فناوري در اختيار ماست!

"مايك مك نوتان"، يكي از معلولان جنگ افغانستان، پس از اين كه پنج سال پيش پاهاي خود را بر اثر انفجار يك مين جنگي در اين كشور از دست داد، حال مي تواند به خوبي روي دو پاي خود بايستد و حتي به عنوان مربي فوتبال، تيم مدرسه پسر خود را رهبري كند. شايد اين بازگشت شگفت انگيز تا حدي محصول اراده خلل ناپذير او براي ايستادن روي دو پا باشد، اما بخش اعظمي از اين داستان به فناوري پيچيده اي برمي گردد كه به تازگي در اختيار او قرار گرفته است؛ يك فناوري جديد شامل يك زانوي مصنوعي رايانه اي و هيدروليكي كه به او امكان مي دهد هر گام خود را در كسري از ثانيه محاسبه كرده و با حركات مغز خود تطبيق دهد. پس از دهه ها گرفتاري معلولان و اجبار آنها در استفاده از اندام هاي مصنوعي، كه تقريباً از زمان جنگ جهاني دوم بدون تغيير مانده بودند، اندام هاي مصنوعي هوشمند به چنان پيشرفتي رسيده اند كه تقريباً تفاوتي با اندام هاي واقعي ندارند؛ و در مجموع مي توان گفت پاهاي مصنوعي كه در اختيار اين معلول جنگ افغانستان قرار گرفته آغاز يك عصر جديد در ساخت اندام هاي مصنوعي تلقي مي شود. فناوري هاي جديد ساخت پروتز نه تنها قدرت و انعطاف بيشتري را ممكن مي سازند، بلكه داراي سطح پوستي حساس به فشار هستند و امكان هدايت و كنترل توسط ذهن را نيز دارند. تسريع حركت معلولان و قدرتمندتر كردن اندام آنان، رفته رفته به يك واقعيت تبديل مي شود.
پروتزهاي جديد بسيار بيشتر از قبل قابليت يكپارچه شدن با گوشت، استخوان و سيستم عصبي فرد معلول را دارند و رفته رفته با ورود به فضاي اين فناوري جديد، نقص عضو به يك مسئله قديمي تبديل خواهد شد. "جان ايگلو"، يكي از محققان اين حوزه در دانشگاه جان هاپكينز، فناوري جديد را فصل نويني در ساخت اندام هاي مصنوعي مي داند. به اعتقاد او، اجزاي كوچك تر و بهتري كه در ساخت اين اندام ها به كار مي رود، اين امكان را فراهم مي سازد كه سخت افزارهاي بيشتري نسبت به گذشته در آنها تعبيه شود. امروزه معلوليت در ايالات متحده آمريكا به دليل رشد فزاينده بيماري ديابت و آسيب هايي كه اين بيماري به سيستم عصبي و ماهيچه اي وارد مي كند، به چالش اساسي تبديل شده است. علاوه بر اين، رقم معلولان بازمانده از جنگ هاي خاورميانه نيز اين چالش را مضاعف مي كند و بر همين مبنا سرمايه گذاران انگيزه بيشتري براي ورود به حوزه اين فناوري جديد پيدا كرده اند. نخستين نتايج اين تحول را مي توان در بازار اعضاي مصنوعي مشاهده كرد. براي مثال شخصي كه يك پاي خود را در اثر بيماري يا جراحت از دست داده، مي تواند در ازاي 30 هزار دلار پاي مصنوعي جديدي شبيه پاي آقاي مك نوتان خريداري كند؛ اندامي كه در آن انواع نرم افزارهاي هوشمند براي سهولت حركت كاربر تعبيه شده است.
اين پاي مصنوعي كه C-leg نام دارد و محصول كشور آلمان است، از موتورهاي هيدروليك براي كاهش فشار و بار حاصل از حمل پا استفاده مي كند. علاوه بر اين، فيبرهاي كربن تعبيه شده در آن امكانات ارتجاعي محصول را در تعامل با استخوانها و تاندون ها افزايش مي دهد. طراحي اين محصول البته دشواري هاي خاص خود را داشته است. ماهيچه هاي پاي انسان در حالت طبيعي در برابر نيروهاي وارد شده مدام در حال انعطاف است و ارتجاع و كشش تاندون ها امر راه رفتن را تسهيل مي كند. افرادي كه از قسمت پايين كمر معلول هستند، به دليل از دست دادن اين ماهيچه ها و تاندون ها انرژي بيشتري را براي راه رفتن با پاي مصنوعي صرف مي كنند و ثبات لازم را نيز ندارند. براي حل اين مشكل، پاي جديد در موسسه فناوري ماساچوست (MIT) طراحي شده كه با استفاده از موتور الكتريكي و فنرهاي تاندون شكل، حركت معلول را به سمت جلو تسهيل مي كند؛ مضاف بر اين كه دو ريزپردازنده بسيار قوي و 6 حسگر مخصوص، موقعيت دقيق قوزك پا را محاسبه كرده و نيروهاي وارد بر آن را برآورد مي كنند.
