زندگی متفاوت باتکیه بر دانش بیونیک

مهندسان آژانس پروژه‌های تحقیقات پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) این بازوی بیونیکی را در دانشگاه جان هاپکینز این کشور طراحی کرده‌اند. به عقیده بسیاری از دانشمندان، بهتر است عنوان یک فناوری افسانه‌ای را به این بازوی رباتیک داد. مهندسانی که در این پروژه حضور داشته‌اند، سال‌های طولانی روی آن کار کرده‌اند و اکنون محصول خلاقانه‌ای ارائه کرده‌اند که ارزش آن بالغ بر 100 میلیون دلار برآورد می‌شود. این بازو از حرکات بازو، آرنج، مچ و دست طبیعی تقلید می‌کند و می‌تواند 27 حرکت مختلف را ارائه کند که از آن جمله می‌توان به چرخش، خم شدن و کش آمدن اشاره کرد، اما قابلیت‌های حرکتی آن در یک کفه ترازو و نحوه کنترل آن در کفه دیگر، نحوه کنترل این بازو است که آن را از سایر فناوری‌های مشابهی که در سال‌های اخیر روی آنها کار شده است، متمایز می‌کند. مهندسان DARPA به دنبال آن هستند که تراشه کوچکی در مغز انسان بکارند تا با استفاده از آن، امکان کنترل و هدایت این بازوی بیونیکی فراهم شود. کار این تراشه زیر نظر قرار داشتن نورون‌ها و ارسال پیام‌ها و فرامین به بازو است. البته به این نکته توجه داشته باشید که کل این فرآیند تقریبا در آن واحد صورت می‌گیرد. اساسا آنچه در این پروژه طراحی شده است، یک بازوی رباتیک قابل کنترل با فرامین مغزی است. طراحی این بازو در ادامه ساخت بازوی رباتیک موسوم به Luke است. این بازوی مصنوعی ـ که از سوی دن کامن ارائه شده و البته همگان وی را بیشتر با عنوان مخترع Segway می‌شناسند ـ‌ از حیث فناوری‌های به کار رفته، بسیار ابتدایی‌تر از بازوی بیونیکی مهندسانDARPA است. سیستم کنترل Luke به واسطه یک پدال پایی عمل می‌کند حال آن که قرار است بازوی بیونیکی اخیر با استفاده از فرامین مغزی هدایت شود. این پروژه مراحل تکمیلی خود را طی می‌کند. البته سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) باید تاییدیه‌های لازم را برای به کارگیری آن در موارد حقیقی صادر کند. این فرآیند زمان‌بر است و به همین منظور، آزمایش‌های بسیاری در حال انجام است. برآورد می‌شود، 4 تا 5 سال دیگر این بازوی بیونیکی سر از خانه‌هایی در ‌آورد که معلولان قطع بازو در آنها زندگی می‌کنند؛ معلولانی که البته توانایی مالی قابل توجهی نیز داشته باشند!

