Bioonika

Allikas: Vikipeedia

Bioonika (bio + (elektro)onika; varasemas kirjanduses biomimeetika) on bioloogia ja tehnika piiriteadus, mis uurib bioloogilisi struktuure, süsteeme ja protsesse ning neid analüüsides ja aluseks võttes püüab leida tehnikaprobleemidele lahendusi[1]. Bioonika muutus iseseisvaks teadusharuks 1960ndatel[1].

Sõna tuleneb arvatavasti sõnade bios (kreeka keeles 'elu') ning elektroonika järelliite ühendamisel. Teise võimalusena tuleb sõna tehnilisest terminist bion (vanakreeka keelest: βίος, tähendab 'elu') ning järelliitest -ic, mis tähendab 'moodi'. Sellest tuleb ka termini tähendus: 'elu moodi'[2].

Sõna ''biomimeetika'' kasutatakse rohkem keemiliste reaktsioonide puhul. Biomimeetika on interdistsiplinaarne valdkond, kus tehnika, keemia ja bioloogia põhimõtete rakendamisel kasutatakse materjalide sünteesi, sünteetiliste süsteemide või masinate funktsioone, mis jäljendavad bioloogilisi protsesse[3].

Hugh Herr demonstreerimas enda tehisjalgu TedX konverentsil aastal 2014.

Biooniliste leiutiste alla kuuluvad bioonilised silmad, bioonilised jäsemed, Intarcia insuliiniimplantaat, biooniline pankreas ja palju muud[4]. Biomimeetika professor Julian Vincent Bathi ülikooli mehaanilise inseneeria osakonnast on öelnud, et seni on bioloogia ja tehnoloogia kattuvus mehaanika kasutamise vaatenurgast kõigest 12%[5].

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Varaseim kirja pandud tehisjäse loodi 15. sajand eKr, mil muumial oli eemaldatud varvas ning asendatud nahast ja puidust tehtud proteesiga. Kõige rohkem kasutati algelisi bioonilisi jäsemeid sõdade ajal. Järgmised teated tehisjäsemete kasutamise kohta on pärit Kreeka ja Rooma sõja ajast, mil Ambroise Pare'i, prantsuse militaarkirurgi tunnustati kunstlike ala- ja ülajäsemete loomise eest. Tema mehaanilist kätt kandis prantsuse sõjakapten lahingus. Tolleaegsed tehisjäsemed tehti olemasolevatest materjalidest ehk puidust, nahast ja metallist.

1797. aastal mõistis Alessandro Volta, et kuulmise saab taastada elektrilise stimulatsiooni abil. Sellele järeldusele jõudis Volta patsiendi abiga, kes väitis, et kuuleb müra pärast ajuoperatsiooni, kui tema kuulmisnärvile anti elektriimpulss. See viis esimese implantaadi paigaldamiseni kotikesenärvi stimuleerimiseks. Tänu Volta avastusele hakkasid teadlased Dijourno ja Eyries eksperimente tegema. Nad tegid sisekõrva mähise, mis oli ühendatud elektroodiga, mis oli omakorda ühendatud oimulihasega. Seejärel võtsid nad teise mähise ning kasutasid seda mikrofoni abil genereeritud signaalide edastamiseks. Katsealune kuulis taustamüra ja suutis eraldada muutusi signaalis. See avastus tõi kaasa uute tehnoloogiliste vidinate, näiteks sisekõrva implantaadi loomise.

Kui avastati, et kuulmist saab taastada elektrilise stimulatsiooni abil, loodi mitmekanaliline sisekõrvaimplantaat. See möödub talitlushäirega sisekõrvast ning tagab infovoo edastuse aju kuulmiskeskuse kuulmisnärvidele elektrilise stimulatsiooni abil.

Samasugused avastused tehti ka bioonilise nägemise, kardiovaskulaarsete rakenduste ja palju muu kohta[6].

