Kép: Depositphotos/kentoh

Amikor a bionika kerül szóba, sokan emberszerű ro­botokra és más hasonló, a tudományos fantasztikum világába tartozó találmányra gondolnak. De mivel foglalkozik valójában a bionika?

– A bionika kifejezést a biológia és az elektronika szó­összetételből származtatjuk, és ebből már sejthető, hogy ez a tudományterület az élő szervezet és az infokommunikáció vívmányait igyekszik ötvözni egymással, olyan technológiákat létrehozva, amelyek az orvosi diagnosztikában, a rehabilitációban és az intelligens eszközök fejlesztésében nyújtanak segítséget.

Ez a tudományterület az élő szervezet és az infokommunikáció vívmányait igyekszik ötvözni egymással.

Minek köszönhető a bionika utóbbi évtizedekben meg­figyelhető fejlődése? A biológiai tudásunk gyarapodott ennyit, vagy a számítási kapacitás, a mesterséges intelligencia, a szenzorok fejlődtek? Mi volt az előrelépés legfőbb hajtóereje?

– Azt gondolom, hogy több dolog hatása érhető tetten ebben a fejlődésben. Ma már nyilvánvaló, hogy korábban nagyon szeparáltak voltak egymástól a tudásterületek. A biológia, az informatika, az orvostudomány, a fizika szakértői nem kommunikáltak egymással elég intenzíven. Nagyjából húsz éve merült fel először komolyan az interdiszciplinaritás igénye: a különböző tudományterületek kutatói kinyilvánították, hogy érdemes lenne a különböző szaktudásokat egyesíteni. Csakhogy minden tudományterület saját szakmai „nyelvet” és gondolkodásmódot használ, így nehézkesen értették meg egymást, valamint az általuk tapasztalt, érzékelt problémák is eltérőek. Egy példát említenék: egyszer feltettem egy mérnöki szempontból alapvető kérdést Falus András immunológus professzornak, aki rendkívül érdekesnek találta, mivel korábban nem gondolkodott ezen. Ez is rávilágított, hogy a különböző diszciplínák mennyire eltérően közelítenek meg egy-egy problémát. Amikor elindítottuk a bionikai képzést, pontosan az volt a célunk – és azt gondolom, hogy ezt a célt el is értük –, hogy az innen kikerülő szakemberek értsék mindkét terület gondolkodásmódját, és a biológusokkal, orvosokkal ugyanúgy tudjanak kommunikálni, mint a mérnökökkel. Ezáltal új megoldásokat tud­nak létrehozni, amelyek magukban ötvözik a különböző diszciplínák tudását. Az motivált bennünket, hogy a természet megoldásaiból tanuljunk, és az embert segítő eszközöket fejlesszünk.

A természet mechanizmusai

A bionika mely ágaiban a legszembetűnőbb a biológiából való tanulás hatása?

– Ott vannak például a mesterséges neurális hálózatok. Ezek komplexitása nem összehasonlítható az emberi agy felépítésével, mégis analógia fedezhető fel közöttük, és a mesterséges idegsejthálózatokhoz vezető kezdeti gondolat a természetes idegrendszerből indult ki. Különösen erős hasonlóság mutatható ki a mesterséges mély neuronhálók és a természetes retinában levő sejthálózatok loká­lis összeköttetései, illetve a bennük folyó feldolgozás között. Már az 1990-es évektől kezdve lehet különböző álla­tok retinájában lévő idegsejtek működését mérni, miközben különféle fénymintázatokkal világítják meg a szem ideghártyáját, és mérik az idegsejtekből kiinduló ingerületet. És e felfedezések alapján aztán számítási architektúra, egy képfeldolgozást segítő chip készült, és még a retina működését szimuláló algoritmusokat is le lehetett írni, sőt demonstrálni is ezzel a chippel. A retina tehát jó példa arra, hogyan tanulhatunk a természet által kialakított rendszerekből a technológiai fejlesztések érdekében. A mély tanulás és a kapcsolódó neurális hálózatok robbanásszerű fejlődését, valamint a kutatásra, iparra gyakorolt hatását már a mindennapjainkban is tapasztalhatjuk.