به چند ماه پیش بازمی‌گردیم. مردی اهل صربستان دست خود را قطع می‌کند تا آن را با یک نمونه بیونیکی جایگزین کند. البته داستان به گونه‌ای نیست که من و شما تصور می‌کنیم. وی که با عنوان میلو در رسانه‌ها معرفی شده است چند سال پیش و در یک حادثه موتورسواری، از ناحیه دو دست بشدت دچار آسیب‌دیدگی می‌شود. پزشکان با انجام چند عمل جراحی روی دست چپش، بسیاری از قابلیت‌های حرکتی را به آن بازمی‌گردانند، اما برای دست راستش هیچ کاری نمی‌توانند انجام دهند. به این ترتیب دست راست وی عملا فلج می‌ماند، اما او چندی پیش رضایت می‌دهد که دست راست فلجش را از بدن جدا کرده، با نمونه بیونیکی جایگزین کنند. همچون بازوی رباتیکی که در DARPA ساخته شده، این دست مصنوعی به طور طبیعی کنترل می‌شود. در این ارتباط، حتی نیازی به اتصال رشته‌های عصبی بازوی آسیب‌دیده به دست مصنوعی نیست چون مهندسان شرکت Otto Bockاین دست را به گونه‌ای ساخته‌اند که بسیار حساس است و می‌تواند از طریق دو حسگر مخصوص ـ که در قسمت بازو کار گذاشته شده‌اند ـ سیگنال‌های اصلی را دریافت کند. به این ترتیب محرک‌های عصبی همچون حالتی که در دست طبیعی وجود دارد، به دست مصنوعی می‌رسند و آن را برای انجام حرکات مختلف تحریک می‌کنند. این دست قابلیت حرکت به صورت چرخش، خم شدن و کش آمدن را دارد. گذشته از آن می‌تواند همچون یک دست واقعی اشیا را بگیرد و بفشارد. البته میلو نخستین کسی نیست که به دست مصنوعی ساخت شرکت Otto Bock مجهز می‌شود. سال گذشته یک جراح استرالیایی، عمل جراحی مشابهی را روی فردی به نام پاتریک انجام داد. دست پاتریک سرنوشتی همانند دست راست میلو داشت که البته به واسطه شوک الکتریکی به حالت فلج درآمده بود، اما اکنون می‌تواند بند کفش‌هایش را ببندد و در بطری نوشیدنی را باز کند. به نظر می‌رسد، آنچه روی این دو نفر ـ آن هم با موفقیت ـ انجام شده، راه را برای به کارگیری این فناوری در ابعاد کلان هموار می‌سازد.

شرکت Otto Bock محصولات بیونیکی دیگری نیز ارائه کرده است. انگشتان بیونیکی از جمله این محصولات است. این انگشتان برای آن دسته از معلولانی مناسب هستند که بخش اصلی دست خود را دارند و تنها انگشتانشان را به هر دلیلی از دست داده‌اند. این فناوری که با عنوان ProDigits ارائه شده است، صرفا برای جایگزین شدن انگشتان قطع شده به کار گرفته می‌شوند، نه سراسر دست. این انگشتان به طور سفارشی و متناسب با ظاهر انگشتان اصلی فرد طراحی و ساخته می‌شوند. به همین دلیل، این فناوری از آن دست فناوری‌هایی به شمار می‌آید که به طور سفارشی در اختیار فرد مورد نیاز قرار می‌گیرد. مهندسانی که این دست را طراحی می‌کنند، محل قطع انگشتان را بدقت زیر نظر می‌گیرند و با توجه به آنها انگشتان بیونیکی را می‌سازند. این انگشتان همچون دست ساخته شده از سوی مهندسان Otto Bock مجهز به حسگرهایی هستند که به آنها امکان برداشتن اشیای کوچک یا واکنش به محرک‌های محیطی را می‌دهند. این مجموعه انگشتان، حسگری دارند که به دست می‌گویند چه زمانی به دور شیء مورد نظر حلقه بزند. به این ترتیب فرد می‌تواند بدون آسیب رساندن به شیء، آن را با انگشتان بیونیکی جابه‌جا کند. این انگشتان تاکنون در چند سری اعمال جراحی به افراد مختلفی پیوند زده شده‌اند. البته قیمت نسبتا بالایی دارند و بین 57 تا 73 هزار دلار ارزش‌گذاری شده‌اند.