Tähtsad aastaarvud bioonika ajaloos[muuda | muuda lähteteksti]

  • 1945Willen J. Koff töötas välja esimese neerudialüüsimasina[7].
  • 1950Alan Turing töötas välja Turingi testi. Testi abil otsustatakse, kas arvuti suudab inimese tasemel intelligentselt käituda.
  • 1958 – Rootsis Karolinska Ülikoolis siirati inimesele esimene täielik südamestimulaator. Eksperiment ei õnnestunud, sest implantaat pidas vastu kõigest kolm tundi. Samal aastal võttis Jack E. Steele kasutusele sõna bioonika.
  • 1961Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis loodi arvuti abil juhitav käsi.
  • 1962John Charnley töötas välja suure tihedusega polüetüleeni, mida kasutati hiljem tehispuusaliigestes.
  • 1971Bausch ja Lomb töötasid välja maailma esimesed pehmed kontaktläätsed.
  • 1978 – esimest korda kasutati mitmekanalist kuuldeaparaati. See aitab katsealusel kuulda, imiteerides sisekõrva käitumist.
  • 1987Parkinsoni põdevale patsiendile siirati elektriline süvaajuimplantaat.
  • 1996 – Šoti teadlased kloonisid esimese imetaja – lammas Dolly.
  • 1997 – maailma maletšempion Garri Kasparov kaotas malearvutile Deep Blue.
  • 1999 – Sony töötas välja AIBO, esimese tehisintellektiga lemmiklooma. Lemmikloom oskas kõndida, mõistis suulisi käsklusi ja oskas neile vastata.
  • 2000 – inimese silma siirati silikoonist tehisvõrkkest. Võrkkest loodi silikoonist mikrokiipidest, mis sisaldasid tuhandeid väikseid valgust muundavaid ühikuid.
  • 2001 – Jesse Sullivanile kinnitati täielikult talitlev robotkäsi, mis loodi Chicago rehabilitatsiooni instituudis. Käel oli närvirakkude implantaat, mis lasi tal kätt mõtte jõul liigutada. [7]

Näited bioonilistest leiutistest[muuda | muuda lähteteksti]

  • Robootikas kasutatakse bioonikat ja biomimeetikat, et imiteerida loomade liikumist. BionicKangaroo põhines kängurute liikumisel ja füsioloogial[8].
  • Velcro on kõige tuntum näide biomimeetikast. 1948. aastal puhastas George de Mestral oma koera takjatest ning taipas, kuidas takjad kinnituvad karva külge[9].
  • 1935. aastal leiutas Percy Shaw kassi silmade peegeldid. Ta leidis, et kassidel oli peegeldavate rakkude süsteem tapetum lucidum, mis võib peegeldada ka väikest kogust valgust[10].
  • Leonardo da Vinci lennumasin ja -laev on varajased näited looduse ning tehnika ühendamisest[11].
  • Resilin on kummiasendus, mis loodi lülijalgsetest leitavast materjalist[12].
  • Julian Vincent töötas 2004. aastal männikäibisid uurides välja "targa" kanga, mis kohandub temperatuurimuutustele. "Ma tahtsin elutut süsteemi, mis vastaks niiskuse muutustele kuju muutmisega. Selliseid süsteeme leidub taimede seas, kuid enamik neist on väga väikesed. Männikäbi on suurim ja seega lihtsaim, mille kallal töötada." Männikäbid reageerivad suuremale niiskusele, avades käbisoomused (seemendamiseks). Tark kangas teeb sama. See avaneb, kui kandjal on soe, ning suleb selle külma korral[13].
  • Muunduvad õhusõiduki tiivad, mis muudavad kuju vastavalt kiirusele ja reisi pikkusele, töötasid 2004. aastal välja biomimeetikud Pennsylvania Osariigi Ülikoolis. Muunduvad tiivad olid inspireeritud linnutiibade kujust, kellel olid eri tiivakujud vastavalt liikumiskiirusele. Lisaks tiibade kujumuutusele ja põhistruktuurile pidid teadlased tegema pealmise kihi, mille kuju oleks samuti võimalik muuta. Nende pealmine kiht muudab kuju kaladest inspireeritud soomustena, mis saavad üksteise peale libiseda [14].

