Биоробототехника - Biorobotics

«Биоробот» перенаправляется сюда. Для использования в качестве эвфемизма см. Ликвидаторы Чернобыля. Для использования в других целях см. Биомеханический (значения).

Биоробототехника - это междисциплинарная наука, которая объединяет области биомедицинской инженерии, кибернетики и робототехники для разработки новых технологий, которые объединяют биологию с механическими системами для разработки более эффективных коммуникаций, изменения генетической информации и создания машин, имитирующих биологические системы.[1]

Кибернетика

Кибернетика фокусируется на коммуникации и системе живых организмов и машин, которые можно применять и комбинировать с различными областями обучения, такими как биология, математика, информатика, инженерия и многое другое.[2]

Эта дисциплина подпадает под раздел биороботики из-за того, что в ней объединены области изучения биологических тел и механических систем. Изучение этих двух систем позволяет провести расширенный анализ функций и процессов каждой системы, а также взаимодействия между ними.[2]

История

Кибернетическая теория - это концепция, которая существовала веками, начиная с эпохи Платона, когда он применил этот термин для обозначения «управления людьми». Термин «кибернетика» появился в середине 1800-х годов у физика Андре-Мари Ампера.[2][3] Термин «кибернетика» был популяризирован в конце 1940-х годов для обозначения дисциплины, которая затрагивала, но была отделена от установленных дисциплин, таких как электротехника, математика и биология.[3]

Наука

Кибернетику часто неправильно понимают из-за широты охвата дисциплин. В начале 20-го века он был придуман как междисциплинарная область исследования, сочетающая в себе биологию, науку, теорию сетей и инженерию. Сегодня он охватывает все области науки с системными процессами. Цель кибернетики - анализировать системы и процессы любой системы или систем в попытке сделать их более эффективными и действенными.[2][3]

Приложения

Кибернетика используется как общий термин, поэтому приложения распространяются на все связанные с системами научные области, такие как биология, математика, информатика, инженерия, менеджмент, психология, социология, искусство и другие. Кибернетика используется в нескольких областях для открытия принципов систем, адаптации организмов, анализа информации и многого другого.[4]

Генная инженерия

Генная инженерия - это область, в которой используются достижения в области технологий для модификации биологических организмов. С помощью различных методов ученые могут изменять генетический материал микроорганизмов, растений и животных, чтобы придать им желаемые черты. Генная инженерия включена в биороботику, потому что она использует новые технологии для изменения биологии и изменения ДНК организма в интересах их самих и общества.[5][6]

История

Хотя люди изменяли генетический материал животных и растений путем искусственного отбора на протяжении тысячелетий (например, генетические мутации, которые привели к превращению теозинте в кукурузу, а из волков в собак), генная инженерия относится к преднамеренному изменению или вставке определенных генов в ДНК организма. Первый успешный случай генной инженерии произошел в 1973 году, когда Герберт Бойер и Стэнли Коэн смогли передать ген устойчивости к антибиотикам бактериям.[7][8][9]

Наука

В генной инженерии используются три основных метода: плазмидный метод, векторный метод и биолистический метод.

Плазмидный метод

Этот метод используется в основном для таких микроорганизмов, как бактерии. С помощью этого метода молекулы ДНК, называемые плазмидами, извлекаются из бактерий и помещаются в лабораторию, где рестрикционные ферменты их расщепляют. По мере того как ферменты расщепляют молекулы, у некоторых образуется шероховатость, напоминающая кромку лестницы, которая считается «липкой» и способной к повторному соединению. Эти «липкие» молекулы вставляются в другие бактерии, где они соединяются с кольцами ДНК с измененным генетическим материалом.[10]

Векторный метод

Векторный метод считается более точным, чем плазмидный метод, поскольку он включает перенос определенного гена вместо целой последовательности. В векторном методе конкретный ген из цепи ДНК выделяется с помощью рестрикционных ферментов в лаборатории и вставляется в вектор. Как только вектор принимает генетический код, он вставляется в клетку-хозяин, куда будет перенесена ДНК.[11]

Биолистический метод

Биолистический метод обычно используется для изменения генетического материала растений. Этот метод внедряет желаемую ДНК с металлической частицей, такой как золото или вольфрам, в высокоскоростной пистолет. Затем частица бомбардируется в растение. Из-за высоких скоростей и вакуума, создаваемого во время бомбардировки, частица может проникать через клеточную стенку и внедрять новую ДНК в клетку.[12]

Приложения

Генная инженерия широко применяется в медицине, исследованиях и сельском хозяйстве. В области медицины генетически модифицированные бактерии используются для производства лекарств, таких как инсулин, гормоны роста человека и вакцины. В исследованиях ученые генетически модифицируют организмы, чтобы наблюдать физические и поведенческие изменения, чтобы понять функцию конкретных генов. В сельском хозяйстве генная инженерия чрезвычайно важна, поскольку она используется фермерами для выращивания культур, устойчивых к гербицидам и насекомым, таким как BTCorn.[13][14]

Бионика

Бионика - это область медицинской инженерии и ветвь биороботики, состоящая из электрических и механических систем, имитирующих биологические системы, такие как протезы и слуховые аппараты. Это чемоданчик, сочетающий в себе биологию и электронику.

