Naučnici iskoristili 3D štampanje kako bi napravili prvo veštačko uvo

Naučnici su iskoristili tehnologiju 3D štampanja kako bi napravili prvo veštalko uvo, sposobno da prima radio talase.

Naučnici su iskoristili tehnologiju 3D štampanja kako bi napravili prvo veštalko uvo, sposobno da prima radio talase.

Primarni cilj istraživača je bio da se istraže efikasna i promenljiva sredstva kod spajanja elektronike i tkiva. Naučnici su koristili 3D štampanje ćelija i nanodelova, praćeno ćelijskim razvijanjem, kako bi razvili malu kolutastu antenu sa hrskavicom. I tako je nastalo veštačko uvo.

“Generalno, postoje mehaničke i toplotne prepreke kada spajate električne materijale sa biološkim”, izjavio je Majkl Mekalpin (Michael McAlpine), asistent za mehaničko i aero-kosmičko inženjerstvo na Prinston univerzitetu. “Prethodno, naučnici su predložili pojedine strategije da se sašiju elektronički delovi kako bi spajanje bilo manje čudno. To se obično dešava između 2D ploče elektroničkih delova i podloge od tkiva. Ipak, naš posao je zahtevao drugačiji pristup – da napravimo i razvijemo biologiju zajedno sa elektronikom sinergetski i u 3D preplitajućem formatu”.

Mekalpinov tim je napravio nekoliko podstreka, prethodnih godina istraživanja, spajanjem malih senzora i antena. Prošle godine, istraživanje vođeno Mekalpinom i Naven Vermom (Naveen Verma), asistentom za elektroinženjerstvo, uz pomoć Fio Omeneta (Fio Omenetto) sa Tufts univerziteta, rezultiralo je razvojem tetovaže napravljene od bioloških senzora i antene koji se mogu prikačiti na površinu zuba. Ovaj projekat je njihov prvi napor da naprave potpuno funkcionalan organ koji ne samo da replikuje ljudske sposobnosti, već ih unapređuje koristeći ugrađenu elektroniku.

Tetovaža napravljena od bioloških senzora i antena koja se stavlja na zub. Delo naučnika sa Tufts univerziteta.

Tetovaža napravljena od bioloških senzora i antena koja se stavlja na zub. Delo naučnika sa Tufts univerziteta.

“Dizajn i implementacija bioloških organa i uređaja koji unapređuju ljudske sposobnosti, poznati kao cybernetics, deo su nauke koja sve više privlači pažnju naučnicima”, istraživači su napisali u članku koji se pojavljuje u školskom časopisu Nano Letters. “Ovo područije ima potencijal da generiše kastumizirane replike delova za ljudsko telo, ili čak da napravi organe koji imaju sposobnost izvan ljudskih mogućnosti”. Standardna istraživanja tkiva uključuju “sejanje” ljudskih ćelija, kao što su ćelije koje formiraju ušnu hrskavicu, i posle izgradnju polimerskog materijala koji se zove hidrogel. Međutim, naučnici tvrde da ova tehnika ima problema kod zamenjivanja komplikovanih trodimenzionalnih bioloških struktura. “Rekonstrukcija uveta ostaje jedan od najproblematičnijih plastičnih operacija”, izjavili su. Kako bi se rešio problem, tim se okrenuo proizvodnji, tačnije 3D štampanju. Ovi štampači koriste kompjuterizovan dizajn kako bi zamislili objekte od nizova tankih kriški. Štampač onda skladišti naslage različitih materijala, počev od plastičnih ćelija, kako bi napravio finalni proizvod. Predlagački kažu da ovakva proizvodnja obećava pravu revoluciju domaće industrije, dopuštajući malim timovima ili pojedincima, da naprave proizvod za koji bi prethodne bile neophodne čitave fabrike.

Praveći organe uz pomoć 3D štampača je skori napredak. Nekoliko grupa izjavilo je da su koristili ovakvu tehnologiju za sličnu upotrebu u proteklih par meseci. Ali ovo je prvi put da su naučnici demonstrirali da je 3D tehnologija pogodna strategija za mešanje tkiva i elektronike. Tehnika je omogućila naučnicima da pomešaju električnu antenu sa tkivom unutar veoma kompleksno građenog ljudskog uveta. Oni su prvo upotrebili 3D štampač da kombinuju kalup od hidrogela i kožnih ćelija zajedno sa srebrnim nanodelovima antene. Kožne ćelije su se kasnije razvile u hrskavicu.

