A A A

Bioniczne zmysły

Bioniczne zmysły pomagają słyszeć, czuć i widzieć. Inspiracją do ich tworzenia są filmy science-fiction.

Rozwój bioniki pozwala usuwać fizyczne bariery, z jakimi borykają się osoby niepełnosprawne. Na tym polu mamy naprawdę obiecujące osiągnięcia: od protez wykonanych w technice druku 3D po spersonalizowane kończyny sterowane sztuczną inteligencją. Nieco inaczej jest z naszymi zmysłami. Zastąpienie zmysłów słuchu, wzroku, węchu, smaku i dotyku ich wersjami bionicznymi nie jest łatwe, a prace w tym obszarze przypominają wspinanie się stromą ścieżką pod górę. Wymagają ścisłej współpracy specjalistów bioinżynierii, nanotechnologii, elektroniki, neuronauki i bioprodukcji. Jednak dzięki rozwojowi tych nauk pojawia się coraz więcej prototypów bionicznych narządów zmysłów. Nie są doskonałe, ale każdy przełom otwiera drzwi do nowych możliwości. Liczba pacjentów z upośledzeniem sensorycznym na całym świecie rośnie, więc dalsze prace badawczo-rozwojowe i produkty bioniczne nowej generacji są niezwykle potrzebne.

Superoko 3D

 Prototyp pierwszego na świecie sferycznego oka z z siatkówką 3D


Prototyp pierwszego na świecie sferycznego oka z z siatkówką 3D, źródło: https://hkust.edu.hk




Pierwsze sztuczne oko 3D opracowane przez międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Nauki i Techniki w Hongkongu (HKUST) jest prawdziwym przełomem w dziedzinie bioniki. Proteza przewyższa parametrami nie tylko istniejące już bioniczne oczy, lecz również możliwości ludzkiego narządu wzroku. Oko elektrochemiczne (EC-Eye) nie tylko po raz pierwszy odtwarza strukturę naturalnego narządu wraz z jego kulistością zapewniającą szerokie pole widzenia, lecz także zapewnia znacznie ostrzejsze widzenie. Umożliwia też wykrywanie promieniowania podczerwonego w ciemności. Możliwości EC-Eye’a zostały zaprezentowane w magazynie „Nature”.


Bioniczne oko jest wzorowane na ludzkim. Jest okrągłe, ma tęczówkę i soczewkę oraz półkolistą siatkówkę. To właśnie jej zawdzięcza swoje unikatowe zdolności – sztuczna siatkówka 3D została wykonana z nanoprzewodów o dużej gęstości, które naśladują fotoreceptory w ludzkich siatkówkach. Mimo tego, że naukowcy spędzili już kilka dekad na próbach odtworzenia struktury i klarowności biologicznego oka, dotychczasowe protezy oczu – głównie w postaci okularów czy soczewek – wciąż zapewniały niską rozdzielczość obrazowania. Tym razem jest inaczej – gęstość nanoprzewodów jest większa niż gęstość fotoreceptorów w ludzkiej siatkówce, dlatego sztuczne oko może odbierać więcej sygnałów świetlnych i potencjalnie osiągnąć wyższą rozdzielczość obrazowania. Dzięki różnym materiałom użytym do zwiększenia czułości fotoczujników i zakresu widmowego, sztuczne oko może również pozwalać na widzenie w nocy. Fan Zhiyong, profesor elektroniki i inżynierii komputerowej w HKUST, którego zespół spędził nad badaniami nad bionicznym okiem dziewięć lat, przyznaje, że do prac nad wynalazkiem zainspirowały go seriale science fiction. – Podczas oglądania filmów „Star Trek” oraz „Ja, robot” pomyślałem o stworzeniu „ludzkiego superoka”, które będzie używane zarówno w robotach humanoidalnych, jak i przez osoby niewidome lub niedowidzące – mówi Fan Zhiyong.







