زیستارشناسی

‹زیستارشناسی›^[1]

bionics. رشته‌ای است که به تجزیه‌وتحلیل اصول و ساختارهای زیستی می‌پردازد تا از این دانش در ایجاد ساختارهای مهندسی استفاده کند.

‌

به‌لحاظ ریشه‌شناسی، واژهٔ «بیونیک»، که «زیستارشناسی» برابرگزیدهٔ آن است، از هم‌نشینی دو واژهٔ «بیو» و «اونیک» ــ مثل بیولوژی و الکترونیک ــ ساخته شده است.^[2]

the word “bionics” stems from the confluence of two words: the “bio” of biology and “onics” of electronics. مجموعهٔ تلویزیونی مرد شش‌میلیون‌دلاری^[3]

The Six Million Dollar Man, TV Series (Harve Bennett Productions, Silverton Productions, and Universal Television, 1974-1978). تصویر محبوبی از سال‌های ۱۹۷۰ است که این هم‌گرایی را نشان می‌دهد: انسانی که بازسازیِ الکترونیکی شده است تا قدرت و سرعتی فوق‌بشری داشته باشد.

‌

تمرکز این رشته بیشتر بر زیستارشناسیِ انسان است: ساختن دستگاه‌های الکترومکانیکی که ــ برای جایگزینی یا بازیابی عملکردهای جسمی ــ ازطریق مهندسی با بدن انسان در تعامل‌اند (← طراحی مکاترونیک، طراحی مهندسی)، به‌هدف آنکه بین فکر درون مغز انسان و حرکت یک وسیلهٔ مکانیکی بیرونی ارتباط و هماهنگی یکپارچه‌ای ایجاد شود.

‌

طراحی این دستگاه‌ها مبتنی بر سازوکارهای بازخورد الکترونیکی است، که به نظارت و اندازه‌گیری بی‌درنگ رفتار و کارایی اعضای بدن می‌پردازد تا سطح عملکردشان را بسنجد و بهبودشان دهد. مثلاً، کاشتینه‌های حلزونی^[4]کاشتینهٔ حلزونی (cochlear implants) افزاره‌ای است که برای بازگرداندن توانایی شنیدن در گوش کاشته می‌شود. ــ واژه‌های … Continue reading ــ با دور زدن بخش‌های آسیب‌دیدهٔ گوش و ارسال مستقیم نشانک‌های الکترونیکی^[5]نشانک (signal) امواج الکتریکی یا الکترومغناطیسی را گویند، که برای جابه‌جایی اطلاعات استفاده می‌شود. ــ … Continue reading به عصب شنوایی ــ عملکرد شنوایی را بازیابی می‌کنند. کاشتینه‌های شبکیه‌ای،^[6]

retinal implants. با تحریک سلول‌های آن در چشم به‌طریق الکتریکی، حس دیدن نور را ایجاد کنند.

‌

طراحی اندام مصنوعی برای افراد قطع‌عضوشده به‌واسطهٔ زیستارشناسی تکامل یافته است: به‌جای تکیه بر حرکت اندام باقی‌مانده ــ یعنی آن بخش اندام که پس از قطع عضو باقی می‌ماند ــ به‌منظور به‌حرکت درآوردن برسازه،^[7]برسازه (prosthesis) عضو مصنوعی یا افزاره‌ای است که جانشین عضو یا بخش ازدست‌رفتهٔ بدن بیمار می‌شود. ــ واژه‌های … Continue reading برسازه‌های زیستارشناختی تحت کنترل دستگاه عصبی مرکزی حرکت می‌کنند. اندیشهٔ کلی پشت این نوع دستگاه‌ها آن است که ذهن انسان را قادر سازد تا عامل برانگیزانندهٔ حرکت مکانیکی شود، همان‌طور که دستگاه‌های زیستی بدن طبیعتاً عمل می‌کنند.

‌

در این رشتهٔ طراحی، برای دستیابی به ارتباط با مغز، اکنون چندین روش مختلف به‌کار می‌رود: برخی از پژوهشگران بر کاشت الکترود در مغز یا جمجمه متمرکزند، و برخی دیگر آشکارسازهایی خارج از بدن را آزمایش می‌کنند.^[8]

experiment with detectors outside of the body. دراصل، مغز یک نشانکِ فرمان تولید می‌کند که ازطریق اعصاب به حسگرهایی که تکانه‌های الکتریکی^[9]

electrical impulses. را اندازه می‌گیرند ــ و سپس به رایانه‌ای که این تکانه‌ها را تجزیه‌وتحلیل می‌کند ــ منتقل می‌شود. آنگاه این داده‌ها به برسازه‌های مکانیکی، همچون دست‌ها، بازوها و پاها، که براساس تکانه‌های تولیدیِ مغز به‌حرکت درمی‌آیند، منتقل می‌شود. یک نمونهٔ استفاده از این فناوری، بازویی مصنوعی است که نشانک‌های الکترونیکی را مستقیماً به انتهای اعصاب اندام باقی‌مانده ارسال می‌کند، تا افرادی که از بالای آرنج قطع‌عضو شده‌اند کارکرد مکانیکی اندامشان را بازیابند.

