بیو رباتیک چیست؟ | بیو رباتیک چطور به انسان‌ها کمک می‌کند؟زمان مطالعه ۱۲ دقیقه

• موضوع ربات‌ها، از موضوعاتی بوده که در گذر زمان مورد توجه افراد زیادی، از نویسندگان کتاب‌های علمی-تخیلی گرفته تا فیلم‌سازان و اهل سینما،  قرار گرفته است. در این مورد می‌توانیم به فیلم‌هایی مانند Star Trek و شخصیت آن یعنی Data یا سریال The Next Generation اشاره کنیم که از آثار محبوب سینما در ژانر علمی-تخیلی هستند. هرچند، طرفداران پروپاقرص ژانر علمی-تخیلی، پیدایش کلمه‌ی «Robotics» را به آیزاک آسیموف، نویسنده‎‌ی روسی نسبت می‌دهند. علاوه بر این اولین تجسم‌ها از ظاهر یک ربات، در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی توسط استنلی کوبریک، کارگردان پرآوازه‌ی آمریکایی در فیلم ادیسه فضایی ارائه شد. پس از آن در رسانه‌ی امروزی، به گسترش حوزه‌ی ربات‌ها پرداخته شد. حوزه‌ای که توانست مخاطبان وسیعی را در عصر تکنولوژی جلب کند. به این ترتیب، امروزه ربات‌ها و علی‌الخصوص، ربات‌های انسان‌نما برای مردم شناخته ‌شده هستند. از این جهت موضوع بیو رباتیک برای انسان‌ها مسئله‌ای مهم است. در این مقاله از تریتا، به این سوال پاسخ می‌دهیم که بیو رباتیک چیست؟

بیو رباتیک چیست؟

بیو رباتیک، علمی است که از ادغام شدن چندین حوزه‌ی علمی دیگر پدید آمده است. شاخه‌هایی از بیونیک، مهندسی ژنتیک و سایبرنتیک در بیو رباتیک وجود دارند. مطالعه‌ی همزمان این علوم گوناگون، به ما این امکان را می‌دهد تا نحوه‌ی تعامل ربات‌ها با سامانه‌های زیستی را درک کنیم. به دنباله‌ی آن، علم بیو رباتیک، ربات‌ها را به عنوان جایگزینی مناسب برای جانشینی اندام‌های موجودات زنده طراحی می‌کند. به طور خلاصه می‌توان بیو رباتیک را دانشی میان‌رشته‌ای عنوان کرد که با کنار هم‌ قرار دادن زیست‌شناسی و سیستم‌های مکانیکی، ماشین‌هایی را طراحی و توسعه‌می‌دهد که از سامانه‌های زیستی تقلید می‌کنند. در حوزه‌ی بیو رباتیک، با درک نحوه‌ی کارکرد اعضای موجودات زنده تلاش می‌شود تا ویژگی‌های آن‌ها در قالب اعضای مصنوعی بروز پیدا کند. یکی از جنبه‌های بیو رباتیک، مطالعه‌ی همه‌جانبه‌ی اطلاعات ژنتیکی است که برای توسعه‌ی ربات‌های جدید به کار می‌رود. از دیگر جنبه‌های آن، به کارگیری نمونه‌های زیستی به عنوان عضوی از یک ربات است. متخصصان این رشته، تا اینجا پیش رفته‌اند که ادعا کنند بیو رباتیک شمایلی از خلقت را به نمایش می‌گذارد. شاید یکی از بهترین توصیفاتی که بتوانیم برای بیو رباتیک ارائه دهیم این باشد که محققین در حال یافتن راهی برای زندگی بخشیدن به اجزای غیرزنده هستند. با این‌حال اگرچه این حوزه که گاهی به بیولوژی مصنوعی نیز مشهور است، هنوز حوزه‌ای نوپا محسوب می‌شود اما بدون شک نقش تعیین‌کننده‌ای در آینده‌ی بشر خواهد داشت.