Zespół prof. Fana Zhiyonga podczas prac nad superokiem


Zespół prof. Fana Zhiyonga podczas prac nad superokiem, źródło: https://hkust.edu.hk

Dźwięk zupy

Droga do tego, aby ludzkie oczy, uszy, skórę, nos i język zastąpić sztucznymi jest nie tylko wyboista, ale też znacznie dłuższa niż sądzimy. Dobrze to ilustruje historia wszczepów ślimakowych, która sięga aż 1790 r. Wtedy to włoski fizyk Alessandro Volta przeprowadził pierwszy eksperyment elektrostymulacji narządu słuchu. Na sobie. Naukowiec połączył przewodzące pręciki ze stosem baterii i umieścił je we własnych uszach. Usłyszał coś, co opisał jako „huk w głowie”, po którym wystąpił dźwięk podobny do gotującej się, gęstej zupy. Współczesne implanty ślimakowe, które milionom osób pozwalają cieszyć się bogactwem dźwięków, zawdzięczamy Australijczykowi. Graeme Clark jako mały chłopiec widział, jak jego ojciec zmaga się z ubytkiem słuchu. Kiedy obserwował, jakie trudności, udręka i wynikająca z nich izolacja towarzyszą życiu w ciszy jego taty, postanowił znaleźć nowy sposób leczenia ubytku słuchu i temu celowi poświęcił swoje życie.



Dorosły już doktor Clark (specjalista chirurgii ucha) rozpoczął swoje badania w 1967 roku pomimo znacznego sprzeciwu środowiska naukowego i medycznego. W latach sześćdziesiątych XX wieku ogólny pogląd naukowy był taki, że „bezpośrednia symulacja włókien nerwu słuchowego z wynikającą z tego percepcją mowy nie jest możliwa”. Oznaczało to, że naukowiec miał bardzo mało funduszy na kluczowe eksperymenty, a kiedy na początku prac szukał pacjentów chętnych do udziału w badaniach, nikt się nie zgłaszał. – Potencjalnym chętnym mówiono: „nie spotykaj się z Clarkiem, to nie zadziała”. A potem pojawił się Rod Saunders. Człowiek, który stracił słuch w wyniku wypadku samochodowego. Gdy tylko dowiedział się, że poszukiwani są ochotnicy do wypróbowania nowego sposobu leczenia opracowanego przez profesora Clarka, pomyślał „Chciałbym znów coś usłyszeć”. Był pierwszą osobą, u której zastosowano wielokanałowy implant ślimakowy, czyli elektroniczną protezę słuchu, która dzięki bezpośredniej stymulacji elektrycznej zakończeń nerwu słuchowego zastępuje uszkodzony narząd receptorowy ślimaka.


Rod Saunders rozmawia z żoną Margaret za pomocą pierwszego procesora mowy opracowanego przez Wydział Otolaryngologii Uniwersytetu w Melbourne


Rod Saunders rozmawia z żoną Margaret za pomocą pierwszego procesora mowy opracowanego przez Wydział Otolaryngologii Uniwersytetu w Melbourne, źródło: Graeme Clark Foundation



System wszczepu ślimakowego zbudowany jest z części wewnętrznej, składającej się z odbiornika i stymulatora elektrycznego umieszczonych we wspólnej obudowie oraz wiązki elektrod, i części zewnętrznej – cyfrowego procesora mowy, który przetwarza dźwięk na bodziec elektryczny zgodnie z określonym algorytmem, zwanym strategią kodowania mowy. Przetworzony sygnał przesyłany jest za pośrednictwem fal radiowych przez skórę do implantu. Ucho bioniczne, którego pionierem był profesor Graeme Clark z Uniwersytetu w Melbourne, niezawodnie zapewnia rozumienie mowy osobom niesłyszącym i niedosłyszącym, a z ciągle udoskonalanych wszczepów ślimakowych skorzystało ok. 200 000 osób w każdym wieku w ponad 100 krajach.

Czująca ręka

Odczuwanie dotyku jest dla człowieka czymś priorytetowym, jednak nie zawsze możliwym. Jeśli nasza skóra została mechanicznie uszkodzona lub cierpimy na neuropatię obwodową (drętwienie lub mrowienie), przywrócenie odczucia biologicznego dotyku jest trudne. Podobnym wyzwaniem jest wyposażenie protez rąk w podstawową zdolność odczuwania dotyku.
Almerina Mascarello, która straciła rękę w wypadku ponad ćwierć wieku temu, ​​ze swoją nową bioniczną dłonią – pierwszą czującą dotyk – czuje się wreszcie kompletna. W testach z zawiązanymi oczami kobieta była w stanie stwierdzić, czy przedmiot, który podniosła, jest twardy, czy miękki. „Wreszcie mam poczucie, jakbym miała prawdziwą rękę, w końcu jestem w robić rzeczy, które wcześniej były trudne, takie jak ubieranie się czy zakładanie butów – wszystkie te przyziemne, ale ważne czynności” – powiedziała stacji BBC.



