Вече се среща все по-често един термин – бионика, това е „прилагането на методи и системи, открити в природата в изучаването и проектирането на инженерни системи и модерни технологии“. Думата е кратката форма на биомеханика, което произлиза от гръцката дума „биос“ – означаваща живот и думата механика.

Биониката е тясно свързана с много науки – биология, физика, химия, кибернетика и инженерни науки – електроника, навигация, комуникации, морски бизнес и т.н. Затова тя се развива в няколко направления: архитектурно-строителна бионика, бионика в медицината, „икономическа бионика“ – консултанти и учени все по-често взимат идеи от природата управленски методи, които могат да бъдат полезни именно в условията на икономическа криза. Но най-забележителен е прогреса на биониката в медицината.

Електрическата джаджа на Майкъл МакАлпайн не изглежда като нещо, което бихте пъхнали в устата си. Примесена е със злато, има извита антена и е залепено към плътен правоъгълник. Но антената е подвижна, а правоъгълника е всъщност коприна, която се топи във вода. А ако залепите устройството на вашия зъб, то може да ви пази здрави.

Мъничката електроника е предназначена да засича опасни бактерии и да изпраща предупредителни сигнали към собственика си, уведомявайки го за микроби, промъкващи се в устата му. С размера на пощенска марка, зъбното устройство все още е твърде голямо за да се побере удобно в човешката уста. „Трябваше да използваме зъб от крава.“, казва МакАлпайн, описвайки тестовите експерименти. Но неговия екип възнамерява да смали самото устройство до такива размери, че да може спокойно да се настани по човешкия емайл. МакАлпайн е убеден, че един ден, вероятно от пет до десет години напред, всеки ще носи някакъв тип електрическо устройство.

МакАлпайн е от нарастващата бройка на технологично знаещите учени, които измислят как да слеят твърдите, трошливи материали на конвенционалната електроника с меките, извити повърхности на човешките тъкани. Тяхната цел: да създадат продукти които имат високия резултат на силиконовите лепенки – кристалния материал използван в компютърните чипове – докато са подвижни вътре в тялото. Освен засичането на бактерии за да спре развитието на потенциални болести преди те да започнат, тези устройства могат удобно да наблюдават жизнените функции на човек и да дават лечебни процедури.

За разлика от филмовия киборг на Арнолд Шварценегер, който принудително свързва плът и кръв с механична основа, сегашните изследователи се фокусират върху пригаждането на електрониката към човешката форма. Една група, ръководена от Джон Роджърс от университета в Илиноис, е създала плоски електронни „временни татуировки“ които се прилепват към кожата. Това лято, учените са изобретили електронен ръкав за пръст, който разпознава движение и докосване. Сега, подобна технология може да обгърне сърцето като в прегръдка. Такова приспособление ще може да усеща нестабилните пулсове и да вкара  спазматичен орган обратно в ритъм. Други изобретения, присадени в мозъка, могат да пращат микрошокове за да пропъдят епилептичен припадък.

В последните две години, друг екип, ръководен от Женан Бао от университета в Станфорд работи по създаването на еластични, изкуствени кожи от гума и въглеродни нанотръби. Кожите ще се усещат като реални, ще имат усещане за докосване, електронно отчитащи промени в резултат на опъване или натиск от разтегляне или ощипване.

Накратко казано, влагането на електроники върху (и вътре в) човешките тела за всекидневно използване е близо.

Силиконовите лепенки не стават за правенето на кожна електроника. „От гледна точка на механиката,“ казва Роджърс, „те са като стъклена чиния.“ Когато тялото се огъне, то се чупи.

Обикновенния компютърен чип има метални жици които провеждат ток по протежение на твърда силиконова основа. Компонентите гравирани в основата контролират потока. Екипът на Роджърс работи с чувствителния силикон за да го направи подвижен и разтягащ се достатъчно, за да бъде на върха на кожата. Чрез създаването на ултратънки силиконови нишки вместо вкарването им в силиконов блок, учените са създали части които се огъват без да се чупят. Замислете се как може да огънете лист хартия, но не и дървена дъска, казва Роджърс. Тънкостта на хартията правят това възможно.

В епидермалните електронни устройства, въртящи се силиконови ленти се вият напряко на гумени поддържащи плоскости. Завъртулките се съединяват със злато за да сформират сензорите на устройствата – за засичането на температура, натиск или опъване – и се съединяват в ел. верига която се свива и опъва заедно с плоскостта на която е прикрепена.

Някой ден, един такъв тънък стикер, може да бъде използван да следи здравето на човек. Ще бъде достатъчно нежен и дори за неродени бебета. Електронната джаджа може да намери приложение и в немедицински области: тайни агенти с електронен стикер скрит под яката на ризата могат да записват и изпращат разговори, допълнителен таен начин за „носене на жица“.