نقش بیو رباتیک در کمک به انسان‌ها چیست؟

در محیط آکادمیک، بیو رباتیک به رشته‌های بیومکانیک و مهندسی مغز و اعضاب مربوط می‌شود. در این حوزه سعی بر آن است که افزون بر ارائه فناوری‌های پوشیدنی، ایمپلنت‌ها،میکروتکنولوژی‌ها و نانوتکنولوژی‌ها، توانبخشی نیز آسان‌تر شود. هر کدام از فناوری‌های مربوطه، در مراحل متفاوتی از آزمایش قرار دارند. برخی از آن‌ها در مرحله تست انسانی هستند و برخی دیگر در آستانه‌ی تولیدانبوه و عرضه در بازار قرار دارند. امروزه محققان و زیست‌شناسان با الهام گرفتن از موجودات زنده، در حال کار بر روی ربات‌هایی هستند که بهتر از نمونه‌های سنتی ربات‌ها باشند. این یعنی عملکرد ربات‌های جدید، رو به بهبود است. به نظر می‌رسد با گسترش رباتیک، زیرشاخه‌ها و گرایش‌هایی در این حوزه به وجود آید و ربات‌های متخصصی برای هر کار ساخته شود. مثلا می‌توانیم به پوست مصنوعی‌ای اشاره کنیم که توسط عده‌ای از دانشمندان ایتالیایی، برای بیماران دیابتی ساخته شده است. همچنین محققان در حال کار بر روی haptics می‌باشند؛ یعنی هر چیزی که با برانگیختن احساس لامسه ارتباط دارد.  این حوزه، علاوه بر توسعه‌‌ی اندام مصنوعی، روش‌های جدیدی را برای جراحی و اتاق عمل ارائه می‌کند که می‌تواند دقت جراحی را افزایش دهد. به این صورت که جراحان قادر خواهند بود که از عمق شکاف‌هایی که باید در عضو ایجاد کنند اگاه شوند و آن را با دقت خوبی انجام دهند. در حال حاضر، میکروچیپ‌ها در تشکیلات ایمنی و امنیتی برای رصد کردن فعالیت‌های افرادی نظیر زندانیان کاربرد دارد. محققان دانشگاه Illinois طی همکاری‌ای با کشور سنگاپور، در تلاش هستند تا با اصلاح این میکروچیپ‌ها، آن‌ها را به صورت قطعات میکروالکترونیکی در آورند و ضخامت آن‌ها را کاهش دهند و آن‌ها را باریک‌تر سازند. علاوه بر این، الحاقاتی برای کارکرد‌های نظارت‌گر این قطعات ساخته شده است. هدف آن است که این میکروچیپ‌ها قادر به رفع طیف وسیعی از نیازها باشند. به طور مثال ارسال سیگنال‌هایی که کارایی آن‌ها را به مانند یک BCI می‌سازد.

بیو رباتیک در چه حوزه‌هایی حضور موثر داشته است؟

بیومکانیک

بیومکانیک علمی است که به بررسی حرکت و نیرو در موجودات زنده می‌پردازد. آگاهی از سازوکارهای حرکتی موجودات زنده، به کمک تکنیک‌های سنتی مهندسی که غالبا بر بررسی حرکت بنا شده‌اند، برای ساخت اندام‌های مصنوعیِ جایگزین(پروتزها)، به کمک انسان می‌آید. امروزه اندام‌های مصنوعی راه طولانی‌ای را طی کرده‌اند. به طور مثال یک دست مصنوعی گه جایگزین عضو از بین رفته می‌شود تا ریزترین جزئیات حرکتی ممکن را به توانیاب ارائه می‌کند. این بدین معنی است که یک دست مصنوعی، تا حد بسیار دقیقی با یک دست واقعی تطابق دارد. حال علاوه بر مفاهیم مکانیکی‌ای که در بیومکانیک مطالعه و به کار گرفته می‌شود، مهندسی مغز و اعصاب، افق‌های جدیدی را به روی این رشته باز می‌کند.