هاگ هر، رئیس گروه مکاترونیک دانشگاه MIT از ناحیه دو پا معلول است، این موضوع موجب شده، وی و گروه‌های متعددی از دانشجویان این دانشگاه در سال‌های اخیر روی طیف گسترده‌ای از پاهای مکانیکی و بیونیکی کار کنند. وی نه‌تنها خالق پای مصنوعی BiOM است بلکه از آن استفاده می‌کند تا نشان دهد فناوری اندام‌های مصنوعی رباتیک تا چه حد، زندگی معلولان را متحول و به زندگی طبیعی نزدیک می‌کند. هاگ در 17 سالگی و زمانی که مشغول اسکیت‌بازی در ارتفاعات برف‌گیر نیوهمشایر بود، در جریان یک حادثه هر دو پای خود را از دست داد. جراحان چند عمل جراحی روی پاهای وی انجام دادند، اما شدت جراحات بویژه آسیب‌های وارد آمده به اعصاب وی تا حدی بود که جراحان نتوانستند کاری برای او انجام دهند. در نتیجه هر دو پای وی را از زیر زانو قطع کردند، اما این حادثه تلخ، شروعی تازه و هیجان‌انگیز برای هر به شمار می‌آمد. او وارد کالج و سپس از دانشگاه هاروارد فارغ‌التحصیل و در ادامه، راهی دانشگاه MIT شد. وظیفه وی و تمامی محققانی که در این آزمایشگاه کار می‌کنند، طراحی و ساخت اندام‌های مصنوعی جدید منطبق با پیشرفت‌های روز دنیاست. او از این فرصت بخوبی استفاده و پاهایی برای خود طراحی کرد تا بار دیگر با آنها به کوهستان و ارتفاعات بازگردد. پایی که وی طراحی کرده، یک پای ساده مصنوعی نیست. فناوری نوین وی، یک پای بیونیکی پیشرفته است که نه‌تنها مثل یک فنر عمل می‌کند (نظیر پاهای مصنوعی که اسکار پیستوروس، دونده معلول سرشناس با استفاده از آنها در کنار سایر دوندگان در مسابقات جهانی شرکت می‌کند)، بلکه از قابلیت خیره‌کننده‌ای همچون حس کردن محیط و ارائه واکنش‌هایی مبتنی بر آن برخوردار است. در این پا، برای ایجاد توازن لازم به جای تکیه بر کل مجموعه بافت‌های تشکیل‌دهنده پا، از فنرهای مخصوصی استفاده شده که حرکت ماهیچه‌های نرمه ساق و تاندون آشیل را شبیه‌سازی می‌کند. در نتیجه فرد معلول که از آن استفاده می‌کند در حین راه رفتن حس بسیار خوبی خواهد داشت. بدون شک این یک پای رباتیکی واقعی است و در قدمی که با استفاده از آنها برداشته می‌شود، 250 داده مختلف در آن واحد مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد تا بهترین واکنش برای برداشتن قدم بعدی ارائه شود. در ماه‌های اخیر اصلاحات متعددی روی پای مصنوعی BiOM صورت گرفته و هاگ هر توانسته آن را کوچک‌تر و متناسب با فیزیک بدنی‌اش ارائه کند.

در مقوله طراحی و ساخت اندام‌های بیونیکی، ساخت اندام‌هایی نظیر پلک به عنوان پیچیده‌ترین بخش در نظر گرفته می‌شود. محققان مرکز پزشکی UC DAVIS در آمریکا از چند سال پیش دست به کار شده و تحقیق روی این پروژه پیچیده را آغاز کرده‌اند. آنها فناوری جدیدی موسوم به EPAM ارائه کرده‌اند که ساختار کلی آن چیزی نیست جز لایه نازک سیلیکونی که براساس ولتاژ مختلفی که دریافت می‌کند، منبسط و دچار کش و قوس می‌شود و این همان فرآیندی است که در پلک طبیعی دیده می‌شود. زمانی که فرد استفاده‌کننده می‌خواهد چشمک بزند، مغز سیگنال الکتریکی ضعیفی ارسال می‌کند که بلافاصله به وسیله EPAM دریافت می‌شود. در نتیجه، پلک مصنوعی حرکت و تغییر شکلی پیدا می‌کند که گویی فرد به شما چشمک می‌زند. از دست دادن توانایی برای چشمک زدن، مشکلی جدی است که می‌تواند ناشی از حملات مغزی یا جراحت در ناحیه صورت باشد. البته برخی بیماری‌های عضلانی نیز بی‌ارتباط با این مشکل نیستند.

در برخی موارد این مشکلات می‌توانند به کوری همیشگی منجر شوند. EPAM نخستین بار سال 2010 به دنیا معرفی شد و محققان معتقدند می‌توان برای کمک به بیماران مبتلا به ALS یا آلزایمر از آن استفاده کرد. محققان مرکز تحقیقاتی UC DAVIS نسخه ابتدایی این فناوری را ارائه کرده‌اند و پیش‌بینی می‌شود در آینده نمونه‌های پیشرفته‌تری از آن رونمایی شود. آنها تصور می‌کنند، 5 سال آینده استفاده از این فناوری نوین در سراسر جهان آغاز شود.

