バイオロボティクス

バイオロボティクスは、生物医学工学、サイバネティクス、ロボット工学の分野を組み合わせた学際的な科学であり、生物学と機械システムを統合して、より効率的なコミュニケーションを開発し、遺伝情報を変更し、生物システムを模倣した機械を作成する新しい技術を開発します。^[1]

サイバネティクスは、生物学、数学、コンピューターサイエンス、工学など、さまざまな研究分野に応用および組み合わせることができる、生物と機械のコミュニケーションとシステムに焦点を当てています。

この分野は、生物体と機械システムを組み合わせた研究分野であるため、バイオロボティクスの分野に属します。これら 2 つのシステムを研究することで、各システムの機能とプロセス、およびそれらの相互作用に関する高度な分析が可能になります。

サイバネティック理論は、プラトンの時代にまで遡る概念であり、プラトンは「人々の統治」を指すためにこの用語を使用しました。サイバネティックという用語は、1800 年代半ばに物理学者アンドレ マリー アンペールによって使用されました。^[2]サイバネティクスという用語は、電気工学、数学、生物学などの確立された分野に触れながらもそれらとは別の分野を指すために 1940 年代後半に普及しました。^[2]

サイバネティクスは、その対象とする分野が広範囲にわたるため、誤解されることが多い。20世紀初頭、サイバネティクスは生物学、科学、ネットワーク理論、工学を組み合わせた学際的な研究分野として造語された。今日では、システム関連のプロセスを含むすべての科学分野をカバーしている。サイバネティクスの目標は、あらゆるシステムのシステムとプロセスを分析して、それらをより効率的かつ効果的にすることである。^[2]

サイバネティクスは包括的な用語として使われており、その応用範囲は生物学、数学、コンピュータサイエンス、工学、経営学、心理学、社会学、芸術など、システムに関連するすべての科学分野に及びます。サイバネティクスは、システムの原理、生物の適応、情報分析などを発見するために、さまざまな分野で使用されています。^[3]

遺伝子工学は、技術の進歩を利用して生物を改変する分野です。さまざまな方法を通じて、科学者は微生物、植物、動物の遺伝物質を変更して、望ましい特性を与えることができます。たとえば、植物をより大きく、より良く、より速く成長させることができます。^[4]遺伝子工学は、新しい技術を使用して生物学を変更し、生物のDNAを彼らと社会の利益のために変更するため、バイオロボティクスに含まれています。^{[5] [6]}

人類は数千年にわたって人為的選択を通じて動物や植物の遺伝物質を改変してきたが（遺伝子変異によってテオシントがトウモロコシに、オオカミが犬に進化した例など）、遺伝子工学とは、生物のDNAに特定の遺伝子を意図的に改変または挿入することを指す。遺伝子工学の最初の成功例は、1973年にハーバート・ボイヤーとスタンレー・コーエンが抗生物質耐性遺伝子を細菌に導入した際に発生した。^{[7] [8] [9]}

遺伝子工学で使用される主な技術は、プラスミド法、ベクター法、バイオリスティック法の 3 つです。

この技術は主に細菌などの微生物に使用されます。この方法では、プラスミドと呼ばれる DNA 分子が細菌から抽出され、制限酵素によって分解される実験室に置かれます。酵素が分子を分解すると、一部の分子には階段に似たざらざらしたエッジが形成され、これは「粘着性」があり、再結合できると考えられています。これらの「粘着性」分子は別の細菌に挿入され、変更された遺伝物質を持つ DNA リングに接続されます。^[10]

ベクター法は、遺伝子配列全体ではなく特定の遺伝子を移送するため、プラスミド法よりも正確な技術であると考えられています。ベクター法では、DNA鎖から特定の遺伝子を制限酵素で分離し、実験室でベクターに挿入します。ベクターが遺伝コードを受け入れると、DNAが移送される宿主細胞に挿入されます。^[10]

バイオリスティック法は、植物の遺伝物質を変更するために一般的に使用されます。この方法では、高速銃で金やタングステンなどの金属粒子を使用して目的のDNAを埋め込み、その後、粒子を植物に衝突させます。衝突中に発生する高速度と真空により、粒子は細胞壁を貫通し、新しいDNAを細胞に挿入することができます。^[11]

遺伝子工学は、医療、研究、農業の分野で多くの用途があります。医療分野では、遺伝子組み換え細菌はインスリン、ヒト成長ホルモン、ワクチンなどの医薬品の製造に使用されています。研究では、科学者は特定の遺伝子の機能を理解するために、生物の遺伝子を組み換えて身体的および行動的変化を観察します。農業では、農家が除草剤やBTCornなどの昆虫に耐性のある作物を栽培するために遺伝子工学が使用されているため、遺伝子工学は非常に重要です。^{[12] [13]}