مهندسی مغز و اعصاب

در مهندسی مغز و اعصاب، عملکرد مغز بر اساس شاخص‌های کمی و آماری مطالعه می‌شود. مهندسین این حوزه با دستکاری سیستم عصبی، تلاش می‌کنند به نتایجی برسند که با استفاده از آن‌ها زندگی برای انسان آسان‌تر شود. مهندسان با به‌‌کار‌گیری مدل‌های محاسباتی بر روی تک تک نورون‌ها، در حال آزمایش، قصد دارند پیوندی میان تکنولوژی‌های انسانی و بافت عصبی برقرار کنند. این روشِ آزمایش در حوزه‌ی رابط مغز-رایانه(BCI) قرار می‌گیرد. هنگامی که علوم مهندسی مغز و اعصاب و BCI با اندام مصنوعی نظیر یک دست مصنوعی ترکیب شوند، محققین می‌توانند کارایی آن را به عنوان یک دست بیونیک  بررسی کنند. معمولا افرادی که دچار نقص عضو شده‌اند، برای مدت طولانی بعد از جراحی، از احساسی رنج می‌برند که  از آن به عنوان «درد خیالی» (Phantom pain) یاد می‌شود. دردی که به عضوی مربوط می‌شود که به طور فیزیکی دیگر جزئی از بدن نیست. مثلا ایجاد این درد در فردی که یکی از دست‌های خود را از دست داده است، به سبب رسیدن سلول‌های عصبی از طناب نخاعی به شانه‌ی این شخص است. در این حالت احساسِ داشتنِ دست و حرکت‌های مربوط به آن همچنان در مغز باقی می‌ماند و مغز حتی در غیاب این عضو، کماکان به ارسال سیگنال‌های عصبی از طریق نورون‌ها ادامه می‌دهد و دست هم آن‌ها را دریافت می‌کند. با استفاده از دانش مهندسی مغز و اعصاب، دانشمندان این تحریک‌های عصبی را مطالعه می‌کنند تا با استفاده از الکترودهایی که در دست مصنوعی مورد نظر تعبیه شده است، آن‌ها را تشخیص دهند. با این روش، روند طولانی توانبخشی بیماران نقص عضو که  مجبورند آن را از بین بردن محنی یادگیری واقعی و با توجه به توع پروتز، طی کنند، حذف می‌شود. یک کنترل اضافی با دکمه‌های فشاری ساده نیز تعبیه می‌شود که می‌تواند در کفش بیمار قرار گیرد. این پروتزها شامل حساسیت لمسی و فشاری، موقعیت و همچنین ادراک لمسی به دلیل پیشرفت در رابط عصبی هستند که امکان ارائه بازخورد شناختی را فراهم می‌کنند.

نقش بیو رباتیک در ارائه درمان‌های تعاملی چیست؟

به غیر از حرکات شناختی و غیرارادی بدن انسان، بدن اغلب عملکردها از طریق “حافظه عضلانی” یاد می‌گیرد. عبارتی که به تکراری اشاره دارد که باعث یادگیری حرکت اعمال از ظریق از طریق کارکرد مغز می‌شود. در این‌جا مغز سیگنال‌ها را از طریق نورون‌ها به عضلات مربوطه می‌فرستد. آسیب‌های مغزی متعددی باعث می‌شوند که ماهیچه‌ها از فراموشی دائمی و یا موقت رنج ببرند. درمان تعاملی در تلاش است تا با کمک بیو رباتیک راه‌حلی برای حل این مشکل ارائه کند. محیط‌های تعاملی مجازی برای توان‌بخشی بیماران مبتلا به فراموشی عضلانی طراحی شده‌اند. در هنگام تعامل با این محیط‌ها، تلاش می‌شود تا با ایجاد محیطی که در آن عضلات می‌توانند حرکات فراموش‌شده‌ی خود را یاد بگیرند، درمان‌های سنتی را به نحو بهتری اجرا کرد. اگر این استفاده از این محیط‌ها آسان‌تر شود، آن‌ها قادر خواهند بود تا درمانی برای کودکان مبتلا به فلج مغزی را با استفاده از بازی‌های مناسب است، ارائه کنند. ​

نقش بیو رباتیک در تکنولوژی‌های پوشیدنی و قابل کاشت چیست؟

از مدت‌ها پیش، از مهندسی مغزواعصاب برای تولید ضربان‌ساز‌های قلب استفاده می‌شده است.امروزه دستگاه‌های مصنوعی رباتیکی مانند ضربان‌ساز قلب و دستگاه‌‌های مشابه آن، با مختل‌کردن یا تحریک مدار عصبی،  برای نظارت و کنترل بیماری‌های عصبی مانند پارکینسون، صرع و افسردگی با در حال توسعه هستند.در مراحل تجربی، برای مهار سیگنال‌های الکتریکی، از تحریکات الکتریکی با فرکانس بالا استفاده می‌شود. طبق تحقیقات، این موضوع برای استفاده‌ی بی‌‌حس‌کننده‌های موضعی و برگشت‌پذیر و همچنین کنترل مثانه و یا هر کار سخت دیگری که در آن کنترل عملکرد نورون‌ها دشوار است(به خصوص در موارد فلج بودن بیمار)، مفید واقع می‌شود.​