Bioniczna ręka czująca dotyk jest rezultatem wielu lat badań naukowców z Włoch, Szwajcarii oraz z Niemiec. Zespół pod przewodnictwem prof. Silvestro Micery z Politechniki Federalnej w Lozannie (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) opracował urządzenie, które za pomocą impulsów elektrycznych wysyłanych przez niewielkie elektrody umieszczone bezpośrednio w kikucie osoby po amputacji dostarcza w czasie rzeczywistym do mózgu informacje zwrotne dotyczące zarówno pozycji ręki, jak i tego, czego ona dotyka. Wynalazek przywraca osobom po utracie ręki zmysł dotyku i umożliwia im sięgnięcie po przedmiot na stole i sprawdzenie jego konsystencji, kształtu, położenia i rozmiaru – bez patrzenia na nie. Stosowane do tej pory protezy mioelektryczne pozwalały osobom po amputacji odzyskać jedynie kontrolę motoryczną nad sztuczną kończyną poprzez wykorzystanie siły pozostałej części mięśni, jednak brak czuciowego sprzężenia zwrotnego oznaczał, że ​​pacjenci w dużym stopniu polegali na tym, co widzą, a nie co czują w ręce. Urządzenie zostało opracowane już kilka lat wcześniej, jednak rozmiary komputera i sensorów wykluczały jego używanie poza laboratorium. Inżynierowie zmniejszyli gabaryty sprzęt,u który teraz można zapakować do plecaka i korzystać z niego w każdym miejscu. – Idziemy coraz bardziej w kierunku filmów science fiction i pokazanych tam bionicznych części ciała, takich jak ręka Luke'a Skywalkera w „Gwiezdnych wojnach” –  czująca, dająca się w pełni kontrolować proteza, identyczna z ręką człowieka – mówi prof. Silvestro Micera.

 



Bioniczna ręka, opracowana przez zespół prof. Silvestro Micery, jest pierwszą, która czuje dotyk

Bioniczna ręka, opracowana przez zespół prof. Silvestro Micery, jest pierwszą, która czuje dotyk, źródło: https://actu.epfl.ch/

Elektroniczny język w akcji

Znacznie słabej zbadany od innych zmysłów jest zmysł smaku. Ma on kilka źródeł: odczucia smakowe, węchowe i somatosensoryczne, które powstają w ustach w tym samym czasie. Zrozumienie, gdzie następuje aktywacja kory mózgowej w odpowiedzi na wrażenia, jakie mamy w czasie pysznego posiłku, jest kluczem do leczenia lub przezwyciężania patofizjologii związanej ze smakiem. Zanim poznamy precyzyjną odpowiedź na to pytanie, z dobrodziejstw elektronicznych języków możemy szeroko korzystać w przemyśle. Te nowoczesne urządzenia do automatycznej analizy i klasyfikacji próbek o złożonym składzie składają się z matrycy sensorowej, czyli zestawu wielu sensorów o zróżnicowanej selektywności, których sygnały mierzone w badanej próbce tworzą „obraz chemiczny” próbki. E-języki pozwalają odróżnić oryginalne wina od sfałszowanych, czystą wodę od takiej, w której czyhają bakterie, wirusy i grzyby, sprawdzić, czy kupowana przez nas żywność organiczna naprawdę nie zawiera pestycydów. Są używane do analizy smaku leków czy oceny momentu zbioru owoców.


Badania nad sztucznymi językami trwają już od końca lat 80. a jednym z naukowców zajmujących się tą dziedziną jest dr Emilia Witkowska Nery z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, która opracowywała w laboratorium małe urządzenia mogące służyć turystom do szybkiej analizy wody. Podobną funkcję pełni Hypertaste, czyli sterowany sztuczną inteligencją elektroniczny język opracowany przez firmę IBM, który potrafi w czasie krótszym niż minuta przeanalizować skład dowolnej cieczy. Jest to plastikowy okrąg zawierający polimerowe czujniki elektrochemiczne w formie par elektrod, przez które przepływa prąd. Zebrane dane są przekazywane do aplikacji w smartfonie, która przesyła je do serwera w chmurze, gdzie wyszkolony algorytm uczenia maszynowego porównuje zarejestrowany cyfrowy „odcisk palca” z bazą danych znanych płynów. Algorytm ustala, które z nich są najbardziej podobne pod względem chemicznym do badanej cieczy i przekazuje wynik z powrotem do aplikacji mobilnej. Elektroniczny język z logo IBM może być szczególnie przydatny naukowcom pracującym bez dostępu do laboratoriów, na przykład w Afryce.