‌

کاربردهای مفید دیگر این نوع فناوریِ زیستارشناختی با هدف کمک به افرادی است که فلج شده‌اند. تکانه‌های الکتریکی از مغز کاربر دچار معلولیت می‌تواند محرک ویلچر یا مکان‌نمای موشی^[10]موشی (mouse) دستگاه الکترونیکی کوچکی که به رایانه متصل شود و با حرکت دادن آن بتوان مکان‌نما را بر روی صفحهٔ نمایش … Continue reading باشد و کاربر را قادر می‌سازد به‌گونه‌ای حرکت و ارتباط برقرار کند که تا پیش از آن برایش غیرممکن بود.

‌

به‌نظر می‌رسد، گرایش‌های کنونی در ساخت دستگاه‌های زیستارشناختی عمدتاً متمرکز به بازیابی کارکرد جسمانی انسان است؛ بااین‌حال، پتانسیل تلاش برای تقویت قوای جسمی انسانی فراتر از توانایی‌های طبیعی‌اش نیز قطعاً وجود دارد. پاره‌ای شواهدِ مرتبط با این موضع بحث‌برانگیز را می‌توان درزمینهٔ برسازه‌های دویدن یافت: پاهای مصنوعی اِیمی مالینز،^[11]

Aimee Mullins (Born 1975). ورزش‌کار پارالمپیکی از ایالات متحدهٔ آمریکا که قطع عضو از هردو پا داشته، براساس زیست‌مکانیکِ^[12]زیست‌مکانیک (biomechanics) حوزه‌ای علمی که برای توصیف حرکت اجزای بدن و نیروهایی که بر روی این اندام‌ها عمل … Continue reading یوزپلنگ شکل گرفته است. این پاها، که از فیبر کربن با کمک‌فنر و فنر ساخته شده‌اند، به دارنده‌شان توانایی‌ای می‌دهند که حرکت سریع‌ترین پستاندار خاکی جهان ــ با سرعتی حدود صد و سیزده کیلومتر بر ساعت ــ^[13]سرعت دویدن یوزپلنگ‌ها حداکثر ۱۱۴ کیلومتر بر ساعت اندازه گرفته شده است. آن‌ها هنگام تعقیب طعمه معمولاً با … Continue reading را تقلید کند. با استفاده از این برسازهٔ بیرونی، کاربر قادر است انرژی جنبشی‌اش را به شیوه‌ای بسیار کارآمدتر از حرکت معمول انسان ذخیره کند. اگرچه انسانی که از چنین برسازه‌ای استفاده می‌کند ممکن است به آن سرعت دست نیابد، توانایی افزایش‌یافته‌اش برای دویدن به‌سانِ تیزپایان حیات وحش بحث‌برانگیز بوده است.

‌

کاربردهای روباتیک، براساس الگوی حرکت و رفتار حیوانات، از دیگر مظاهر زیستارشناسی است. پژوهشگرانِ کاراندام‌شناسی^[14]

کاراندام‌شناسی (physiology) علم شناخت کارِ اندام‌های موجود زنده و اجزای آن‌هاست. ــ واژه‌های مصوب فرهنگستان. و روباتیک در دانشگاه‌های استنفورد، بِرکْلی، هاروارد و جانز هاپکینز^[15]

Stanford, U.C. Berkeley, Harvard, and Johns Hopkins universities. اخیراً درزمینهٔ مدل‌سازی مکانیکی ساختار مفاصل و پاهای سوسک همکاری داشته‌اند. هدف آن‌ها ساخت یک روبات دوندهٔ شش‌پا بود که بتواند در بستری ناهموار بدود و در کارهایی مانند خنثی‌سازی بمب و پیش‌شناسایی نظامی^[16]

bomb diffusion and military reconnaissance. استفاده شود. ناسا^[17]

The National Aeronautics and Space Administration (NASA). هم روبات‌هایی مبتنی بر حرکت حشرات را برای مأموریت‌های خود در کاوش سیارهٔ مریخ، که به منظر نامنظمش معروف است، درنظر گرفته است. پژوهشگران آزمایشگاه «لِگ»، در آزمایشگاه «میدیا» از دانشگاه ام‌آی‌تی،^[18]

the Leg Lab, within the Media Lab at Massachusetts Institute of Technology (MIT). روبات‌هایی ساخته‌اند که براساس زیست‌مکانیک کانگوروها ــ موسوم به «یونیرو» ــ و دایناسورها ــ موسوم به «ترودی» ــ^[19]

kangaroos, called the “Uniroo,” and dinosaurs, called “Troody”. می‌جهند و راه می‌روند. مدل‌سازی مکانیکی این قبیل حرکات حیوانات می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در توسعهٔ برسازه‌ای شود.