3D štampač koji se koristi za izradu gotovih proizvoda.

3D štampač koji se koristi za izradu gotovih proizvoda.

Manu Manor (Manu Mannoor), diplomirani student u Mekalpinoj laboratoriji, rekao je da ovakav vid proizvodnje otvara vrata novim načinima da mislimo o integraciji električnih delova i biloških tkiva, i otvara mogućnost da napravimo pravi biološki organ koji će funkcionisati. On je dodao da je moguće integrisati senzore različitih bioloških tkiva kako bi se, na primer, pratio napon u pacijentovom menikusu. Dejvid Garsias (David Garcias), profesor kod Johns Hopkins univerziteta, izjavio je da premošćavanje jaza između biologije i elektronike, predstavlja znatan izazov koji moramo savladati kako bismo omogućili stvaranje pametnih proteza i implanata. “Biološke strukture su mekane I gnjecav, napravljene većinom od vode i organskih molekula, dok konvencionalni električni delovi su teški i suvi, napravljeni većinom od metala, poluprovodnika i neorganskih delova. Razlike u fizičkom i hemijskom sastavu ove dve vrste materijala ne bi mogle biti izraženije”, dodao je.

Gotovo uvo napravljeno je od navojne antene unutar hrskavične strukture. Dve žice, vode se od baze uveta i navijaju oko spiralnog puža (kohlea) – dela uveta koji ima ulogu da prepozna zvuk, koji može da se spoji sa elektrodama. Iako Mekalpin upozorava da bi trebalo proširiti testiranje pre nego što se tehnologija iskoristi na pacijentu, Garsias kaže da ovaj proizvod u principu može odmah da se iskoristi za zamenu ili unapređenje ljudskog sluha. On je dodao da električni signali proizvedeni od strane uveta mogu da se spoje sa pacijentovim nervnim završetcima. Trenutni sistem prima radio talase, ali on je rekao da istraživački tim planira da doda i druge materijale, kao na primer električne senzore osetljive na pritisak, koji bi omogućili uvetu da registruje akustične zvukove.

Pored Mekalpina, Verma, Manora i Garcijasa, istraživački tim je obuhvatao i: Vinstona Sobahejo (Winston Sobayejo), profesora na mehaničkom i aero-kosmičkom inženjerstvu na Prinstonu, Karen Malatesta, studenta molekularne biologije na Prinstonu, Jong Lin Konga (Yong Lin Kong), diplomiranog studenta na mehaničkom i aero-kosmičkom inđenjerstvu na Prinstonu i Tinu James (Teena James), diplomirani student na hemijskom i biomolekularnom inženjerstvu na John Hopkins.

Tim je takođe imao i Ziven Jianga (Ziwen Jiang), srednjoškolca iz Pedi škole u Hajctaunu (Peddie School in Hightstown), koji je bio deo naprednog programa za mlade istraživače Mekalpine laboratorije.
Ziven Jiang je jedan od najspektakularnijih srednjoškolaca koga sam ikada video”, izjavio je Mekalpin. “Ovaj projekat ne bismo uspeli da završimo da nije bilo njega, naročito njegovog znanja u CAD dizajniranju biološkog uveta”.

Video: Ogledalo prikazuje životinjsku glavu koja oponaša vaše izraze lica

Mala priča o relativnosti realnosti.

Uzmete ogledalo,  iskoristite softver za 3D crtanje i dobićete, po nekima, zanimljiv rezultat, ali mislim da će se svi složiti da je pomalo jeziv.

Umetnik iz Nju Jorka (New York) Karolina Sobecka zove ceo sistem „All the Universe is Full of the Lives of Perfect Creatures“ (Ceo univerzum je ispunjen životima savršenih bića) i napravljen je sa namerom da se postavi pitanje o samosvesti, empatiji i ne verbalnoj komunikaciji.Da bi postigla prikazani efekat iskoristila je programsku biblioteku (za programski jezik C/C++) FaceTracker (u slobodnom prevodu – pratilac lica), i aplikacije Unity3d i Blender3d. Postoje aplikacije koje menjaju izgled lica, pretvarajući ga u neko drugo ljudsko lice, ali OVO predstavlja korak dalje u manipulaciji pokretne slike.

