Вдохновленные природой: чудеса современной бионики

Что такое чудеса современной бионики — Микка Терхо знает лучше нас с вами. Ему 46 лет, почти половину из которых он работает финансовым консультантом в одной финской компании, расположенной в Хельсинки. Микка открывает глаза и смотрит перед собой. Настенные часы показывают половину пятого. Ничего примечательного, если бы не тот факт, что сегодня он впервые за 10 лет сумел взглянуть на часы и узнать, сколько времени. А в эту самую секунду крохотные датчики и микрочипы, размещенные на сетчатке его глаза, посылают электрические импульсы на зрительный нерв и передают сигнал в мозг. Нет, это не начало сюжета фантастического фильма про киборгов, а мгновение из личной истории человека, которому посчастливилось жить в эпоху развития бионических технологий – магического результата переплетения естественных и технических наук.

Людей, испытывающих те же проблемы, что и этот простой финский экономист, огромное множество. Одни теряют зрение и слух, другие рождаются с физическими дефектами или утрачивают части тела в результате несчастных случаев – так или иначе целостность и естество их организма нарушено. Однако не безвозвратно. И во многом благодаря бионике – одной из наиболее перспективных областей современной науки. Но обо всем по порядку.

Откуда растут корни бионики?

Вероятно, если бы наш финский знакомый открыл толковый словарь, завалявшийся у него на полке со времен студенчества, то напротив слова «бионический» он бы нашел такое определение: «характеристика фантастического персонажа, имеющего полностью или частично искусственное тело, ничем не отличающееся от живого человека». Действительно, бионические технологии – это новейшее явление, которое когда-то казалось лишь домыслами писателей-фантастов.

На самом деле понятие бионики появилось в 1958 году. Ввел его американский доктор, работавший в лаборатории аэрокосмических медицинских исследований при ВВС США и специализировавшийся на разработке киборгов. Собственно, сам термин «бионика» представляет собой слияние двух слов «биология» и «электроника», что как нельзя лучше отражает междисциплинарную природу этой области.

[mydoubleline]И в широком смысле бионика – это наука создания искусственных систем, обладающих характеристиками живых организмов и их частей.[/mydoubleline]

Важно понимать два принципиальных момента. Первый: бионика не связана с биоинженерией и генными технологиями. Второй аспект заключается в том, что эта научная область не ограничивается одними только разработками бионических протезов (хотя они и составляют ее основную часть), специалисты данной сферы в принципе занимаются разработками, основанными на имитации элементов живой природы. С точки зрения бионики, мышцы людей и животных можно представить, как постоянно работающие моторы, а передача нервных импульсов аналогична сигналам компьютера. Иными словами, на вооружение берется принцип «все самое продуманное и технологически совершенное уже создала природа», а человеку остается черпать из нее вдохновение и синтетически воссоздавать ее шедевры.

Claudia Mitchell — first woman to have a bionic arm — a … — #tech #technews #technology https://t.co/DcJcBW1Qu6 pic.twitter.com/DINehONJDh

— Tech Daily (@TechDailyNow) February 14, 2016

Человек-конструктор или бионические чудеса

Желание искусственно реализовывать гениальные биологические задумки, которые можно найти в окружающем мире, привело ученых к ряду важных достижений. Безусловно, на переднем плане таких разработок стоят суперсовременные протезы человеческих частей тела и органов.

Именно благодаря этому обстоятельству Микка Терхо после многолетней жизни в темноте смог увидеть, что показывают стрелки на часах, прочитать свое имя в больничной карте и различить столовые приборы и фрукты, лежащие перед ним. Финский экономист потерял зрение в результате дегенерации желтого пятна – заболевания центральной части сетчатки. Теперь имплантированный в его глаз чип выполняет функцию, утраченную в результате дистрофии глаза и всей зрительной системы. Кроме того, что датчики позволяют мозгу получать и обрабатывать визуальные образы, они также осуществляют интеллектуальную обработку изображения, автоматически улучшая его контрастность и снижая зернистость.

Можно ли при помощи бионики «собрать» полную техно-копию человеческого тела?