‌

از زیستارشناسی گاهی با عنوان «زیست‌تقلید»^[20]زیست‌تقلید (biomimetics a.k.a. biomimicry) تقلید از طبیعت و به‌کارگیری آن در مقیاس نانو در حوزه‌های گوناگون علمی و … Continue reading هم یاد می‌شود: مطالعهٔ سامانه‌های زیستی، الگوها، رفتارها و اشکال، به‌قصد تولید محصولات نوآورانهٔ جدید. این غالباً شامل بررسی رفتارهای بهینهٔ تکاملی حیوانات و گیاهان به‌منظور جمع‌آوری اطلاعاتی است که می‌تواند برای تولید محصول به‌کار آید. برخی از کاربردهای رایج زیست‌تقلید عبارت‌اند از: چسبک،^[21]چسبک (velcro) بستی متشکل از دو قطعه نوار پارچه‌ای است، که سطح یکی زبر و دارای قلاب‌های ریز و سطح دیگری فشرده و … Continue reading براساس قلاب‌های چنگکی بذرها و طرح‌های برادران رایت^[22]

The Wright brothers, Orville Wright (1871-1948) and Wilbur Wright (1867-1912). برای بال هواپیما، براساس بال‌های پرندگان. کاربردهای زیست‌تقلید محدود به (←) محصولات مصرفی و اشیاء ملموس نیست و به طراحی سامانه‌های مبتنی بر مبادی بوم‌شناختی،^[23]بوم‌شناسی (ecology) مطالعهٔ روابط موجودات زنده با محیط و عادت‌ها و طرز زندگی آن‌هاست. ــ واژه‌های مصوب … Continue reading در زمینه‌هایی همچون کشاورزی، معماری، و (← سامانه)های رایانشی گسترش می‌یابد.

‌

رشتهٔ زیست‌مواد نشان‌دهندهٔ یکی دیگر از مظاهر زیست‌تقلید است: (←) مواد طبیعی کارا^[24]

high-performing natural materials. به‌منظور توسعهٔ نسخه‌های مصنوعیِ دارای ویژگی‌های مشابه تجزیه‌وتحلیل می‌شوند. این مواد باآنکه مصنوعی‌اند، اما اغلب زیست‌تخریب‌پذیر^[25]

biodegradable. هستند. نمونه‌اش ابریشم عنکبوت است: ماده‌ای فوق‌العاده سبک که، به‌دلیل ساختار مولکولی نامعمولش، سه برابر فولاد استحکام دارد. دانشمندان ساختار مولکولی تارعنکبوت را به‌قصد تولید نسخه‌ای دست‌ساز از آن بررسی کرده‌اند. این مادهٔ جدید می‌تواند در نخ‌های جذبی بخیه، زردپی‌ها و رباط‌های مصنوعی کاربردهای بالقوه‌ای داشته باشد. در مثالی دیگر، برای تولید یک چسب بسیار قوی و ضدآب، دانشمندان به مطالعهٔ صدف کبود دوکفه‌ای پرداخته‌اند که نوعی چسب ضدآب تولید می‌کند تا با آن خود را ــ بر سطوحی در آب‌های متلاطم ــ محکم نگاه دارد. بسیاری از این فکرهای بدیع در رشتهٔ زیستارشناسی زمانی فقط در قلمرو داستان‌های علمی‌تخیلی جای داشتند. این ژانر تخیلی، که حاکی از شیفتگی انسان به دنیای مصنوعات است، موجوداتی خیالی خلق کرده که نشان از ادغام خصوصیات انسان با سایر گونه‌ها دارند. با پیشرفت‌هایی که در فناوری و به‌ویژه رشتهٔ زیستارشناسی حاصل می‌شود، درآمیختن عوالم علمی‌تخیلی و دنیای واقعی هر روز محتمل‌تر به‌نظر می‌رسد.

‌‌

مآخذ:

• Janine, Benyus M. Biomimicry: Innovation inspired by nature. New York: Morrow, 1997: 118–125.
• Kennedy, Sean. “Biomimicry/Bimimetics: General principles and practical examples.” The Science Creative Quarterly 2: 321 (August 2004). http://www.scq.ubc.ca/biomimicrybimimetics-general-principles-and-practical-examples/.
• Vogel, Steven. Comparative biomechanics: Life’s physical world. Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, 2003, 3-5.

‌‌‌

← طراحی آینده‌نگر.

‌

—

مؤلف: آنا رابینوویچ | Anna Rabinowicz

مترجم و ویراستار: علیرضا راستین کیا