Svaki put kada se nađete ispred ogledala, dočekaće vas neka druga životinja u ogledalu. Tačnije, nju ćete videti umesto svog odraza. Dokle god stojite ispred tog ogledala, izrazi lica „životinje“ će imitirati vaše izraze na licu. Svaki potez koji napravite, lik u ogledalu će to ispratiti na najbolji mogući način: ako napravite iskorak unazad, uši vuka će se oboriti, ako iskrivite donju usnu, vuk će vam prikazati zube, ako se nasmejte, može se desiti da vam se u odrazu nađe vrlo, vrlo, vrlo zao osmeh jedne koze. Dokle god stojite i gledate direktno u ogledalo, videćete neku od životinja, ali posmatrač koji to gleda sa strane, može  jasno razlikovati vaš odraz i virtualni odraz životinje, kao na slici.

 „Životinjski lik u ogledalu se pretvara u tajnovitu verziju posmatrača, terajući nas da pratimo proces percepcije, interakcije i odnosa sa drugima na nov način.“ Sobecka objašnjava.

Da li vas ovaj mali eksperiment tera da vidite svet drugačije!?

Neka ogledala deluju malo lepše, ali je na vama da prosudite da li ste spremni za njih…

ili

Mala vibracija za bolji osećaj

Za sledeću priču važi poznata izreka:

„Sitnica koja život znači.“

Istraživači sa tehnološkog instituta u Džordžiji (Georgia) su razvili rukavicu sa dodatkom koji omogućava da njen nosilac ima poboljšan osećaj dodira. Prema njihovom istraživanju i radu, primenom male vibracije na samom vrhu prsta ruke, poboljšavaju se osetljivost dodira i motoričke sposobnosti.

Jedno od prethodnih istraživanja je pokazalo da dodavanje belog šuma – koncept koji se zove stokastička rezonanca – može poboljšati vid, sluh, kontrolu ravnoteže i dodir. Međutim, i ako uspešno definisan i proveren, do sada, nije primenjen na bilo koji uređaj, tačnije, ovo poboljšanje nije iskorišćeno u praktične svrhe. Istraživači iz pomenute laboratorije veruju da prvi prototip koji koristi koncept stokastičke rezonance, zakačen na vrh prsta, poboljšava osećaj dodira.

Šinohara i Ueda sa svojim uređajem prilikom testa na jedinstven dodir. Izvor: http://gtresearchnews.gatech.edu/

„Ovaj ili sličan uređaj može jednog dana biti iskorišćen da pomogne pojedincima čiji posao traži veliku preciznost u manuelnom radu ili onima sa medicinskim stanjem koje smanjuje njihovo čulo dodira.“, kaže Džim Ueda (Jim Ueda), profesor pri Džorž V. Vodruf (George W. Woodruff) školi mehaničkog inženjerstva pri laboratoriji u Džordžiji.

Ueda je radio sa Minoru Šinoharom (Minora Shinohara), takođe profesorom, pri školi primenjene fiziologije u sastavu iste laboratorije i sa Juiči Kuritom (Yuichi Kurita), gostujućim naučnikom, na projektovanju samog uređaja i testiranja njegovih mogućnosti, na malo grupi zdravih pojedinaca.

Specifikacije uređaja i rezultati testova su prikazani maja meseca 2011. godine na Internacionalnoj IEEE konferenciji robotike i automatike u Šangaju.

Uređaj koristi jedan pobuđivač napravljen od velikog broja slojeva olova, oksida cirkonijuma i titanijuma, sve sa ciljem da se generišu vibracije visoke frekvencije. Keramički slojevi su pijezoelektrci, što znači da oni proizvode električni napon kada se na njih primeni mehanička sila. Sam pobuđivač je postavljen sa strane vrha prsta, tako da donja strana šake bude slobodna i da nosilac uređaja (u ovom slučaju rukavice) može manipulisati objektima neometano.

Za ovo istraživanje, istraživači su odabrali 10 zdravih dobrovoljaca i od njih tražili da iskoriste uređaj tokom različitih testova: razlikovanje površina (tekstura) na dodir, test razlikovanja dodira dve tačke, dodir u jednoj tački i test hvatanja. Sve ukupno, rezultati eksperimenta su pokazali da su dobrovoljci pokazali, statistički gledano, bolju manipulaciju i reakciju tokom primene mehaničke vibracije.