A mesterséges neurális hálózatokhoz vezető kezdeti gondolat a természetes idegrendszerből indult ki, és bár ezek komplexitása nem összehasonlítható az emberi agy felépítésével, mégis analógia fedezhető fel közöttük. (Kép: Depositphotos/MikeMareen)

Mi a modern bionika legfőbb célkitűzése? A biológiai mechanizmusok megértése, vagy az ezeket a folyamatokat szimuláló, kiaknázó eszközök fejlesztése?

– A bionika legfontosabb feladata az ember segítése. Az egyetemünk kutatási és oktatási területei közvetett vagy közvetlen módon az ember egészségének megőrzé­sét és életminőségének javítását célozzák. Mindebben felhasználjuk azt a tudást, amelyet a természettől, a bio­ló­giától tanultunk. Ebből a törekvésből mára nagyon sok eredmény született. A természet mechanizmusainak meg­­értését segítette a kutatásaink másik iránya is, mellyel a molekulák felé mozdultunk el. Ezért növeljük fejlesztéseink révén a mikroszkópok fölbontását, ezért tesszük láthatóvá és vizsgálhatóvá az egyre kisebb struktúrákat is.

A bionika legfontosabb feladata az ember segítése.

Mennyire készült fel a mérnökképzés a bionikában felmerülő problémák megoldására?

– Egyre felkészültebb szakemberek kerülnek ki az egyetemekről. Karunk számára már a kezdetektől fontos volt mind a bioinformatika, mind a mesterséges neurális hálózatok területe. Azok a fejlesztések, amelyeket manapság mesterséges intelligenciának hívunk, és napjainkban robbanásszerűen fejlődnek, azt (konvolúciós neuron­hálózatok néven) mi már 2001-től oktatjuk a hallgatóinknak, a neurobiológiával együtt. Az, hogy ez a tudás mára át­töréseket alapozott meg, persze nem a véletlen egybeesés műve, sokkal inkább a nagyon tudatos tervezésé. Nem véletlen, hogy idén a fizikai és a kémiai Nobel-díjjal jutalmazott kutatásokban is központi szerepet játszott a gépi tanulás. A fizikait a mesterséges intelligencia és a neurális hálózatoknak a területéért adták. Az idei kémiai Nobel-díjban pedig a fehérjék szerkezetmeghatáro­zá­sa révén a bioinformatika volt különösen érintett. A kutatási és innovációs eredményeink bizonyítják, hogy ezen a te­rületen a Karunk lényegében a nemzetközi élvonalba tartozik.

A bionika egyik területe a bioinformatika, amely informatikai eszközöket és módszereket alkalmaz a biológiai folyamatok megismerésére, modellezésére, mint például DNS-mintázatok elemzése, a fehérjék szerkezetvizsgálata vagy a mikrobiom DNS-szintű feltérképezése. (Kép: Freepik.com/DC Studio)

A kutatásainkhoz kötődő két Nobel-díj még job­­ban a bionikára és annak alkalmazásaira irányítja a figyelmet. Általánosan megfigyelhető, hogy a Nobel-díjjal elismert területek később az iparban is meghatározó szegmenssé válnak. Már most is számos olyan hallgatónk volt és van, akik a gépi tanulás (ahogy most hívják: mesterséges intelligencia) vagy az adattudomány területén helyezkedtek el. Megvolt ugyanis ehhez az alaptudásuk, és akkor, amikor ez a terület fölvirágzott, ez a tudás fölértékelődött.

Kommunikáló baktériumtörzsek

Milyen bionikai kutatásokat végeznek az önök egyetemén?

– Itt, a Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai és Bionikai Karán alapvetően a bionika négy területével foglalkozunk. Az egyik a mikrofluidika, amely nagyon kis mennyiségű folyadékokkal dolgozik. Ezeken a folyadékokon végzünk keverési, mérési, értékelési műveleteket, melyek keretében chipméretű laborként működő eszközöket fejlesztünk. Ezekkel a kutatásokkal az a célunk, hogy olyan eszközt állítsunk elő, amely minimális mennyiségű folyadékkal működik, de olcsó, gyors és specifikus célra használható. Talán az új típusú Covid-tesztek jól szemléltetik az ezekben az eszközök­ben rejlő lehetőségeket.