Помимо бионических глаз, современные ученые создают и другие искусственные органы. Например, утраченные конечности – руки и ноги, которые выполняют не только эстетическую функцию, но и соединяются со здоровыми двигательными нервами при помощи особых электродов и отвечают нервным импульсам, поступающим от здоровых и сохранившихся мышц. Так, недавно исследователи разработали прототип протеза кисти, который способен выполнять различные манипуляции с предметами и предварительно оценивать то, какие движения оптимальны при взаимодействии с теми или иными вещами. А некоторые подобные протезы могут обеспечивать даже передачу тактильных ощущений от соприкосновения с поверхностями различных предметов.

Другой популярный пример – бионические уши – уже существует на рынке медицинских технологий не первый год, и множество людей спасаются от глухоты кохлеарными имплантами. Также ведутся разработки по совершенствованию «портативных почек» — устройств, отвечающих за удаление токсинов из крови и поддержание баланса жидкости в организме человека с почечной недостаточностью.

Ряд исследовательских центров, в частности, Техасский университет и университет Сент-Эндрюса, ищут способы создать аналог человеческих мышц из синтетических полимерных гелей, которые способны сжиматься и расширяться (читай: сокращаться) под воздействием электротоков.

Бионика = шанс на жизнь?

Но, пожалуй, самое непростое – воссоздать человеческое сердце и мозг. Однако с одной проблемой ученым уже удалось справиться, ведь первое бионическое сердце было пересажено человеку еще в 2011 году. C мозгом все обстоит намного сложнее. По сути, полностью бионический мозг — есть воплощение искусственного интеллекта, успеха в создании которого сегодня стремятся достичь исследователи по всему миру.

Понимая все трудности в исполнении этой задачи, специалисты в области нейрофизиологии и биоэлектроники работают над более приземленными проектами, а именно: конструируют специальные чипы, которые могут заменить собой отдельные участки головного мозга. Например, ученым в университете Южной Калифорнии удалось создать имплант, который моделирует сложную нервную активность и помогает сохранять воспоминания. В частности, такие микрочипы, имитирующие гиппокамп, уже вживляются пациентам, перенесшим инсульт и страдающим болезнью Альцгеймера.

Невольно возникает вопрос: а можно ли при помощи бионики «собрать» полную техно-копию человеческого тела? На данный момент он остается открытым. Тем более, что по оценкам одного из признанных специалистов в этой сфере, профессора университета Бата Джулиана Винсента (Julian Vincent), на сегодняшний день переплетение биологии и искусственных технологий, с точки зрения использования потенциала, составляет всего лишь 12%.

На что еще природа вдохновляет ученых?

На самом деле бионика охватывает огромное пространство для технологических и конструкторских решений. Подобно тому, как в свое время великий Леонардо да Винчи создавал свой летательный аппарат, вдохновленный физиологической архитектурой стрекозы, современные ученые черпают идеи из живой природы, не обязательно связанные с человеческим телом.

Например, военными, путешественниками и спортсменами широко используется так называемая «умная одежда», которая изготавливается из специальной мембранной ткани, способной адаптироваться под температуру тела и условия окружающей среды. Не секрет, что механизм открытия частиц ткани во время жары и их смыкание на холоде был заимствован инженерами у сосновых шишек, чешуйки которой ведут себя аналогичным образом.

А в 2004 году исследователи из Пенсильванского университета начали подробно изучать наноструктуры крыльев синих бабочек Морфо. В результате механизм люминесценции в крыльях этих насекомых был взят за основу при создании наносенсеров для обнаружения взрывчатых веществ. А в число же наиболее известных из последних бионических разработок входят такие любопытные проекты, как: бронежилеты из сверхпрочного материала, структура которого напоминает паутину; суперклейкая лента, вдохновленная удивительными способностями гекконов прочно закрепляться на любых плоскостях и при этом свободно перемещаться; а также практически христоматийный пример бионики – самоочищающиеся и водоотталкивающие материалы, сконструированные благодаря технологии, подсмотренной у цветков лотоса.

К слову, если вы слышали о фаворитах всех профессиональных пловцов — купальных костюмах Speedo Fastskin, то вот секрет их высокого качества: ткань для купальников была разработана после подробного изучения микроструктур на поверхности кожи акулы, и по сути представляет собой синтетический ее аналог.

О взаимном влиянии человека и природы можно вести нескончаемые философские дискуссии. Но одно можно сказать точно: использование живого мира в качестве источника вдохновения для науки и технологий – куда лучший сценарий отношения людей и окружающей среды, чем нещадная эксплуатация ее ресурсов.