Rukavica i plastična test tabla korišćena prilikom testiranja. Izvor: http://gtresearchnews.gatech.edu/

„Svi rezultati su pokazali da je neka mehanička vibracija bolja, nego da je uopšte nema, ali nivo vibracije koja donosi željeno poboljšanje varira od testa do testa.“ primećuje Ueda.

Prilikom svakog testa, uređaj je bio zakačen na ne dominanti kažiprst (kažiprst ruke kojom ne pišemo) pušteno je 6 slučajnih, različitih vibracija. Njihov opseg je varirao od 0 do 150% praga osetljivost dodira te osobe, vrednost koja je određena prethodnim testovima. Prag osetljivosti je vrednost amplitude vibracije koja je potrebna da pojedinac oseti vibraciju.

Prilikom testa, gde je ispitanik trebao da razlikuje dve tače dodira, dva vrlo tanka i oštra vrha su prislonjena na vrh njegovog prsta. On je, tom prilikom, trebao da prijavi koliko jasno razlikuje ta dva mesta dodira, ili da li oseća dva ili samo jedna dodir. Pokazalo se, za sve ispitanike, da su vibracije od 75 do 100% praga osetljivosti omogućavale da naprave razliku između dva dodira koji su bili bliži jedan drugom, nego kada nije bilo vibracije.

Prilikom testiranja na jedinstveni dodir, uz svaki prst je bio prislonjeno vlakno. Zadatak svakog dobrovoljca je bio da prijavi da li mogu primetiti vlakna različite debljine, samo na osnovu dodira. Pokazalo se da su mogli da osete tanja vlakna kada su bili pod uticajem vibracija koje su imale vrednost sve do njihovog praga osetljivosti.

U trećem eksperimentu, parčići papira za glačanje (šmirgl-papir) sa različitim nivoom hrapavosti su bili zalepljeni na jednu stranu plastične table. Istraživači su, zatim, po slučajnom izboru, uzeli neki od papirića i zalepili na drugu stranu – koju dobrovoljci nisu mogli da vide. Zadatak je bio da se prvo dodirne papir koji se nalazio sam sa jedne strane, da bi se na osnovu dodira otkrio isti taj papir u grupaciji sa druge strane table. Pri vibracijama od 50 do 100% praga osetljivosti, ispitanici su bili 15% precizniji u određivanju odgovarajućeg papira, nego kada nisu bili pod uticajem vibracija.

Prilikom testa hvatanja, svaki od dobrovoljaca je trebao da uhvati objekat i da ga drži 3 sekunde sa taman dovoljnom snagom da im ne ispadne. Statistički gledano, primećena su značajna poboljšanja u izvršavanju ovog zadatka, u slučajevima kada su vibracije imale vrednosti od 50, 100 i 125% praga osetljivosti.

Očigledno, sva 4 taktilna testa su potvrdila da primena određenog nivoa mehaničke vibracije poboljšava osetljivost dodira na vrhu prsta. S druge strane, kako vrednosti vibracija koje daju statističko poboljšanje variraju, istraživači trenutno sprovode eksperiment koji bi odredio optimalne amplitude i frekvencije vibracija i efekte dugoročnoj izloženosti samim vibracijama. Sem toga, sprovode rad na optimizaciji dizajna samog uređaja (rukavice) i testiraju efekte kada je pobuđivač prikačen na sam vrh prsta i na nokat.

„U budućnosti, ovo istraživanje može dovesti do razvoja novih ortopedskih pomagala koje će pomoći ljudima sa oštećenjima perifernog nervnog sistema i da im na taj način omogući da nastave svoje normalne aktivnosti“, tvrdi Ueda.

Ueda i prikaz opreme koja je koršćena prilikom sprovođenja testova. Izvor: http://gtresearchnews.gatech.edu/

Revolucionarana veštačka ruka uskoro dostupna?

Priča koja sledi je, ustvari, uvid u to, koliko brzo naučna istraživanja dolaze do izražaja u našem svakodnevnom životu.

Rat je grozna stvar, ali kada se jednom završi, njegove posledice su dugo osećaju. Ovo pogotovo važi za veterane raznih sukoba u skoroj istoriji, a država koja ima sasvim dosta iskustva u tome je Amerika.

