Бионика

Бионици (ријеч води поријекло од: „био“- живот + „ници“- као у електроници) представљају механичке системе који функционишу као живи организми или њихови дјелови.

Понашање робота моделовано по понашању бубашваве (горе) и гуштера (средина).

Развој електронике у медицини

Медицина се вјековима ослањала на нагађања, траваре, „пуштање крви“ и сличне методе, све док Вилијам Харви није открио циркулацију крви кроз организам 1628. године. Данас се савремена медицина ослања на електронске направе при обради налаза, успостављању дијагнозе и лабораторијским испитивањима. Све до 1907. године мјерење крвног притиска и срчаног ритма ослањало се на људску процјену, са открићем нерава, мишића, срца и мозга развијени су електромагнетски уређаји за њихово мјерење. 1820. њемачки научник Јохан Швагер конструисао је склоп за појачање магнетне компоненте електричног кола и тиме направио први електрични инструмент за мјерење - галванометар на којем се темељила конструкција амперметара и волтметара. Након открића нервног импулса као основног механизма преношења информација у нервном систему појављују се инструменти са електродама. 1887. године Августус Валер је конструисао први електрокардиограм (ЕЦГ) и тиме омогућио мјерење електричног пулса људског срца. Средином XX вијека Ханс Бергер конструише први електроенцефалограф (ЕЕГ). Данас, у XI вијеку научници конструишу протезе које замјењују људске удове и оштећене дијелове тијела.

Примјена

Након оштећења или уклањања ткива и костију који сачињавају одређени дио тијела нерви и дијелови мозга који су управљали њиме настављају да функционишу. Људима који се суочавају са оваквим проблемима електроника и научници излазе у сусрет замјењујући недостатке њиховог тијела неуралним протезама односно бионицима.

У зависности од тога који је дио тијела оштећен разликује се и принцип уградње и функционисања бионичког механизма. У даљем тексту биће обрађени неки од њих.

Вид

Електроника данашњице је омогућила људима који су остали без вида усред оштећења фоторецептивних ћелија ока да га барем дјелимично поврате. Најновији модел импланта за вид садржи стотине, чак и хиљаде електрода које шаљу визуелне стимулансе очном нерву. Као што је случај и са пикселима дигиталних апарата, више електрода омогућава примање већег броја детаља. Цијели имплант се састоји од:

Видео камере која шаље слике до компјутера који се носи око струка. Компјутер конвертује видео запис у поједностављени сигнал.
Одашиљача који бежично шаље сигнал до импланта у оку.

Пријемника који шаље примљени сигнал до горе поменуте групације електрода које затим стимулишу мрежњачу и тиме омогућавају очном нерву да пренесе сигнал до мозга који опажа визуелне обрасце стимулисане електродама .

Слух

Кохлеарни импланти омогућавају људима да поврате оштећени слух. Идеја о побољшању слуха јавља се први пут у Француској 1950. године, а први мултиканални уређај се развија 1978. године а 4 године касније се и операцијом уграђује пацијентима. 2002. године ови импалнти прерастају у трећу генерацију BTE-ESPRIT 3G процесор говора са подешавањем за шапат, уграђеним телефонским калемом и цјелодневним трајањем батерије.

Они се састоје од групације електрода које премошћавају оне дијелове ушију који не функционишу и преносе електронске сигнале до слушних нерава. Цијели имплант се састоји од:

Антене која прима сигнале са микрофона у екстерном процесору говора.

Магнета који придржава спољни одашиљач који шаље сигнал до антене смјештене испод коже.

Пријемник-стимулатора који усмјерава сигнале од антене до електрода у кохлеји.

Микрофон прима звук који се затим обрађује. Сигнали долазе у предајник који их шаље до импланта гдје се претварају у електричне сигнале. Акустични таласи се пропуштају кроз филтре пропуснике опсега и филтрирани доводе до електроде која стимулише нервна влакна и сигнал се даље преноси путем слушног нерва до централног нервног система. Електроде у новим уређајима имају прилагодљив облик и превучене су слојем који омогућује примјену љекова који спречавају дегенерацију. Овај имплант омогућава фреквенцијско кодирање аналогно природном. Број електрода и њихово растојање утичу на резолуцију-већи број електрода омогућава боље кодирање па самим тим и већу количину информација коју аудиторни систем може да тумачи.

Битно је напоменути да кохлеарни имплант и слушни апарат нису исто - слушни апарат је склоп који примљени звук појачава и чини га гласнијим што није рјешење за тешка оштећења слуха док кохлеарни имплант не појачава звук већ директно стимулише нервна влакна и омогућава кориснику да чује.

Пејсмејкер

Пејсмејкер је механички уређај који стимулише рад срца и омогућује нормалне контракције срчаног мишића па се и назива енгл. pace maker (давалац ритма). Састоји се од:

Генератора пулса - запечаћена метална кутија на батеријско напајање која се уграђује испод коже.

Електродних катетера - посебни каблови за спровођење електричне струје састављени из кондуктора (којим се струје преноси од генератора пулса до срца), изолатора који штити околне структуре и електроде преко које струјни импулси утичу директно на рад срца.

Постоји више врста пејсмејкера: привремени, једнокоморни, двокоморни, програмабилни, екстерни...

Саставни дио пејсмејкера су : напајање, осцилатор, проводници и електроде. Следећа шема приказује најједноставнији пејсмејкер (први пејсмејкер, конструисан од стране Вилсона Гретбача, 1960. године и уграђен у тијело пса):

Коло даје импулсе трајања 1,8 ms, периоде 1 s. Облик сигнала на излазу (ширина импулса и интервал између импулса) не зависе од малог пада напона батерије, и коло скоро да не троши њену енергију током интервала између импулса. Излаз осцилатора се доводи на улаз склопа за увећање напона стварајући тиме импулс довољне амплитуде да доведе до контракције мишића срца.

Компликованију врсту пејсмејкера представљају екстерни пејсмејкери:

Сигнал који се преноси са електрода дијели се дјелитељем напона којег формирају R15, R16, R17, R18 и R19. Селекција осјетљивости вентрикуларног сигнала се врши преко прекидача SW1,а затим се сигнал појачава операционим појачавачем IC1 (пропусни опсег му је од 88 Hz до 100 Hz). R8 и C5 формирају филтар пропусник високих учестаности. Компаратори IC2 и IC3 провјеравају да ли појачани и филтрирани сигнал има амплитуду чија је апсолутна вриједност већа од 15 mV. Отпорници R4, R6, R9 и R11 праве дјелитељ напона за компаратор. У стању мировања излази из компаратора су у стању логичке нуле а када се пређе граница излаз из IC3 постаје логичка јединица.

Остале примјене

Осим поменутих протеза научници данас развијају моторизоване шаке, стопала, компјутеризована кољена, зглобове, склопове са електродама који омогућавају квадриплегичарима да покрећу удове, бионичку кожу која би могла у будућности да региструје температуру и додир и још много тога користећи електронику да помогну људима да и након оштећења неког од дјелова тијела наставе што нормалније да функционишу.

Литература

European Space Agency – Advanced Concepts Team Biomimetics Website
Biomimicry Institute
Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. 1997. Janine Benyus.

Biomimicry for Optimization, Control, and Automation, Springer-Verlag, London, UK, 2005, Kevin M. Passino
Ideas Stolen Right From Nature (Wired Magazine)
Bionics and Engineering: The Relevance of Biology to Engineering, presented at Society of Women Engineers Convention, Seattle, WA, 1983, Jill E. Steele
Bionics: Nature as a Model. 1993. PRO FUTURA Verlag GmbH, München, Umweltstiftung WWF Deutschland