И докато любителите на технологии очакват устройството да направи дебюта си по-късно тази година, Роджърс и сътрудниците му се придвижват отвъд плоската електроника в третото измерение. През Август те докладват за изобретяването на електронен „пръст-тръба“ – моделирана полимерна обвивка с вградени сензорни дискчета от силикон и злато. За достатъчно удобна форма, екипът на Роджърс използва 3-Д скенер да начертае формата на пръст. Той предвижда, че разтягащите се тръбички един ден ще са на върха на „умни“ хирургически ръкавици, да усилят усещането на натиск за деликатни операции.

Роджърс също така се обединява с други изследователи да приложи новата технология към по-големи човешки части – като сърцето.

Когато хирурзи от Сейнт Луис извадят отслабващо сърце от пациент донор, биомедицинския инженер Игор Ефимов и неговите колеги са сред първите които са уведомени. Те се възползват от последните моменти на сърцето, за да тестват прототипи на сърдечна технология, която един ден може да има силата да лекува.

Ефимов и екипа му са се обединили с групата на Роджърс за да построят устройството, което се приплъзва покрай сърцето и използва нискоенергиен метод за да предизвика нежно спазматични трептения. Нервните вълнения наречени предсърдни разклонения засягат милиони хора по света и увеличават риска от сърдечен удар.

Безопасен, надежден дефибрилатор съществува, но е обемист, с твърди електроди и жици, които евентуално се износват, дават на късо или протичат. Нещо повече, „никой не иска да го използва понеже е твърде болезнено.“ отговаря Ефимов. Дефибрилаторът използва толкова енергия, за да стартира наново сърцето, че пациентите го описват като ритник на магаре в гърдите. Метода на неговия екип е като любовна ласка; без болка е. Вътре в „сърдечния чорап“ са приложени сензори които наблюдават активността по повърхността и стимулатори които прилагат малки шокове когато има нужда. И понеже устройството е леко и нежно, то може да надживее днешната несръчна сърдечна апаратура.

Напоследък, Ефимов и колегите му са започнали тестването на прототипи върху дарени човешки сърца. Партньорството между Еврейската болница Барнес и лабораторията на Ефимов в университета Вашингтон, двете намиращи се взаимно в Сейнт Луис, предоставя болни сърца от пациенти на учените. Когато на пациентите им бъдат трансплантирани нови сърца, изследователите започват работа по старите.

След като сърцето е извадено от тялото и разкачено от кръвното си захранване, изследователите имат малко време преди то да спре напълно. Те го доставят в лабораторията и извършват експериментите си, полагайки парчета от прототипен сърдечен „чорап“ материал на органа, за да измерят електрическата активност и други свойства.

Ефимов също така е стимулирал заешки сърца със по-завършена версия на чорапчето и планира да го изпробва на сърцата на живи кучета – най-добрия животински модел за човешко пресърдечно фибрилиране според Ефимов.

Въпреки че Ефимов се фокусира върху сърдечната терапия, има идеи за други приложения на технологията. Учените биха могли да използват подобни устройства на мускули или кости, смята той, или да се свърже човешкия мозък към Интернет.

Мозък, който да браузва Мрежата, звучи като научна фантастика, но учените вече пресмятат как да имплантират плоски чипове в човешкия мозък, за да прихващат нервните сигнали и да ги превръщат в действия.

Но вкарване насила на електроника върху меката и течна повърхност на мозъка е деликатна и сложна задача. Устройството трябва физически да докосва кората и да е достатъчно стабилно, че хирурзите да го подминават при малки операции в черепа. Една от най-добрите сегашни технологии се включва в нервната дейност чрез забождането на остри игли в мозъка, където се свързват части от мозъчни клетки. Иглите са монтирани на твърд силиконов чип.

Дори да е лесно за използване, днешния подход дразни тъканта и може да причини дълготрайно възпаление. Ниско профилни устройства, които вместо това потъват в процепите на мозъка и работят с неговите микродвижения – изпъквания, свивания или пулсирания – могат да бъдат по-малко травмиращи и по дълготрайни. Ако учените знаеха как да работят с тях.

„Не можем да държим или манипулираме устройството много добре, точно защото е толкова тънко и гъвкаво, че не се самоподдържа.“ казва Роджърс. „Тогава как да го движим?“

Един от отговорите е коприната. Също като със сензора на МакАлпайн, тънки слоеве от коприна могат да помогнат на учените да имат контрол над гъвката технология. Понеже слоевете са твърди и неподвижни когато са сухи, учените могат да добавят пласт от верижки и лесно да маневрират слоевете през дупки в черепа и да прикрепят върху мозъка. Потопени в течност, слоят се разтваря и жичките се настаняват уютно срещу гънките на мозъка. Понеже коприната не дразни тялото, остатъците от слоя могат да се промият в черепните кухини.