نقش بیو رباتیک در تولید و توسعه‌ی پروتز‌های بصری چیست؟

​​​​​​​​از دیگر دستاوردهای مهندسی مغزواعصاب، پروتز‌های بصری است. شبکیه چشم مسئول سنجش نور است. بر اثر کهولت سن و یا سایر آسیب‌های تحلیل‌برنده‌ی بینایی  ممکن است این عضو دچار آسیب شود. در مواردی که مدار عصبی به مانند قوه‌ی ادراک بصری مغز هنوز در حال کار است، می‌توان با استفاده از این پروتز‌ها بینایی را بازگرداند.تکنولوژی به کار رفته در این پروتزها عملکرد شبکیه را تکرار می‌کنند. در حال حاضر حدود ۱۰۰ الکترود در این پروتز به کار می‌رود. اما آزمایش‌ها بیشتر امکان ثبت تصاویر با وضوح بهتر را فراهم خواهد کرد.

نقش بیو رباتیک میکروتکنولوژی و نانوتکنولوژی چیست؟

میکرو و نانوتکنولوژی بخشی از بیو رباتیک‌ها هستند که به دانشمندان اجازه می‌دهند تا راه‌حل‌های رباتیکی‌‌ای را ارائه کنند که به عنوان جایگزین‌های بیولوژیکی تا سطح نورون‌ها کاربرد داشته باشند. در این حوزه با کوچک‌سازی دستگاه‌ها و فرآیندهای مکانیکی سر‌ و‌ کار داریم. این ربات‌های کوچک به طور موثر برای استفاده در بازسازی DNA، حمل دارو، بازگرداندن بینایی و کاربردهای بی‌شمار دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ​

نقش بیو رباتیک در سیستم‌های دارورسانی Sustained-Release چیست؟

این سیستم دارورسانی، نتیجه‌ی حضور نانوتکنولوژی در حوزه‌ی بیو رباتیک است. این روش به ایمپلنت‌ها این امکان را می‌دهد که داروها را برای مدت طولانی تا پنج سال با استفاده از مسیرهای پیچ در پیچ در مقیاس میکروسکوپی و با کاهش میزان انتقال مولکول‌های دارو، جابجا کنند. با پیشرفت بیشتر تکنولوژی، از این سیستم‌های دارورسانی، می توان برای نظارت بر انتقال دارو از طریق دستگاه‌های خارجی مانند میکروچیپ استفاده کرد که می‌تواند دوز انسولین را با تعیین سطوح گلوکز در خون بیمار تنظیم کند. ​

نقش بیو رباتیک در دارورسانی هدفمند چیست؟

یکی از نگرانی‌های عمده در زمینه‌ی پزشکی، عوارض جانبی ناشی از داروهای مختلف است. از این جهت محققان در حال استفاده از علم بیو رباتیک برای حذف یا کاهش اثرات ناخواسته ‌ی داروها هستند. این کار با استفاده کردن ازسامانه‌های دارورسانی Sustained-Release و با کپسوله کردن داروها در یک قالب پلیمری که تنها برای استفاده در سلول‌های هدف مناسب هستند، انجام می‌شود. مطالعه پیچیدگی میکروبیولوژی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا از ویژگی موجودات بیولوژیکی در رباتیک مهندسی استفاده کنند که به مانند مکانیزم قفل و کلید در فرایند رساندن دارو به سلول هدف عمل خواهد کرد.