バイオニクスは医療工学の分野であり、義肢や補聴器などの生物学的システムを模倣した電気および機械システムで構成されるバイオロボティクスの一分野です。生物学と電子工学を組み合わせた造語です。

バイオニクスの歴史は、古代エジプトにまで遡ります。木と革で作られた義足が、ミイラの足から発見されました。ミイラの遺体の時代は、紀元前15世紀頃と推定されています^{[要出典] 。バイオニクスは、古代ギリシャやローマでも目撃されています。義足や義手は、手足を失った兵士のために作られました。16世紀初頭、}アンブロワーズ・パレという名のフランスの軍医が、バイオニクスの分野の先駆者となりました。彼は、さまざまな種類の上肢および下肢の義肢を作ったことで知られていました。彼の最も有名な義肢の1つである「ル・プチ・ロラン」は、留め具とバネで操作する機械の手でした。19世紀初頭、アレッサンドロ・ボルタがバイオニクスをさらに進歩させました。彼は実験により補聴器作成の基礎を築きました。彼は、患者の耳の嚢状神経に電気インプラントを挿入することで、電気刺激によって聴力を回復できることを発見した。1945年、米国科学アカデミーは、第二次世界大戦で手足を失った兵士が多数いたため、義肢の改良に焦点を当てた人工肢プログラムを立ち上げた。このプログラムが立ち上げられて以来、義肢の材料、コンピューター設計方法、外科手術の手順が改良され、現代のバイオニクスが生まれた。^[14]

現代の義肢を構成する重要な部品は、パイロン、ソケット、サスペンション システムです。パイロンは義肢の内部フレームで、金属棒または炭素繊維複合材でできています。ソケットは義肢と人の失われた手足を接続する部分です。ソケットは柔らかいライナーで構成されており、快適にフィットしますが、手足にぴったりとフィットします。サスペンション システムは、義肢を手足に固定する上で重要です。サスペンション システムは通常、手足に固定するために使用されるストラップ、ベルト、またはスリーブで構成されたハーネス システムです。

義肢の操作方法は、さまざまな方法で設計できます。義肢は、身体駆動、外部駆動、または筋電駆動にすることができます。身体駆動義肢は、ストラップまたはハーネスに取り付けられたケーブルで構成され、これを人の機能肩に取り付けることで、人が適切と考える方法で義肢を操作および制御できます。外部駆動義肢は、義肢に電力を供給するモーターと、義肢を制御するボタンとスイッチで構成されます。筋電駆動義肢は、電極を四肢の上の筋肉に配置する、新しい高度な形式の義肢です。電極は筋肉の収縮を検出し、義肢に電気信号を送信して義肢を動かします。このタイプの義肢の欠点は、センサーが四肢に正しく配置されていない場合、電気インパルスで義肢を動かせないことです。^[15] TrueLimbは、筋電センサーを使用して人がバイオニック四肢を制御できるようにする義肢の特定のブランドです。^[15]

補聴器は、マイク、アンプ、受信機、電池の4 つの主要部品で構成されています。マイクは外部の音を取り込み、その音を電気信号に変換して、その信号をアンプに送信します。アンプは音を増幅して受信機に送ります。受信機は電気信号を音に戻し、音を耳に送ります。耳の有毛細胞は音の振動を感知し、その振動を神経信号に変換して脳に送信し、音が人に伝わるようにします。電池は補聴器に電力を供給するだけです。^[16]

人工内耳は、聴覚障害者のための補聴器の一種です。人工内耳は、従来の補聴器のように外耳道に信号を送るのではなく、音の信号を司る神経である聴神経に直接電気信号を送ります。

これらの補聴器は重度の難聴の人にも使用されます。補聴器は中耳の骨に装着して頭蓋骨内で音の振動を作り出し、その振動を蝸牛に送ります。

人工感覚皮膚は、加えられた圧力を感知し、末梢神経障害のある糖尿病患者など、体の一部の感覚を失った人々を対象としています。

バイオニックアイは、失明した人の視力を回復するために設計されたバイオエレクトロニクスインプラントです。

この技術はまだ開発中ですが、これにより視覚障害のある人でも再び文字を区別できるようになりました。 ^[17]

数百万個の光受容体を含む網膜を複製し、人間の目の並外れたレンズ機能とダイナミックレンジ能力に一致させることは、大きな課題です。神経統合によりプロセスはさらに複雑になります。これらの困難にもかかわらず、進行中の研究と試作により、近年いくつかの大きな成果がもたらされました。^[17]

