Ludzkie ciało jest jednym z najwspanialszych tworów natury, kombinacją mięśni, zmysłów i organów, bezpośrednio połączonych ze sobą. Niestety, w wyniku nieszczęśliwych wypadków czy też procesu starzenia wszystkie elementy naszego organizmu ulegają zużyciu bądź zniszczeniu. Jeszcze do niedawna inwalidzi wojenni wracający do swych domów, ofiary wypadków czy chorób byli skazani na opiekę bliskich. Postęp technologiczny, a także naukowy otworzył nowy rozdział w historii, w którym praktycznie każdy uszkodzony narząd można wymienić na nowy, opracowany przez bioników, skonstruowany przez inżynierów, a wzorowany na milionach lat ewolucji człowieka. Naukowcy nie szukają nowych rozwiązań konstruktorskich dla kończyn, serca czy oka - pilnie podpatrują naturę, analizują strukturę anatomiczną człowieka i jak najwierniej starają się ją odtworzyć za pomocą materiałów biomedycznych.Bionika
Czym jest bionika i dlaczego jest tak ważna we współczesnej inżynierii? Bionika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki z pogranicza biologii i techniki; jej głównym celem jest tworzenie użytecznych technicznie modeli systemów biologicznych (wg Tkacz Ewaryst, Borys Przemysław, Bionika, Warszawa 2006, ISBN 83-204-3148-4). Ogólnie rzecz biorąc, biomimetyka (tak też nazywana jest bionika), podsuwa gotowe rozwiązania sprawdzone na drodze milionów lat ewolucji żywych organizmów. Nauka ta jest niezwykle rozległa, a jej granice wyznacza jedynie ludzka wyobraźnia. Rozwiązania biologiczne mają swoje zastosowanie w technice. Po raz pierwszy termin ?bionika? został użyty w 1960 roku na sympozjum ?Living prototypes of artificial organs? w Dayton (USA), jednak sama nauka ma bogatą historię.
Już w mitologii greckiej odnajdujemy postać Dedala, architekta i wynalazcę, ojca Ikara. Wzorując się na ptasich skrzydłach, skonstruował podobne dla siebie i swego syna. Kolejną ważną postacią był Leonardo da Vinci, który również był zafascynowany sztuką latania. Stworzył on wiele innowacyjnych jak na tamte czasy (XV-XVI wiek) wynalazków. Nieco kontrowersyjne okazały się eksperymenty innego uczonego - Ligi Galvani?ego. Jego przełomowa praca zawierała wyniki doświadczeń nad ?fluidem elektrycznym? Badał on wypreparowane żabie udka drażniąc prądem elektrycznym - w ten sposób pobudzając do skurczu. W efekcie opracował model reakcji mięśniowo-nerwowej, który po dziś dzień uważany jest za klasykę w dziedzinach elektrofizjologicznych. Ostatnią z postaci, o których chciałabym wspomnieć jest Jean Louis Marie Poiseuille. Znane jest jego prawo ruchu lepkich płynów w kapilarach, stworzone w wyniku obserwacji przepływu ludzkiej krwi w wąskich naczyniach krwionośnych.
Aby lepiej zobrazować bioniczne rozwiązania stosowane we współczesnej codzienności posłużę się kilkoma przykładami.
Architekci z całego świata prześcigają się w coraz wznioślejszych projektach. Amerykański ogród botaniczny odwzorowuje swoim zadaszeniem odwzorowuje plaster miodu, a dach stadionu olimpijskiego w Monachium jest niczym innym jak kopią pajęczyny.
Sympatycy motoryzacji też znajdą coś dla siebie. Co wspólnego ze sobą mogą mieć niewielkich rozmiarów tropikalna rybka z firmą Mercedes Benz? Otóż wprowadzono na rynek model samochodu ?Box Fish? i choć wydawać by się mogło na pierwszy rzut oka, że takie ?wielkie pudło? nie osiągnie aerodynamicznych wymagań, to okazuje się, że Natura rozmyślnie stworzyła gatunek Ostracion cubicus, a jego opływowość kształtu jest więcej niż zadawalająca.
Takich zapożyczeń z natury mamy więcej wśród zastosowań technologicznych. Wielkim powodzeniem firm tekstylnych cieszą się wyroby wykorzystujące efekt samooczyszczenia zapożyczone z kwiatów lotosu, którą można zaobserwować także u naszych rodzimych gatunków: nasturcji czy trzciny pospolitej. Odpowiednikiem malutkich wypustek znajdujących się na powierzchni lotosu w wyrobach tekstylnych są niezliczone cząstki o średnicy poniżej 100 nanometrów, a ów drobiny zatrzymują zanieczyszczenia i wodę. Minimalna powierzchnia styku w połączeniu z siłami adhezyjnymi powodują, że każda kropla ma kształt kuli, która spływa po liściu. W efekcie - czy na liściu, czy na parasolu - mamy powierzchnię idealnie czystą nie wymagającą szorowania ani mycia.