Nem gondoltam, hogy ez is a bionika tárgykörébe tar­tozik. Eddig azt hittem, hogy a bionika mindenképpen számítógépes alkalmazásokat takar.

– A bionika legfőbb ismérve a biológia és a mérnöki megoldások ötvözése, és a mikrofluidika tökéletesen megfelel ennek a kritériumnak. Abban azonban igaza van, hogy a legtöbb bionikai kutatás-fejlesztésben központi szerepet játszik az információtechnológia. Az egyetemünk másik nagy bionikai kutatási területe ezért is a bioinformatika. Ez a fejlesztések igen széles kategóriája, beletartozik a DNS-mintázatok elemzése, a fehérjék szerkezetvizsgálata, de a mikrobiom DNS-szintű feltérképezése is. Ahogy a terület elnevezése érzékelteti, e kutatómunka jelentős része informatikai feladat: programokat írunk, amelyek képesek feldolgozni és értelmezni a mért nagy mennyiségű adatot. A humán genom analízise is bioinformatikai vizsgálatnak tekinthető, de időnként a bioinformatikának hallatlanul nagy és azonnali gyakorlati jelentősége van. A Covid-19 járvány idején ilyen módszerekkel elemeztük a különböző vírustörzsek DNS-ét, és ebből következtettünk arra, hogy mely törzsek mennyire súlyos betegsé­get okoznak. Ezek az eljárások már egészen mikroszkopi­kus léptékben is használhatók. A segítségükkel feltérképezhető egy sejten belül a molekulák interakciója, így kiderülhet, hogy a bevitt gyógyszermolekula milyen reakciókban fog részt venni, vagy hogy a baktériumtörzsek hogyan kommunikálnak egymással. És természetesen – ahogy az idei kémiai Nobel-díj esetében is – a mesterséges intelligenciát mint hétköznapi mérnöki eszközt használjuk kapcsolódó kutatásainkban, hiszen itt igen nagy mennyiségű adatfeldolgozásra van szükség. A mesterséges intelligencia vagy gépi tanulás alkalmazása ugyanis ma már olyan tudás egy bionikus mérnök vagy informatikus szakember számára, mint a programozási tudás.

A bionika talán legismertebb alkalmazásai az emberi testtel szinte egybeépített „okos” protézisek, amelyek hasonlóképpen éreznek, mozognak és reagálnak, mint az eredeti végtagok.

– A harmadik, általunk kutatott terület valóban az orvosi eszközökkel kapcsolatos. Sok munkatársunk foglalkozik az orvosi képfeldolgozó eszközök fejlesztésén, és hasonlóan fontos számunkra a modern végtagprotézisek kutatása is.

Az új típusú végtagpótlások kialakításánál számos megoldandó probléma merül fel, például egyre fontosabb kérdés, hogy a protézis hogyan kommunikál az emberi testtel. (Kép: Depositphotos/ ArturVerkhovetskiy)

Az új típusú végtagpótlások kialakításánál számos olyan megoldandó probléma merül fel, amelyek a korábbi protéziseknél szóba sem kerültek. Például egyre fontosabb kérdés, hogy a protézis hogyan kommunikál az emberi testtel. Ez elengedhetetlen az eszköz hatékony mozgatásához, csak így tudunk vele aprólékos manipulációkat végezni. Információt kell közvetítenünk az eszköz és az emberi szervezet között, és ezen a ponton a biológia és az elektronika egészen szorosan összeér. Az orvosi eszközök fejlesztése talán a bionika legrégebbi részterülete. Az első bionikai eszköz a pacemaker volt, hiszen egy szervezetbe ültetett elektronikai berendezésként üzemel, amely érzékeli a körülményeket, és szükség esetén beavatkozik a szívverés szabályozásába. Az első pacemakereket mérnökök készítették az orvosok által meghatározott feladatok ellátására, és ez a kezdeti példa jól mutatja a bionikai megközelítés lényegét: a biológiai folyamatok megértését mérnöki megoldásokkal segítve, javítani az emberek életminőségét.