Bioonika tänapäeval[muuda | muuda lähteteksti]

3D prinditud Open Bionicsi biooniline käsi koostöös ILM XLab'iga

Firma Open Bionics on vabavaraline firma, mis loob 3D-prinditavaid käsi. 3D-printimise tõttu on nende loomine tunduvalt odavam kui enne. Kätt juhitakse müoelektriliste sensorite abil[15].

Hugh Herr, MIT biomehatroonika uurimisgrupi juht, lõi 2011. aastal firma BioniX[16]. Ta hakkas tootma bioonilisi jalgu, mis jäljendavad väga täpselt tavajäsemete liikumist. Tema loodud BioM jalg taastab musklite jõu, liigub nagu loomulik jalg ning aitab amputeeritud jäsemetega inimestel tasakaalu hoida. Hugh Herr hakkas bioonikaga tegelema pärast mägironimisõnnetust, mille tõttu amputeeriti ta mõlemad jalad[17].

Bioonika Eestis[muuda | muuda lähteteksti]

Tallinna Tehnikaülikoolis leiutas Mart Min koos inseneridest ja arstidest meeskonnaga adaptiivse südamestimulaatori (rütmuri), mis ei "tao" üht ettenähtud rütmi, vaid oskab aru saada inimorganismi seisundist − kas inimene parasjagu puhkab, magab, teeb sporti või on ärevuses. Vastavalt sellele muutub ka stimuleerimise rütm[18].

Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudis luuakse polümeeride abil pehmeid lihaseid[19].

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 TEA entsüklopeedia 4. köide, 2009.
  2. Online Etymology Dictionary. "Bionics Origin". Etymonline. Kasutatud 11.2017.
  3. "Biomimetics meaning". Kasutatud 11.2017.
  4. Dani Bancroft. "Top 10 bioonilist arendust". LabIOTech, 15.12.2015. Kasutatud 11.2017.
  5. Julian F.V Vincent. "Biomimetics: It's practice and theory". PMC, 18.04.2006. Kasutatud 11.2017.
  6. Thurston, Alan J. (2007). Pare and Prosthetics: The Early History of Artificial Limbs. Pare and Prosthetics: The Early History of Artificial Limbs: ANZ Journal of Surgery. Lk 114-119. 
  7. 7,0 7,1 Emma Lloyd. "The History of Bionics". 2008, 29.09. Kasutatud 11.2017.
  8. Festo. "Bionic Kangaroo". Festo, 2014. Kasutatud 11.2017.
  9. Jonas Salomonsen. "Best copies of Nature". ScienceNordic, 18.01.2012. Kasutatud 11.2017.
  10. BBC archives. "Cat's Eyes". Kasutatud 11.2017.
  11. "Flying Machine by Leonardo Da Vinci". Kasutatud 11.2017.
  12. John Bohannon. "Nature's Super-Rubber Made in Lab". 2005. Kasutatud 11.2017.
  13. Damir Beciri. "Pine Cones Inspire New Materials That change their shape according to Stimuli". 2013. Kasutatud 11.2017.
  14. Penn State. "Airplane Wings that Change Shape Like a Bird's Have Scales Like a Fish". 2004. Kasutatud 11.2017.
  15. Open Bionics. "Open Bionics Blog". Kasutatud 11.2017.
  16. "BionX Medical Technology Homepage". Kasutatud 2017.
  17. Autodesk. "A Bionic Man: Hugh Herr Strides Forward on Next-Generation Robotic Legs". Kasutatud 11.2017.
  18. Tallinna Tehnikaülikooli koduleht. "Arukas Südamestimulaator". Kasutatud 11.2017.
  19. "Ionic Polymer Metal Composites (IPMC) modelling and control". Kasutatud 11.2017.