در زمينه ساخت اندام هاي مصنوعي براي بالاتنه نيز پيشرفت هاي جديدي حاصل شده است؛ اما در مجموع به نسبت اندام هاي پايين تنه، اين حوزه كمي درجا مي زند. دليل اين مسئله نيز كم بودن تعداد معلولان دست و بازو در مقايسه با معلولان پا است. همچنين، پيچيدگي و بالا بودن طيف حركتي دست نسبت به پاها، شبيه سازي آن را در سخت افزارهاي جديد كمي دشوار كرده است. اما با ساخت اجزاي كوچك تر، اين حوزه نيز تا حدودي طعم تحول را چشيده است. شركت انگليسي "تاچ" (Touch) اخيراً دستي پلاستيكي و سبك طراحي كرده كه در آن هر موتور به صورت مستقل نسبت به تحريكات صادر شده از مغز واكنش نشان مي دهد و فرايند دريافت سيگنال هاي مغزي نيز از طريق دو حسگر مخصوص كه روي پوست بدن كاربرتعبيه شده، انجام مي شود. اين حسگرها با دريافت سيگنال هاي الكتريكي، پيام را به ماهيچه ها منتقل مي كنند و كاربر نيز با فشرده كردن ماهيچه مخصوص، الگوهاي از پيش طراحي شده در بازوي مصنوعي خود را فعال مي كند. براي مثال، يكي از اين الگوها امكان برداشتن كليد را توسط انگشت شست نشانه براي كاربر فراهم مي كند. الگويي ديگر، امكان اشاره كردن با انگشت نشانه را ممكن مي سازد.
در اين دست، يك سيستم ردياب نيز تعبيه شده كه از تماس بيهوده و طولاني مدت با اشيا و چسبيدن آنها جلوگيري مي كند. يكي از كاربراني كه از اين دست استفاده مي كند، مي گويد مردم غالباً دست او را با دست واقعي اشتباه مي گيرند و اين نشان دهنده حداكثر شباهت محصول با نمونه هاي واقعي است.
شركت هاي ديگر نيز تلاش مي كنند بازوهايي تمام بيونيك را ارائه دهند كه البته براي تحقق اين موضوع، سرمايه گذاري عظيمي لازم است. يكي از اين شركت ها در شهر منچستر انگلستان، بودجه اي بالغ بر 50 ميليون دلار را صرف پژوهش در اين حوزه كرده است.
با اين حال، با وجود همه پيروزي هاي به دست آمده، موانع متعددي پيش روي محققان وجود دارد. در عمل، امتزاج كامل قطعات فلزي و پلاستيكي هنوز حاصل نشده است. علاوه بر اين، ابداع پوستي با حساسيت كامل و داراي مو كه بتواند كمترين آزار را براي كاربر به وجود بياورد، هنوز در مراحل آزمون و خطا قرار دارد.
در ساخت پوست اندام هاي مصنوعي، قطعات كربني در مقايس نانو تعبيه شده كه مقاومت آن را بسيار بالا برده است كه هنگام برخورد با فشار، پايداري الكتريكي بالايي دارد.
با اين حال، هنوز تا ساخت پوستي حساس شبيه به پوست انسان راه زيادي باقي مانده است. اگر دانشمندان بتوانند به موازات اين قابليت، امكانات حساسيت در برابر دما و حرارت را در محصول خود وارد كنند، انقلاب بزرگي در اين صنعت به وجود خواهد آمد. يكي ديگر از گزينه ها براي طبيعي تر كردن پوست اندام مصنوعي، چسباندن آن به بدن به صورت دائمي يا نيمه دائمي است. در حال حاضر، بهترين نمونه هاي طراحي شده بيشتر بر بدن كاربر پوشانده مي شود و امكان چسباندن كمتر وجود دارد.