История[15]

История бионики началась еще в Древнем Египте. На ступне мумии был найден протез из дерева и кожи. Период времени существования трупа мумии оценивается примерно в пятнадцатом веке до нашей эры. Бионику можно также наблюдать в Древней Греции и Риме. Для солдат с ампутированными конечностями изготавливались протезы рук и ног. В начале 16 века французский военный хирург по имени Амбруаз Пар стал пионером в области бионики. Он был известен изготовлением различных видов верхнего и нижнего протезирования. Один из его самых известных протезов, Le Petit Lorrain, представлял собой механическую руку, управляемую защелками и пружинами. В начале 19 века Алессандро Вольта развил бионику. Своими экспериментами он заложил основу для создания слуховых аппаратов. Он обнаружил, что электрическая стимуляция может восстановить слух, вставив электрический имплантат в мешковидный нерв уха пациента. В 1945 году Национальная академия наук создала Программу по искусственным конечностям, которая была сосредоточена на улучшении протезирования, поскольку во время Второй мировой войны было большое количество солдат с ампутированными конечностями. Со времени этого создания протезные материалы, методы компьютерного дизайна и хирургические процедуры улучшились, создав современную бионику.

Наука

Протезирование[16]

Важными компонентами современного протезирования являются пилон, гнездо и система подвески. Пилон - это внутренний каркас протеза, который состоит из металлических стержней или композитов из углеродного волокна. Гнездо - это часть протеза, которая соединяет протез с отсутствующей конечностью человека. Гнездо состоит из мягкой подкладки, которая делает посадку удобной, но при этом достаточно плотной, чтобы оставаться на 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 закрепления конечности.

Работа протеза могла быть устроена по-разному. Протез может быть с питанием от тела, с внешним питанием или с миоэлектрическим питанием. Протезы с телесным питанием состоят из кабелей, прикрепленных к ремню или ремню, который помещается на функциональное плечо человека, что позволяет человеку манипулировать протезом и управлять им так, как он или она считает нужным. Протезы с внешним питанием состоят из двигателей для питания протеза и кнопок и переключателей для управления протезом. Протезирование с помощью миоэлектрического питания - это новая, продвинутая форма протезирования, при которой электроды размещаются на мышцах над конечностью. Электроды обнаруживают сокращения мышц и посылают электрические сигналы на протез для его перемещения.

Слуховые аппараты[16]

Слуховой аппарат состоит из четырех основных компонентов: микрофона, усилителя, приемника и аккумулятора. Микрофон принимает внешний звук, превращает его в электрические сигналы и отправляет эти сигналы на усилитель. Усилитель увеличивает звук и отправляет его на ресивер. Приемник преобразует электрический сигнал обратно в звук и отправляет звук в ухо. Волосковые клетки в ухе улавливают вибрации звука, преобразуют их в нервные сигналы и отправляют их в мозг, чтобы звуки могли стать связными для человека. Батарейка просто питает слуховой аппарат.

Приложения[17][18]

Кохлеарный имплант

Кохлеарные имплантаты - это слуховой аппарат для глухих. Кохлеарные имплантаты посылают электрические сигналы прямо в слуховой нерв, нерв, ответственный за звуковые сигналы, вместо того, чтобы просто посылать сигналы в ушной канал, как обычные слуховые аппараты.

Новые слуховые аппараты с костяной фиксацией (Baha)

Эти слуховые аппараты также используются людьми с тяжелой потерей слуха. Слуховые аппараты Baha прикрепляются к костям среднего уха, чтобы создавать звуковые колебания в черепе и передавать эти колебания в улитку.

Искусственная чувствительная кожа

Эта искусственно чувствительная кожа обнаруживает любое оказываемое на нее давление и предназначена для людей, которые потеряли чувство чувствительности к частям своего тела, например, диабетикам с периферической невропатией.

Бионический глаз

Бионический глаз - это биоэлектронный имплант, который восстанавливает зрение слепым людям.

Ортопедическая бионика

Ортопедическая бионика состоит из продвинутых бионических конечностей, которые используют нервно-мышечную систему человека для управления бионической конечностью.

Эндоскопическая робототехника

Эти роботы могут удалить полип во время колоноскопии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дарио, Паоло (15 июля 2005 г.). "Журнал Общества робототехники Японии". 23 (5): 552–554. Дои:10.7210 / jrsj.23.552. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ а б c d "Кибернетика", Википедия, 2020-03-29, получено 2020-04-03
  3. ^ а б c «Кибернетика - определение». www.pangaro.com. Получено 2020-04-03.
  4. ^ «Кибернетика - математическая энциклопедия». www.encyclopediaofmath.org. Получено 2020-04-03.
  5. ^ "Что такое генная инженерия?". твой геном. Получено 2020-04-03.
  6. ^ https://www.accessscience.com/content/285000
  7. ^ «От корги до кукурузы: краткий обзор долгой истории технологии ГМО». Наука в новостях. 2015-08-09. Получено 2020-04-03.
  8. ^ «История генной инженерии». Королевское общество Те Апаранги. Получено 2020-04-03.
  9. ^ "Генная инженерия". Genome.gov. Получено 2020-04-03.
  10. ^ «Методы генной инженерии». mrlloyder. Получено 2020-04-03.
  11. ^ «Методы генной инженерии».
  12. ^ «Биолистическая трансформация - обзор | Темы ScienceDirect». www.sciencedirect.com. Получено 2020-04-03.
  13. ^ «7.23B: Применение генной инженерии». Биология LibreTexts. 2017-06-06. Получено 2020-04-03.
  14. ^ «Генная инженерия | Определение, процесс и использование». Энциклопедия Британника. Получено 2020-04-03.
  15. ^ «История бионики». Бионическая медицина. 2012-12-10. Получено 2020-04-03.
  16. ^ а б «Основы слухового аппарата». Как это работает. 2007-08-23. Получено 2020-04-03.
  17. ^ «Биороботика - ЭМБС». www.embs.org. Получено 2020-04-03.
  18. ^ «Бионика: шаг в будущее». Альянс передовой биомедицинской инженерии. Получено 2020-04-03.

внешняя ссылка