„Tялото има много нисък имунен отговор към него.“ казва биомедицинския инженер Фиоренцо Оменетто. За да направят слоевете, Оменетто и екипа му в университета Тъфтс в Медфорд, Мазачусетс преработват коприната в нейните основни протеинови съставки. Първо, те надробяват пашкули на копринени буби и после сваряват частиците в солен разтвор за да разложат фибрите. „Като правенето на паста е.“ казва Оменетто. В края на целия процес, това което остава е смес от вода и фибри – подвижен копринен протеин който учените могат да направят в каквато си форма искат, дори като тънки листове.

През 2010, Роджърс, Оменетто и колеги тестват копринено свързано електронно устройство върху котешки мозък. Те поставили копринено обвити жици на виждащата се част от кората на упоена котка и са наблюдавали мозъчната активност. В сравнение с дебелите устройства, тази верига се свързала по-близо до мозъка и записала по-силни сигнали. В хората, такива устройства ще могат да контролират изкуствени ръце, да следят мозъчната активност или да потискат пристъпите в епилептичните пациенти.

Вместо да се опитват да правят традиционната електроника гъвкава, Бао и колеги от Станфорд се мъчат да постигнат обратната цел: искат да направят гъвкавите материали електронни. Чрез полагането на тънки слоеве с въглеродни нанонишки, Бао и нейните колеги са разбрали как да направят изкуствена кожа, реагираща на допир – без твърди части.

Днешните ултрачувствителни разтягащи се сензори се правят в тънък слой от силикон. Натиск върху слоя променя количеството на електричество, преминаващо през него, позволявайки натиска да бъде измерен. Устройствата са много чувствителни, казва Бао, но и много чупливи.

През 2010 година, екипът на Бао успял да направи усещаща система, която работи малко по-различно чрез вмъкването на пласт от микроструктурирана гума между две електрически заредени метални решетки. Когато се приложи натиск върху решетките, заряда се променя. Схемата на дупките издълбани в гумата, увеличили неговата чувствителност: Дори докосването на пеперуда променяло заряда, съобщили Бао и колеги в „Природни материали“.

Разбира се, метала се чупи, когато се огъва. Затова последната година, учените разбрали как могат да предадат на „сандвича“, малко по-голяма гъвкавост.

Те заместили металните решетки със въглеродни нанонишки, които могат да понесат голямо огъване и въпреки това да дадат заряд. В тази версия, средата на сандвича е плосък гумен слой, който не е толкова чувствителен, но комбинирането на технологиите и прилагането им върху друг материал, би могло да спомогне за получаването на чувствителна, разтягаща се изкуствена кожа.

Един ден такава кожа може да покрива части от истинска плът, повредени от изгаряния например. „След двадесет години,“ казва Бао, „Определено виждам някакъв гъвкав сензорен лист, който ще изглежда като човешката кожа и ще може да се присажда на наранени места и да действа като истинска.“

В много отношения, изкуствената кожа на Бао е като истинската. Но все още има една голяма пречка: нуждае се от кабели за да изпраща сигналите си към компютър. Ако някога кожата бъде приложена в протези, ще се нуждае да предава сигналите си безжично на мозъка на пациента. „В крайна степен, искаме сензорите да общуват директно с невроните.“ казва Бао.

Интересното е, че тази наука се развива и в България, в Института по механика на Българската академия на науките, с ръководител проф. д-р Надя Младенова Антонова. Изследванията на този колектив включват управление на движенията и технически средства за рехабилитация на хората с двигателни нарушения; биореология и биомеханика на среди и процеси (теоретично и експериментално изследване на механичните и електрическите свойства на кръвта и нейните формени елементи). Част от тези изследвания се финансират от европейски проекти.

Всички получени резултати от учените разширяват фундаменталните знания за биомеханичните процеси в живите системи при нормални и екстремни условия на макро-, микро- и нано-равнище. Представете си свят, в който муха каца на изкуствената кожа на човешка ръка, задействайки електронно устройство в мозъка, който казва на човека да пропъди мухата с перване от суперчувствителен пръст. В днешно време, учените се суетят около направата на парчета електроника, която може да бъде интегрирана в тялото. Някой ден, те ще могат да свържат парчетата заедно и да ги накарат да общуват заедно в едно истинско бионично цяло.
Автор: Деян Тотев