Godnym zauważenia wynalazkiem, które nie od razu się przyjał jest rzep. Wynalazł go w 1941 roku szwajcarski chemik George de Mestral, którego zaintrygowały przyczepione do sierści psa rzepy, czyli owocostany łopianu (Arctium L.). Początkowo nie znalazł się nikt, kto docenił inwencję Mistrala, do czasu, gdy NASA zastosowała to rozwiązanie w skafandrach astronautów.
Hitem ostatniego czasu jest materiał na plastry, który nie odkleja się od wilgotnych powierzchni, jest biozgodny, a w dodatku sam się rozpuszcza, dzięki czemu może być stosowany nie tylko przy zwykłych ranach, ale także przy wycięciu np. fragmentu jelita, do zasklepienia ubytku powstałego w żywej tkance. Amerykańscy nanotechnolodzy wykorzystali niezwykłe zdolności gekona, który może chodzić nawet po pionowej szybie. Dzieje się tak dzięki ogromnej ilości mikroskopijnych wypustek na stopie jaszczurki, z których każda oddziaływuje małymi siłami z podłożem. Przełożono to na sieć niezwykle małych kolumienek z mocnej, choć rozpuszczalnej gumy, ułożonych w ten sam sposób, jak wyrostki u gekona. Dodano warstwę kleju stworzonego na bazie glukozy, dzięki czemu opatrunek jest wodoodporny.
Przykładów zastosowania bioniki przez inżynierów jest wiele. W Szanghaju planuje się zbudować największy budynek świata o wysokości 1200 metrów. Taki wynik ma zostać osiągnięty dzięki rozwiązaniu, jakie natura zastosowała w budowie pnia cyprysu - koncentrycznie ułożonych wiązek i przestrzeni powierzchnych.
NASA i ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) również pokładają wielkie nadzieje w naturalne rozwiązania. Trwają prace nad skonstruowaniem nowego rodzaju wiertła i urządzenia do pobierania próbek skał, które byłyby wysyłane wraz z sondami w przestrzeń kosmiczną. Wzorcem był narząd osy - trzpiennika sosnowca (Sirex noctilio). Owad ten składając jaja posługuje się pokładełkiem - czymś w rodzaju igły stosowanej w medycynie, za pomocą którego wierci otwór w pniu. Jednak to dopiero pierwsza część urządzenia, po zrobieniu otworów w asteroidzie należy jeszcze wydobyć z niej materiał do badań. W tym momencie wykorzystano specyficzny układ łusek i włosków w kłosie jęczmienia, które umożliwiają ruch ziaren tylko w jedną stronę. Takie rozwiązanie ma wspomagać przesuwanie się pyłu i okruchów skalnych pozyskanych przez wzorowane na pokładełku wiertło. Problem napędu całego urządzenia proponują rozwiązać inspiracją mięśni poruszającymi szczękami ważek. Jest to bardzo wydajne, wymaga niewielu części i ma małe zapotrzebowanie na energię. W ten sposób poprzez połączenie osy, jęczmienia i ważki otrzymano kosmiczne wiertło.
Bioników interesują nie tylko konstrukcje wykorzystane w przyrodzie, ale także zjawiska w niej zachodzące i postępowanie żywych istot. Na podstawie analizy pelikanów lecących w kluczu wykazano, że ptaki zajmujące dalsze miejsca mniej się męczą. Zastosowano ten fakt w lotnictwie i badania potwierdziły, że przy odpowiednim ułożeniu względem siebie myśliwce zużywają o niemal jedną piątą mniej paliwa.
Innym ciekawym rozwiązaniem motoryzacyjnym są nowoczesne, bioniczne opony firmy Continental, których ogumienie naśladuje zachowanie łap kota, który przy lądowaniu lub zatrzymywaniu się rozszerza swe palce zwiększając powierzchnię styku z podłożem. W oponach bieżnik ukształtowano tak, aby podczas hamowania lepiej przylegał do drogi.
Bionika w protetyce
Gwałtowny wzrost ludzi poddanych amputacji spowodowany wojnami w tym i poprzednim stuleciu, rozwój techniki i większe nakłady finansowe spowodowały, że zaczęto szukać nowszych, nowocześniejszych protez. Co prawda daleko jeszcze do poziomu ukazywanego w filmach science-fiction, ale naukowcy z całego świata mają się już czym pochwalić na tym polu.
