بدن انسان، حوزه جدید سیستم‌های سایبر فیزیکی

تاریخ : ۱۱ آبان ۱۳۹۴

تعداد بازدید : ۱۲۱۸

3 امتیاز از 1 رای
نسخه چاپی
موضوعات :

اخیرا بنیاد ملی علوم دو جایزه پنج ساله به ارزش کلی 8.75 میلیون دلار برای پیشرفت در حوزه‌های پزشکی و سیستم‌های سایبر فیزیکی اختصاص داده‌است. در خبر پیش‌رو توضیحات بیشتری در مورد این حوزه‌ها آورده شده‌است.

اخیرا بنیاد ملی علوم آمریکا به تعریف دو پروژه در حوزه سلامت پرداخته‌است و جایزه‌ای 5 ساله به ارزش 8.75 میلیون دلار برای آنها در نظر گرفته‌است. هدف یکی از پروژه‌ها تولید قلب سایبری است. قلب سایبری، بستری برای مدل‌های مجازی و مخصوص قلب انسان فراهم می‌کند. از این قلب می‌توان برای بهبود و شتاب‌بخشی به توسعه و آزمایش تجهیزات پزشکی استفاده نمود. هدف پروژه دیگر، ترکیب گروهی از میکروروبات‌ها و سلول‌های مصنوعی برای کاربردهای ویژه است. این کاربردها ممکن است روزی به تولید مجدد اعضا و بافت‌های انسان منجر شوند.
سیستم‌های سایبر فیزیکی (cyber-physical systems) یا به اختصار سی‌پی‌اِس سیستم‌های مهندسی شده‌ای هستند که از ادغام یکپارچه محاسبات و اجزای فیزیکی به وجود می‌آیند. سی‌پی‌اِس، که اغلب به آن‌ها شبکه اجزا گفته می‌شود، قابلیت‌هایی فراتر از سیستم‌های تعبیه‌شده امروزی دارند.
جیم کوروز مسئول بخش مهندسی، علوم اطلاعات و کامپیوتر در بنیاد ملی علوم (National Science Foundation) بیان می‌کند: «این بنیاد در پشتیبانی از تحقیقات حوزه سیستم‌های سایبر فیزیکی یک سازمان پیشرو است. سیستم‌های سایبر فیزیکی، بنیان و شالوده‌ای را برای هوشمندسازی تجهیزات حوزه سلامت، حمل‌ونقل، انرژی و بسترهای بنیادی دیگر فراهم می‌آورند. ما مشتاق به مشاهده نتایج دو جایزه اعلام شده هستیم زیرا که این جوایز، دیدی جدید و قابل‌قبول از فناوری‌های محتمل برای حوزه سلامت هوشمند فراهم می‌کنند.»
سی‌پی‌اِس برای بخش‌های زیادی از جامعه، از جمله حوزه سلامت و درمان مزایای قابل‌توجهی دارد. با پیشرفت‌های شکل‌گرفته در حوزه حسگرها و تجهیزات پوشیدنی (wearable devices)، به وضوح جنبه‌هایی از مراقبت‌های پزشکی بهبود خواهد یافت. زیست‌شناسی آزمایشگاهی و روباتیک، تولید مجدد و نگهداری اجزای بدن را با روش‌های بسیار جدید امکان‌پذیر نموده‌است. با این وجود، در مورد پیشرفت سی‌پی‌اِس و چگونگی به‌کارگیری آن در فناوری‌های نام‌برده‌شده (برای بهبود بخش درمان)، اطلاعات زیادی موجود نیست.
هدف پروژه‌های سرمایه‌گذاری‌شده توسط بنیاد ملی علوم در این حوزه، بررسی دو روش کاملا متفاوت برای به‌کارگیری سی‌پی‌اِس در بخش‌های درمانی و زیستی است.
سی‌پی‌اِس زیستی برای مهندسی سلول‌های زنده
تیمی متشکل از دانشمندان علوم کامپیوتر، روباتیک و زیست‌شناسی از دانشگاه‌های بوستون (Boston University)، پنسیلوانیا (University of Pennsylvania) و ام‌آی‌تی (MIT) قصد دارند تا سیستمی طراحی کنند که قابلیت‌های نانوروبات‌ها و اندام مصنوعی را با یکدیگر ترکیب کند. این گروه باور دارد که این سی‌پی‌اِس زیستی قادر است فعالیت‌هایی را که تا کنون غیر ممکن بوده، انجام دهد.