اين حالت، دشواري هاي خاص خود را به لحاظ فرسايش و لغزش دارد و محققان در تلاشند راهي براي اتصال مستقيم اندام مصنوعي به اسكلت بدن طراحي كنند. براي اين كار، از تكنيك هايي كه براي كاشت دندان استفاده مي شود مي توان مدد گرفت.
گروهي از دانشمندان سوئدي با اين روش در حال تحقيق روي محصولي هستند كه در آن تيتانيوم در بافت استخوان كاشته شده و امكان چسباندن اندام مصنوعي را تا فاصله 2 سانتي متري براي آنها فراهم كرده است. با اين فناوري جديد، كاربر مي تواند به راحتي اندام مصنوعي را به بدن متصل كرده و به آساني از مفصل مورد نظر جدا كند. با اين حال، مسائلي چون احتمال عفونت بافت استخواني و ميزان دوام محصول، مشكلاتي است كه هنوز حل نشده باقي مانده است. اما گروهي انگليسي اخيراً اعلام كرده كه راه حلي براي مسئله عفونت پيدا كرده است. در اين روش، استخواني كه محل كاشت تيتانيوم قرار مي گيرد، داراي بافتي زنده مي شود و اندام هايي چون ماهيچه، استخوان و پوست مي تواند در حواشي آن به رشد خود ادامه داده و قسمت كاشت شده را به جزئي از خود تبديل كند. بدين ترتيب، راه عفونت بسته شده و كاشت در شرايط بهداشتي بهتري صورت مي گيرد. گام بعدي در ساختن يك اندام مصنوعي واقعيت اتصال سيستم آن به سيستم عصبي بدن است. در اين اتصال، مي بايست سيگنال هاي صادر شده از مغز به خوبي دريافت و در زمان مناسب رمزگشايي شده و به اندام مصنوعي منتقل شود.
حسگرهاي تعبيه شده نيز مي بايست قدرت تعامل مناسب با سيستم عصبي را داشته باشند. براي مثال، در بازوي مصنوعي جديدي كه يك شركت انگليسي در حال تهيه آن است، 25 موتور محركه و ريزپردازنده تعبيه شده كه مي تواند بسياري از حركات يك بازوي طبيعي را با همان سرعت و دقت انجام دهد. و نكته پاياني و مهم كه اندام مصنوعي را به واقعيت نزديك تر مي كند، توانايي كنترل حسي آن توسط مغز كاربر است. براي اين كار نيز اقدامات مهمي انجام شده است. در ژانويه 2008 گروهي از محققان دانشگاه دوك در كاروليناي شمالي، از مغز يك ميمون براي كنترل حركات يك روبات استفاده كردند. در اين روش، الكترودهايي در مغز اين حيوان تعبيه شده و سيگنال هاي دريافتي از آن از طريق اينترنت به روباتي كه در كيوتوي ژاپن مستقر بود، منتقل شد. بدين ترتيب، به موازات حركت ميمون، روبات نيز شروع به حركت كرد و با استفاده از مغز ميمون اين حركت تا 3 دقيقه ادامه يافت.
محققان اميدوارند با اين روش بتوانند بسياري از معلولان را دوباره قادر به حركت كنند؛ خصوصاً معلولاني كه تا به حال از پاهاي مصنوعي استفاده مي كردند. اما اين اندام هاي مصنوعي بر اثر گذشت زمان تا حدودي قابليت هاي خود را از دست داده است. در صورت تحقق كنترل ذهني اندام هاي مصنوعي، فصل جديدي در ساخت اين محصول آغاز خواهد شد و نمونه هاي توليد شده بيش از پيش به واقعيت نزديك خواهند شد.
قبل از آغاز مسابقات المپيك چين، "اسكار پيستوريس"، دونده معلول اهل آفريقاي جنوبي، نمايش فوق العاده در مسابقات مقدماتي به نمايش گذاشت. مسئولان مسابقات قبل از آغاز بازي ها معتقد بودند پاهاي مصنوعي مورد استفاده توسط اين دونده، امكاناتي ويژه را در اختيار وي قرار مي دهد كه او را نسبت به ديگران در موقعيت بهتري قرار مي دهد. اين بدان معناست كه پاهاي مصنوعي توليد شده نه تنها به واقعيت نزديك شده اند، بلكه از نمونه هاي واقعي نيز پا را فراتر گذاشته و ويژگي هاي جديدتري را عرضه مي كنند. شايد در آينده بتوان با استفاده به زندگي واقعي و حتي تحرك و ورزش بازگرداند.

منابع:
NewScientist, 4October 2008
نشريه دانشمند شماره 549