Sztuczne mięśnie
Układ ruchu człowieka zbudowany jest ze szkieletu i mięśni. Często w wyniku chorób dochodzi do uszkodzenia tkanki mięśniowej. W laboratoriach wytworzono już pierwsze sztuczne mięśnie. Choć na razie powstały z myślą o wykorzystaniu ich w robotyce, jest to niewątpliwie pierwszy krok ku pomocy ludziom z uszkodzonym narządem ruchu. Nowy typ sztucznych mięśni zbudowany został ze skręconych włókien węglowych nanorurek, dzięki czemu cechuje je ogromna twardość i wytrzymałość, a także lekkość (1 cm? waży zaledwie 1,5 miligrama). Ich mechanizm jest oparty o działanie naturalnych mięśni - pod wpływem prądu elektrycznego rozszerzają się (aż o 220%), cały proces trwa milisekundy, a co ważne, ich długość nie zmienia się w ogóle. Warto też zaznaczyć, że mięśnie wykorzystują aż 70% energii, która zostaje im dostarczona.
Sztuczne serce
300-400 osób rocznie w Polsce umiera z powodu braku dawcy serca. To zatrważająca statystyka, zwłaszcza, jeśli weźmie się pod uwagę, że na świecie powstało już w pełni sztuczne serce, pracujące całkowicie samodzielnie. Zostało ono wynalezione przez firmę Carmat, założoną przez grupę EADS, zajmującą się przemysłem zbrojeniowym i kosmicznym. Wyposażone zostało w układy, które powinny zareagować od razu, gdy biorca sztucznego serca będzie potrzebował szybszego przepływu krwi. Warto odpowiedzieć na pytania, dlaczego dopiero niedawno naukowcy opracowali w pełni niezależnie działające serce? Choć dziś o budowie i pracy serca wiemy niemal wszystko to odkrycie, że serce pompuje krew dokonano dopiero w XVII wieku. Gdy połączymy ten fakt z niewiarygodną pracą jaką wykonuje nasza naturalna maszyna pompująca - w ciągu życia kurczy się średnio 2,5 miliarda razy, przepompowując 100 basenów krwi, budzi się zrozumienie, że ludzkość potrzebowała wielu lat na opracowanie maszyny, którą można bez problemu przeszczepić zawałowcom czy ofiarom wypadków.
Bioniczne oko
Niewątpliwym hitem ostatnich lat, dzięki czemu jeszcze bardziej zwrócono uwagę na bionikę, jest sztuczne oko, które zostało już wszczepione 73-letniemu pacjentowi z Wielkiej Brytanii, dzięki czemu umożliwiono mu widzenie pomimo dziedzicznej choroby, która odebrała mu wzrok. Jest to wstępny etap eksperymentu na ludziach, aczkolwiek pokłada się w nim szerokie nadzieje.
Oko jest przeznaczone dla pacjentów, którzy stracili wzrok w wyniku urazu czy wypadku, ale wykształciło się u nich widzenie, bo warto zaznaczyć, że zdolność tę nabywamy i uczymy się jej, a nie jak powszechnie jest uważane - rodzimy się z nią. Jak współcześni bionicy poradzili sobie z tak skomplikowanym układem optycznym i mechanizmem przekazu impulsów świetlnych do kory wzrokowej? Oko składa się z miniaturowej kamerki umieszczonej na okularach przeciwsłonecznych, zewnętrznego odbiornika oraz matrycy z elektrodami, którą wszczepia się na siatkówkę. Obraz z kamery przekazywany jest do odbiornika, ten do elektrod, a następnie do nerwami wzrokowymi wędruje do mózgu. Jak widać nie wykorzystano tu żadnego innowacyjnego rozwiązania, odtworzono tylko (lub ?aż?) z jak największym podobieństwem mechanizm widzenia zdrowego człowieka.
Kończyny
Robotyka jest jedną z najbardziej prężnie rozwijających się dziedzin nauki, która ma ogromny wpływ na postęp bionicznych protez. Mamy już do dyspozycji świetnie skonstruowane biomanipulatory, które z dużą dokładnością naśladują ruch zdrowej kończyny. Co ważniejsze, proteza tego typu sterowana jest poprzez sygnały elektromiograficzne, za których rozpoznawanie odpowiada procesor sygnałowy, zaś do akwizycji tych sygnałów używa się elektrod powierzchniowych umieszczonych w leju protezy. Mimo skomplikowanej budowy, zasada działania jest taka sama, jak zdrowej kończyny.
Powieści Lema, filmy Paul?a Verhoeven?a (?Robocop?) czy okładki płyt współczesnych piosenkarzy nie robią już większego wrażenia. Coś, co było abstrakcją jeszcze kilkanaście lat temu, dziś staje się powoli rzeczywistością. Czy ktoś jest w stanie wyobrazić połączenie medycyny z protetyką za 20 lat? A za 50 lat?