Puno veterna iz ratova koje je vodila ova država (a ima ih) se vraća kući, sa razno raznim posledicama, ali jedna od najgorih je trajni neodstatak ruke ili noge, a može biti i gore. Država, u svom pokušaju da pomogne tim ljudima, mnogo toga čini, ali na kraju svega, nedostatak ruke se teško može zameniti… sem, možda, drugom rukom.

Imajući to u vidu, DARPA, čiju osnovnu ulogu ovde nećemo posebno komentarisati, je februara meseca ove godine prikazala javnosti najnovije tehnološko čudo iz domena robotike.

Istraživači ove agencije su prikazali najnoviju mehaničku ruku, čiji cilj je da zameni nepostojeću pravu, kod ljudi sa trajnim invaliditetom. Na prezentaciji za novinare ruka je delovala „skoro prirodno“, a ono što je još važnije, planira se da njena kontrola bude prepuštena mozgu pacijenta koji je nosi, i to sve zahavaljući čipu koji će biti postavljen u sam mozak.

Celu prezantaciju je najavila agenicja FDA (Food and Drug Administration). Ova vladina ustnova ustvari predstavlja drugi deo priče, ali vratimo se, na kratko, na ruku i njenu posebnost.

Ono što ovu ruku čini posebnom jeste visok nivo preciznosti i tokom prezentacije, ruka je podigla spajalicu sa stola koristeći, pri tome, klješta. Konačno smo blizu supstituciji koja je dovoljno dobra, koja će nekim ljudima omogućiti da konačno normalno žive bez obzira na postojeći nedostatak.

Naravno, ova mehanička proteza koja bi bila u stanju da zameni celu ruku, ako je potrebno, nije namenjena samo ratnim veteranima. Istraživanje koje je trajalo 5 godina i vredno 100 miliona američkih dolara, bi omogućilo ljudima sa urođenim nedostatkom da osete draži normalnog, potpunog života.

Ovo je pravi trenutak da se ukaže na ulogu FDA. Kada se pojavi neki novi proizvod iz oblasti hrane ili lekova, oni su zaduženi da utvrde da li je taj proizvod može da se pusti u slobodnu prodaju ili, još bolje rečeno – da li je bezbedan za upotrebu. Sve dok ta ustanova ne da „zeleno svetlo“, proizvod, ma koliko potreban ili dobar bio, neće biti dostupan u slobodnoj prodaji, ili na bilo koji drugi način, za korišćenje.

To je samo po sebi dobro, jer razni proizvodi donose razne rizike, ali proces potvrde u okvirima FDA je užasno dug i zamoran. Lek koji bi mogao spastiti mnoge danas, biva dostupan u proseku za 5 do 10 godina. Jasno je da ovoliko odlaganje, za mnoge pacijente, vrlo verovatno, fatalno…

Pojava ove prostatičke ruke je pokrenula određene mehanizme u američkoj administraciji da se proces tesitranja lekova i ostale medicniske opreme ubrza, sa tendencijom da se vreme čekanja smanji za pola. To u stvari predstavlja direktan pritisak na FDA, da učini svoj posao efikasnijim.

Stoga, ako je verovati novoj inicijativi, ruka će biti testirana sledećih 5 godina na pet različitih pacijenata, ali ne toliko da bi se ustanovilo da li radi kako treba. Ono što je najvažnije, jeste komunikacija na potezu mozak – čip – ruka. Telo može, u precesu da odbaci čip, i time proteza postaje beskorisna. To je samo jedan od očiglednih razloga zašto treba testirati novi proizvod.

Kada se sve sabere i oduzme, pojava DARPA prostatičke ruke može, na neki način, uvesti dvostruku revoluciju: prva je u domenu kvaliteta života ljudi sa fizičkim nedostatkom ili nedostacima, a druga bi ubrzala proces iskorišćenja naučnih dostignuća, a samim tim, i kvalitet života svih nas.

Moj komentar: ako bi FDA zaista ubrzala svoj rad, tačnije, učinila ga efikasnijim, onda bi interesovanje za nauku kao takvu i njene domete, bilo sasvim drugačije, verovatno bi prestali da je doživljavaju kao „višu matematiku“…

Za kraj, sledi video koji predstavlja jednu kratku ličnu priču koja može imati dobar kraj.