پروژه، دنباله تحقیقات قبلی انجام‌شده توسط هر یک از اعضای تیم تحقیقاتی در حوزه‌های مختلف بوده و شامل طراحی‌های اولیه مفهومی است. مطابق با گفته‌های تیم، پیشرفت‌های اخیر در حوزه‌های زیست‌شناسی مصنوعی، به خصوص توانایی به‌کارگیری سریع قابلیت‌های جدید در سلول‌های ساده، به این پروژه کمک می‌کند. محققان تاکنون قادر نبوده‌اند عملکرد سلول‌های مصنوعی را در محیط‌های مجزا کنترل و تنظیم کنند. با این وجود، میکروروبات‌ها که توانایی کنترل از بیرون را دارند، ممکن است تحقیقات را دگرگون سازند.
در این پروژه جدید، تیم تحقیقاتی بر روی سی‌پی‌اِس‌هایی زیستی تمرکز خواهد داشت که توانایی هم‌زمان حس‌کردن، انتقال و انجام کار را دارا باشند. به عنوان مثال این تیم مجموعه‌ای متشکل از سلول‌های مصنوعی و میکروروبات‌ها را که قادر به تولید سطوح بافتی و پیچیده هستند، توسعه خواهد داد.
سی‌پی‌اِس پزشکی و قلب سایبری
سی‌پی‌اِس‌هایی مانند حسگرهای پوشیدنی و تجهیزات قابل‌کاشت در بدن هم‌اکنون در فعالیت‌هایی نظیر بررسی شرایط درمان، بهبود کیفیت زندگی، فراهم‌نمودن درمان مقرون‌به‌صرفه، افزایش سرعت تشخیص بیماری و پیشگیری به کار گرفته می‌شوند.
برای گسترش این فعالیت‌ها، دانشمندان در حال کار بر روی توسعه قلب و مدل‌های واقعی‌تر از نمونه‌های موجود هستند. از این بستر، که به آن "قلب سایبری" گفته می‌شود، می‌توان در آزمایش و تایید تجهیزات پزشکی، با سرعت بالاتر و قیمت پایین‌تر نسبت به روش‌های موجود استفاده نمود. همچنین از قلب سایبری می‌توان در طراحی تجهیزات درمانی بهینه و مخصوص هر بیمار استفاده کرد و خطرات درمان را کاهش داد.
این گروه تحقیقاتی، مدل‌های محاسباتی دینامیک قلب (مخصوص هر بیمار) را با روش‌های پیشرفته ریاضی ترکیب می‌کند. هدف روش‌های ریاضی بررسی نحوه تعامل این مدل‌ها با تجهیزات پزشکی است. از روش‌های تحلیلی می‌توان برای تشخیص خطاهای احتمالی در عملکرد دستگاه (در طول دوره طراحی آن) قبل از به‌کارگیری آزمایشی بر روی انسان و حیوان بهره برد. از این روش‌ها می‌توان همچنین در محیط‌های درمانی برای بهینه‌سازی تنظیمات دستگاه، که مخصوص هر بیمار بوده، استفاده نمود. این تنظیمات بایستی قبل از کاشت دستگاه در بدن بیمار انجام شود.
اسمولکا در ادامه می‌افزاید: «باور داریم که راهکار تنظیم شده و چند رشته‌ای ما، که مسائل نظری، آزمایشگاهی و عملی را در نظر می‌گیرد، نتایج خیره‌کننده‌ای در طراحی تجهیزات پزشکی و تایید مبناهای سیستم‌های سایبر فیزیکی حاصل می‌کند.»
این تیم قصد دارد مدل‌هایی از دستگاه‌های مصنوعی بسازد و از جفت کردن آن با مدل‌های قلب مصنوعی، یک بستر کاملا مجازی به دست آورد. پس از آن می‌توان این بستر را مورد بررسی‌های محاسباتی و روش‌های شبیه‌سازی قرار داد.

منبع : http://www.meddeviceonline.com/doc/exploring-frontier-cyber-physical-systems-human-body-0001

نظر شما