Az első bionikai eszköz a pacemaker volt, hiszen egy szervezetbe ültetett elektronikai berendezésként üzemel.

Stimulált biciklizés

A laboratóriumi körülmények és az éles helyzetek nagyon különböznek egymástól. Van arról tudásuk, hogy hogyan teljesítenek az önök által fejlesztett eszközök a gyakorlatban?

– Éppen erről szól a Cybathlon elnevezésű nemzetközi verseny, amely a sérült embereket segítő bionikai eszkö­zök világbajnoksága. Ez afféle Forma–1-es verseny, nemcsak színvonalában, de a tekintetben is, hogy itt a pilóta (az eszközt használó ember) és az eszköz teljesítménye is szükséges a sikerhez. A Cybathlont az olimpiához hasonlóan négyévente rendezik meg, a legutóbbi éppen néhány hete volt Svájcban. A csapatok nyolc versenyszámban indultak, a mi egyetemünk ezek közül háromban vett részt. Az egyik feladat az volt, hogy deréktól lefelé, az alsó végtagjukat mozgatni nem tudó sérültek számára kellett izomstimuláló eszközt készíteni. Vagyis a készülék elektródák segítségével ingerelte és összehúzódásra kényszerítette az izmokat. Ha megfelelő ütemű és hatékony a stimuláció, akkor a páciens – vagyis a pilóta – biciklizni tud (a pedálozáshoz szükséges izom-összehúzódásokat a gép váltja ki). A verseny során ezek a sérült emberek bicikliztek, és az a csapat győzött, amelyik az adott távot gyorsabban tudta megtenni. Mint látszik, ebben a feladatban felettébb fontos maga az eszköz és a pilóta is. Ha nem megfelelő ütemben, nem megfelelő intenzitással húzza össze a készülék az ember izmait, azok elfáradnak. Nagyon fontos a rendszer optimalizálása.

Tehát nemcsak az eszközt, de a készüléket használó embert is önök vitték a versenyre?

– Igen, a pilóta is a csapatunk tagja volt. E bionikai esz­közök hatékony használatának sarokköve, hogy a rendszer pontosan és személyre szabottan a használóra legyen optimalizálva. Viszont a legsikeresebbek egy másik versenyszámban voltunk, amelyet a látássérültek számára rendeztek – nemcsak az idei versenyt sikerült megnyernünk, de már az előző két időközi versenyen is győztünk. Ennek a versenyszámnak az egyik feladatá­ban a teljesen vak pilótánknak azt kellett megmondania, hogy egy teremben melyek azok a székek, amelyek üresek, így le tudna ülni valamelyikre (a székek egy részén ültek, vagy csomagokat helyeztek rájuk). Egy másik feladatban a megadott név alapján kellett a megfelelő kapucsengőt megnyomnia. A következő állomáson egy boltban kellett egy adott árut megtalálnia, vagy egy szekrényből a meghatározott színű ruhát kivennie. Ezeknek a feladatoknak a megoldásához nyilván a látásra van szükség, amivel az alany nem rendelkezett. Azon kívül nem sokkal több idő állt a rendelkezésére egy-egy feladat elvégzésére, mint amennyi idő alatt egy látásában nem sérült ember meg tudja oldani a feladatokat. Vagyis olyan eszközt kellett fejlesztenünk, amely „lát” helyette.

A Cybathlon egy nemzetközi verseny, a sérült embereket segítő bionikai eszközök világbajnoksága, ahol a csapatok nyolc versenyszámban indulhatnak. Az olimpiához hasonlóan négyévente rendezik meg, a legutóbbira idén októberben, Svájcban került sor. (Kép: cybathlon.ethz.ch)

Miből állt az önök eszköze?