نقش بیو رباتیک در تولید واکسن

یکی از جالب‌ترین مواردی که بیو رباتیک به کمک انسان‌ها می‌آید، فراهم آوردن مراقبت‌های پزشکی لازم در برابر بیماری‌های است که بر جمعیت انسان‌ها تاثیر می‌گذارند. در این موارد علم بیو رباتیک با کمک به فرآیند‌های تحقیقاتی مربوط بیماری و ایجاد بستر تولید انبوه در تولید واکسن، اهمیت خود را نشان می‌دهد. در واقع تولید انبوه باعث ارزان‌تر شدن قیمت کالای نهایی می‌شود و در مدت کوتاهی آن را برای گستره‌ی وسیعی از جمعیت در دسترس قرار می‌دهد. به عنوان یکی از مثال‌ها می‌توانیم به بیماری مالاریا اشاره کنیم. عفونت‌های ناشی از مالاریا یکی از نگرانی‌های اصلی دانشمندان در جهت حفظ جان انسان‌ها در برابر این ویروس به شمار می‌روند. نگرانی‌ای که باعث تمرکز بر یافتن واکسن شد. حال محققان واکسنی پیدا کردند که نرخ موفقیت آن بر روی گروهی که واکسن را روی آن‌ها آزمایش کردند، صد درصد بود. تلاش‌های بر این است که با استفاده از ربات‌ها سیستمی برای کالبدشکافی اتوماتیک پشه‌های ناقل بیماری تعبیه شود. ایجاد چنین سیستمی نقش قابل ملاحظه‌ای در بهبود بافتن فرایند تولید انبوه واکسن خواهد داشت. ممکن است این نکته مطرح شود که با وجود اینکه قبلا واکسن مالاریا ساخته شده است، تلاش‌های جدید برای یافتن واکسن دیگری معقول نباشد. اما یافتن درمان بهتر تحت تاثیر یافتن واکسن‌های جدیدتر و کاراتری است که با حضور بیو رباتیک، این روند می‌تواند دچار دگرگونی قابل توجهی بشود.

نقش بیو رباتیک در مراقبت در برابر ویروس‌ها چیست؟

در برخی موارد ویروس‌هایی در طبیعت پیدا می‌شوند که همواره به ضرر انسان‌ها کار نمی‌کنند. اگرچه تصور می‌شود موجوات کوچک نظیر ویروس‌ها در حال جنگ با انسان‌ها هستند و بازنده‌ی این نبرد هم انسان‌ها هستند، اما این تصور درست نیست. به این دلیل که در برخی از موارد، ویروس‌ها به متعادل شدن زیست‌بومی که انسان‌ها هم بخشی از آن هستند، کمک می‌کنند. به عنوان مثال تولید مثل سریع خرگوش‌ها در استرالیا، باعث  افزایش شدید جمعیت آن‌ها شد. به این ترتیب بود که خرگوش‌ها، برای تغذیه‌ی خود از چمنزار‌های استرالیا استفاده کردند. با مصرف بیش از حد چمنزار‌ها بود که استرالیا با خطر بیابان‌زایی روبرو شد. دانشمندان پس از مواجه با این تهدید، در پی ارائه‌ی راهکاری برآمدند. آن‌ها تصمیم گرفتند با استفاده از بیو رباتیک، راهی برای کاهش جمعیت خرگوش‌ها پیدا کنند. در این‌جا نقش بیو رباتیک، کمک برای تولید انبوه ویروسی به نام میکسوماتوز بود. از این این ویروس به عنوان “ویروس مرگ خرگوش” نیز یاد می‌شود. با آلوده کردن بعضی از حشرات به این ویروس و آزادسازی آن‌ها در محیط زندگی خرگوش‌ها، اکوسیستم به حالت تعادل بازگشت و بخشی از جمعیت خرگوش‌ها از بین رفتند. با این که ما از ویروس‌ها به‌ طور کلی به عنوان دشمنان قسم‌خورده‌ی انسان‌ها یاد می‌کنیم، همیشه مواردی وجود دارند که ویروس‌ها به حفظ تعادل محیط کمک می‌کنند. انسان‌ها از طریق استفاده از دانش بیو رباتیک قادر به مقابله با اثرات نامیمون ناشی از تغییرات معکوس در محیط ‌زیست طبیعی ما هستند.

در این نوشتار، متوجه شدیم علم بیو رباتیک چیست؟ همچنین با برخی از نقش‌های بیو رباتیک در زندگی انسان‌ها نیز آشنا شدیم. بدون شک بیو رباتیک که امروزه علمی نوپا محسوب می‌شود، با گذر زمان جای خود را بیش از این در میان زندگی انسان‌ها باز خواهد کرد.

منبع : Cleverism