ماهیچه‌های سینه بزرگاند، این الگوی انقباض پیام‌ الکتریکی واضحی ایجاد می‌کند که می‌تواند به اندام مصنوعی مخابره شود و آن را به حرکت وادار کند. یک خانم که سال گذشته این روش را امتحان کرده است عنوان می‌کند که توانسته ‌دست و بازوی مصنوعی خود را همانند یک عضو طبیعی حرکت دهد. در نهایت مصرف‌کنندگان می‌خواهند اندام‌های مصنوعی را از طریق ارتباط مستقیم با فعالیت مغزی کنترل کنند. تجربه دانشمندان دانشگاه جان هاپکینز نشان داده است که این مساله از نظر تئوری ممکن است. در آزمایش‌ها، داوطلبان در حالی که کلاه‌های حاوی الکترود که فعالیت الکتریکی مغز را ثبت می‌کنند برسر داشتند، یک دست مکانیکی را به کار انداختند. اراده داوطلبان به صورت پیام‌های الکتریکی مغزی پردازش و جهت کنترل دست مورد استفاده قرار گرفت. این سیستم غیرتهاجمی دارای محدودیت‌هایی از نظر زمان پاسخ و محدوده حرکت است اما می‌تواند روزی در کنار سیستم‌های تهاجمی‌تر مانند الکترودهایی که به طور مستقیم در مغز قرار می‌گیرند مورد استفاده واقع شود.

در ژانویه 2008 نیکوسیس و همکارانش توانستند به یک میمون آموزش دهند که با استفاده از مغزش روباتی را به حرکت درآورد. آنها الکترودهایی را در مرکز حرکتی اولیه و قشر حس پیرامونی مغز میمون رزوس قرار دادند. اینها نواحی بودند که در هنگامی که میمون پایش را حرکت می‌داد فعالیت نشان می‌دادند. سپس آنها میمون را روی یک نوار گردان قرار دادند در حالی که پیام‌های مغزی او از طریق اینترنت به روباطی در ژاپن منتقل می‌شد و میمون قادر بود تصویر روباط را روی صفحه نمایشگر ببیند. با راه رفتن میمون، رباط حرکت می‌کرد و وقتی نوار گردان خاموش می‌شد، میمون تنها با استفاده از تفکراتش روبات را برای سه دقیقه دیگر راه می‌برد.

پیشرفت شگرف در ساخت اندامهای مصنوعی

نیکوسیس امیدوار است که این تکنولوژی به افراد فلج اجازه راه رفتن دهد. او می‌گوید روزی قادر خواهیم بود راه‌های فرعی بسازیم که به پیام‌های مغزی اجازه دهد به طور مستقیم به اندام‌های بیماران بروند، چه آن اندام‌ها مصنوعی باشند یا طبیعی با کارکرد مختل.

سایر پیشرفت‌های کنترل با ذهن شامل روشی به نام دروازه مغزی می‌شود که در آن یک مرد 24 ساله که هر 4 اندامش فلج بود توانست توسط یک تراشه کامپیوتری که روی سطح مغزش کاشته شد به بازی کامپیوتری، حرکت نشانگر کامپیوتر و کنترل بازوی روباتیک بپردازد. در سال آینده آزمایشگاه تاکور می‌خواهد اولین آزمایش کاشت تراشه‌ای که به طور اختصاصی برای کنترل بازوی مصنوعی طراحی شده است را روی انسان انجام دهد.

از آنجایی که کنترل اندام‌ها با مغز دور از دسترس به نظر نمی‌رسد، اندام‌های مصنوعی همان‌طور که نیرومند و سبک بودند قابل کنترل نیز خواهند شد و ممکن است بعدا نیرومندتر و پرسرعت‌تر هم بشوند. بنابراین چه اتفاقی می‌افتد اگر این اندام‌های مصنوعی اندام‌هایی را که با آنها متولد می‌شویم پشت سر بگذارند و از آنها برتر شوند؟ چه خواهد شد اگر روزی جراحی زیبایی آن‌قدر پیشرفت کند که بتوان به آسانی اندام‌هایی با قدرت بیشتر و با ظاهر زیباتر را جایگزین اندام‌های قبلی فرد نمود!

منبع: 2009 new scientist jan
دکتر امیر شیروانی