Hypertaste to elektroniczny język opracowany przez firmę IBM. W niespełna minutę analizuje skład dowolnej cieczy, źródło: IBM

Nos w kieszeni

Ludzki nos to zdumiewający narząd z milionami wyspecjalizowanych neuronów czuciowych. Dzięki nim przeciętny dorosły jest w stanie wykryć 10 tysięcy różnych zapachów i bez problemu odróżnić świeże mleko od zepsutego lub po wejściu do domu zauważyć, że w piekarniku piecze się ciasto, a nie kaczka. Nasz nos ma znaczący wpływ na jakość życia i pomaga w wykrywaniu toksycznych gazów w środowisku, zepsutej żywności lub przywoływaniu wspomnień. Prace nad opracowywaniem urządzeń, które mogą naśladować ludzki system powonienia trwają już od lat 50. Elektroniczne nosy są używane z powodzeniem do kontroli jakości produktów w przemyśle spożywczym, rozróżniania gatunków wina czy whisky, a jako „nosy przenośne” pomagają wykrywać zanieczyszczenia powietrza i wody.
Jeszcze kilkanaście lat temu spodziewano się, że dziesięciolecia pracy naukowców w niezliczonych laboratoriach na całym świecie zaowocują tanimi i przenośnymi elektronicznymi nosami używanymi w życiu codziennym. „Wyobraź sobie mały, tani, automatyczny sniffer, który pozwala monitorować starzenie się wina w butelkach, daje znać, że opakowanie mięsa zaczyna się psuć, sprawdza czy w twojej skrzynce pocztowej nie ma bomby” – na łamach magazynu „IEEE Spectrum” w 2009 r. pisali Josephine B. Chang oraz Vivek Subramanian. Podstawki pod kufle piwa, które pełnią funkcję alkomatów czy naklejki na zderzaki monitorujące emisje spalin – to byłoby coś! W ciągu dekady mieliśmy zacząć używać e-nosów, kosztujących mniej niż dolara…Nie udało się. Wszystko wskazuje na to, że inteligentne nosy w kieszeni to wciąż kwestia przyszłości.

Bibliografia

Anita Lam, Johnny Tam, HKUST Scientists Develop World's First Spherical Artificial Eye with 3D Retina, materiały Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hongkongu, [dostęp: 18.03.2021]

How the cochlear implant (bionic ear) functions, materiały Fundacji Graeme Clarka, [dostęp: 18.03.2021]

Fergus Walsh, Woman receives bionic hand with sense of touch, serwis BBC, [dostęp: 18.03.2021]

Alexander McNamara, ‘Nerve interface’ technology allows amputees to use thought to move bionic limb [dostęp: 18.03.2021]

Josephine B. Chang, Vivek Subramanian, Electronic Noses Sniff Success, Spectrum.ieee.org, [dostęp: 18.03.2021]

Patrick Ruch, Hypertaste: An AI-assisted e-tongue for fast and portable fingerprinting of complex liquids, blog firmy IBM, [dostęp: 18.03.2021].

Karolina Duszczyk, Co z tego wyrośnie... na elektrodach, serwis PAP – Nauka w Polsce, [dostęp: 18.03.2021]


Tagi:
Ocena:
Oceń:
Komentarze (0)

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za treść komentarzy. Komentarze wyświetlane są od najnowszych.
Najnowsze aktualności




Artykuły z wydań

  • 2021
  • 2020
  • 2019
  • 2018
  • 2017
  • 2016
  • 2015
  • 2014
  • 2013
  • 2012
  • 2011
  • 2010
  • 2009
  • 2008
  • 2007
Zawartość aktualnego numeru

aktualny numer powiększ okładkę Wybrane artykuły z PC Format 3/2021
Przejdź do innych artykułów
płyta powiększ płytę
Załóż konto
Co daje konto w serwisie pcformat.pl?

Po założeniu konta otrzymujesz możliwość oceniania materiałów, uczestnictwa w życiu forum oraz komentowania artykułów i aktualności przy użyciu indywidualnego identyfikatora.

Załóż konto