– A mi eszközünk mindössze egy mobiltelefon volt, miközben a többiek számítógépet cipeltek a hátukon és különböző kamerákat viseltek, tehát sokkal nagyobb és nehezebb eszközt építettek. Mi viszont nemcsak a mobiltelefon kameráját használtuk, hanem annak más szenzorait is, és törekedtünk arra, hogy minél kompaktabb eszközt alkossunk, hiszen így lesz igazából használható az eredmény. Nagyon fontos volt a pilótával való kommunikáció is. Feladattól függően az eszköz a hangmagasság változtatásával adott visszajelzést, de alapvetően a telefon szóban kommunikált a pilótával. Bizonyos dolgokat el is tudott mondani neki, tehát narrálta, hogy éppen mit lát. Bár voltak a telefon mellett kiegészítő elemei is a rendszernek, az összes számítási műveletet a telefonban végeztük, nem kellett hozzá felhőkapcsolat. Természetesen használtunk mesterséges intelligencia és gépi tanulási megoldásokat is az alkalmazásban. Összességében ez egy komplex, ugyanakkor nagyon egyszerű eszköz lett, az volt a célunk, hogy minél több eredményünket minél hamarabb használhassák az emberek egy könnyen letölthető mobil app formájában is. De indultunk más versenyszámokban is. Az egyik megmérettetésben olyan eszközt kellett fejleszteni, amelynek segítségével a mozgásképtelen felhasználó tisztán a gondolatai segítségével (tehát a nem invazív módon érzékelt agyhullámai révén) tudott irányítani egy számítógépes játékot, és oldott meg virtuális környezetben feladatokat. Ebben is megjelenik az a központi célkitűzésünk, hogy az embert tartjuk a középpontban, és neki fejlesztünk eszközöket. Erre nyilván a legelesettebbeknek van a legnagyobb szükségük, és éppen az ő esetükben a legnagyobb kihívás, hogy eredményt mutassunk fel.

E modern orvostudományi relevanciájú kutatásokkal szemben az szokott lenni a kritika, hogy túlságosan elrugaszkodnak a valóságtól, és beláthatatlan, hogy mikor válnak valóban elérhetővé a klinikai gyakorlatban. Vannak-e már a pacemakeren kívül bárki által használható bionikai eszközök, és az új fejlesztéseknek milyen jövőt jósol?

– Éppen a gépi tanulás és a mesterséges intelligencia terjedése és alkalmazásai mutatják egyértelműen, hogy ezek az eszközök és szoftverek nagyon gyorsan fejlődnek, és sok esetben csak arra várnak, hogy piacra vigye őket valaki.

Magyarországon is működnek bionikai cégek, amelyek kereskedelmben értékesített eszközöket fejlesztenek.

Nem is feltétlenül szükséges hozzájuk hardveres fejlesztés. Léteznek már olyan gépi tanulás alapú képfeldolgozási szoftverek, amelyek a kisebb dózisú röntgenfelvétel felbontását is úgy meg tudják növelni, hogy a diagnózis akár évekkel hamarabb is megállapítható, mint a hagyományos módszerekkel. Ez egy szoftver, és ha megvan az adat, amelyen tanítani tudjuk, akkor lényegében beépíthető egy már meglévő eszközbe is. Vagyis nem feltétlenül kell e megoldások gyakorlati alkalmazásához hallatlanul nagy befektetés. Magyarországon is működnek bionikai cégek, amelyek kereskedelmben értékesí­tett eszközöket fejlesztenek, amelyek eljutnak az emberekhez és használják is őket. Ezek például különböző mérő- és kutatási berendezések, illetve gyógyászatban használt eszközök. Nekünk is vannak olyan spin-off cégeink vagy az egyetemünkről indult startup cégek, amelyek bionikai eszközök fejlesztésével foglalkoznak. Ilyen például a Dermus, amely egy olyan ultrahangos eszközt fejleszt, amellyel a bőr felső rétegét lehet nagy felbontással vizsgálni és diagnosztizálni. Alapvető célja az, hogy a különböző elváltozásokról könnyebben és gyorsabban tudják az orvosok megállapítani, hogy kóros-e vagy sem. Az természetesen nagy kihívás, hogy ezek a prototípusként elkészült termékek engedélyt kapjanak arra, hogy orvosi eszközként lehessen őket használni. Ez általában lassabb folyamat, öt-tíz év szokott lenni. Azonban az ilyen fejlesztések hosszú távon jelentős segítséget nyújthatnak a gyógyászat számára, és közelebb hozzák a legmodernebb technológiákat az emberekhez.•

Címlapkép: Depositphotos/kentoh