整形外科バイオニクスは、人間の神経筋系を使ってバイオニック四肢を制御する高度なバイオニック四肢で構成されています。脳機能の理解における新たな進歩により、脳マシンインターフェース（BMI）の開発と実装が進みました。^[18] BMIは、脳の運動領域と特定の四肢の筋肉との間の神経メッセージの処理を可能にし、運動を開始します。^[18] BMIは、バイオニック四肢や外骨格を持つ人の独立した運動の回復に大きく貢献します。^[18]

これらのロボットは大腸内視鏡検査中にポリープを除去することができます。

動物とロボットの相互作用は、ロボット化合物と動物の個体または集団との融合に焦点を当てたバイオロボティクスの一分野です。^[19]この領域は、機械装置を個々の動物に関連付ける分野と、動物の集団に関連付ける分野の2つに分けられます。どちらの分野も、動物の優れた運動能力を活用した動物サイボーグ^[20]から、動物の集団行動に関する動物行動学的研究まで、さまざまな用途があります。^{[21] [22] [23]}この表現は、領域の全体的な正確な見解を描きますが、一部の動物とロボットの相互作用は、これらの分野のいずれかに厳密に分類できない場合があり、場合によっては両方の混合です。これは、1対1で相互作用する動物行動学的ロボット^{[22] [24]の場合、または}真社会性動物が単一のロボットデバイスと相互作用する単一の超生物と見なされる場合に特に当てはまります。後者の場合、バイオハイブリッド超生物という用語は、ロボット装置と超生物を融合させて、後者の超生物との相互作用、制御、研究を可能にすることを表すために使用されます。^{[25] [26] [27]}

混合社会は、動物の集団（動物社会）とロボット装置の集団（人工社会）を混合したものである。社会という言葉を使うときは注意が必要である。なぜなら、この分野に携わる動物学者コミュニティでは、この名詞は誤解を招く可能性があるからである。より正確な言葉は集団であり、^[19]このセクションの残りの部分でもこの言葉が使われている。

通常、ロボット集団は、動物集団に統合されることを目的とした、対象動物個体のロボットレプリカで構成されています。これを行うには、動物が自然に知覚する刺激がロボット個体によって発せられ、これは視覚的な手がかり、熱パルス、振動信号などのさまざまな通信チャネルを通じて行われます。ロボット個体が動物集団にうまく溶け込む度合いは、生物学的受容性に関連しており、対象種のさらなる行動研究を可能にするための鍵となることがよくあります。^[28]

動物とロボットの集団間の相互作用が適切なコミュニケーションチャネルを確立することで実現すると、混合社会は動物の集団からのリアルタイムのフィードバックによって駆動される適応型ロボット行動の可能性を提供します。動物の行動に直接反応することで、ロボットはグループにうまく溶け込むために行動を動的に調整できます。この機能は、動物の集団の集団行動を理解するために特に役立ちます。適応型ロボットは、グループ内の特定の役割や相互作用のモデルを実装するために使用でき、調整、意思決定、または社会組織に関する仮説をテストできます。このアプローチは、実験技術とモデリング技術を橋渡しし、集団行動の根底にあるメカニズムへの洞察を提供しようとします。^[29]

• バイオロボティクス研究所、スクオーラ・スペリオーレ・サンタンナ、ピサ、イタリア
• カーネギーメロン大学ロボット工学研究所バイオロボティクスラボ*
• Bioroïdes - アイデアの普及のタイムライン（フランス語）
• ハーバード大学 ハーバードバイオロボティクス研究所
• ジョンズ・ホプキンス大学 機械・生物システム運動学 (LIMBS) 研究所
• 韓国のバイオロボティクス研究所 2012-05-14ウェイバックマシンにアーカイブ
• イタリア、バイオメディカルロボティクスおよびバイオマイクロシステム研究所
• 細胞用の小さなバックパック（MIT ニュース）
• ケース・ウェスタン・リザーブ大学、生物学的にインスパイアされたロボット工学研究室
• バイオロボティクスおよび人間モデリング研究所 - ジョージア工科大学
• エコール・ポリテクニック・フェデラーレ・ド・ローザンヌ（スイス）のバイオロボティクス研究所
• ベルリン自由大学バイオロボティクス研究所 2013-04-22ウェイバックマシンにアーカイブ(ドイツ)
• バイオロボティクス研究グループ、運動科学研究所、CNRS/エクス＝マルセイユ大学（フランス）
• タリン工科大学バイオロボティクスセンター（エストニア）