ایده‌های هیجان‌انگیزی که درخصوص اندام‌های بیونیکی و رباتیکی مطرح می‌شوند، حتی به درون دهان نیز راه یافته‌اند. زبان مصنوعی تازه‌ترین ابتکار عملی است که در این زمینه دیده می‌شود. گروهی از شیمیدانان دانشگاه الینویز، زبانی مصنوعی ساخته‌اند که کاربرد اصلی آن در صنایع غذایی است. با این حال این پرسش در ذهن مطرح می‌شود که آیا این زبان مصنوعی از حیث ساختار و عملکرد با زبان طبیعی قابل قیاس است؟ خبر جالب توجه این که این زبان مصنوعی عملکرد ساده‌ای دارد. این زبان، شیرینی مواد غذایی گوناگون را به وسیله اندازه‌گیری دقیق تغییرات pH در آنها مورد ارزیابی قرار می‌دهد. نکته جالب توجه نتایجی است که از این زبان مصنوعی در آزمایش‌های مختلف به دست آمده است. در 80 مورد آزمایشی که با استفاده از این زبان انجام شده، وجود 14 نوع شیرین‌کننده مختلف با ضریب خیره‌کننده صددرصد مشخص شده است. به عقیده کارشناسان، این ضریب تشخیص حتی از توانمندی زبان انسان بالاتر است. این یک موفقیت بزرگ برای صنایع غذایی به شمار می‌آید چون حداقل گردانندگان صنایع غذایی که با مواد شیرین‌کننده سر و کار دارند، می‌توانند از این زبان برای تشخیص بی‌نقص شیرین‌کننده‌های طبیعی از نمونه‌های مصنوعی استفاده کنند. پیش‌بینی می‌شود تا چند سال آینده، از این فناوری نوین در بسیاری از صنایع غذایی سراسر جهان استفاده شود.

حدود 20 سال است که از بینی‌های الکترونیکی استفاده می‌شود، اما به نظر می‌رسد آنچه همواره به کار گرفته می‌شده با آنچه در ذهن دانشمندان وجود دارد، تفاوت داشته است. تلاش دانشمندان در این زمینه بیشتر به سمت ارائه حسگرهای مولکولی هدایت شده است. این حسگرها که نحوه کار آنها بر اساس رشته‌های DNA است، ترکیبات مولکولی مختلف موجود در هوا را تشخیص داده، با تغییراتی که در خود ایجاد می‌کنند، نشان می‌دهند که چه چیزی را بو کرده‌اند. این حسگرها قطعا مفید و کاربردی هستند، اما نمی‌توان عنوان «بینی» به آنها داد. به همین دلیل، آژانس پروژه‌های تحقیقات پیشرفته دفاعی آمریکا در قالب پروژه RealNose در تلاش است یک بینی مصنوعی واقعی ارائه کند. در این پروژه ـ که برخی دانشگاه‌های آمریکا و یک سری مراکز تحقیقاتی نیز در آن حضور دارندـ از سیستم قدرتمند بویایی سگ‌ها به عنوان مبنای اصلی ساخت این بینی استفاده می‌شود. محققان این پروژه دریافته‌اند که سگ‌ها چرا چنین سیستم بویایی قوی‌ای دارند. تحقیقات نشان می‌دهد، جریان هوا پس از ورود به سیستم تنفسی حیوان در معرض انبوهی از سلول‌های قدرتمند دریافت‌کننده قرار می‌گیرند و آنها همچون یک کارخانه بزرگ و هوشمند، اطلاعات زیادی از ترکیبات موجود در هوای تنفسی به دست می‌آورند. به نظر می‌رسد بینی مصنوعی که با الهام گرفتن از سیستم بویایی سگ‌ها ساخته می‌شود، کاربردهای وسیعی ازجمله در امور نظامی خواهد داشت.

مترجم: محمدرضا مصلحی