تاريخ التكنولوجيا القابلة للزراعة. ممس

تعتبر الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ( MEMS ) فئة من الأجهزة المصغرة والأنظمة المصممة باستخدام عمليات المعالجة الدقيقة. المعيار الرئيسي لإنشاء MEMS هو حجمها. عادة لا يتجاوز 1 مم. تعد تقنيات MEMS مقدمة لمجال التكنولوجيا الأكثر شيوعًا نسبيًا ، حيث تبدأ أحجام الأجهزة عند 100 نانومتر.

تم صياغة مصطلح MEMS في الأصل للإشارة إلى أجهزة استشعار مصغرة ومشغلات تعمل بين المناطق الكهربائية والميكانيكية للجهاز. تدريجياً ، تطور المصطلح مع MEMS نفسه وشمل مجموعة واسعة من الأجهزة الدقيقة المختلفة المصنوعة باستخدام المعالجة الميكانيكية الدقيقة.

وبالمثل ، يُستخدم مصطلح " الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الطبية الحيوية " للإشارة إلى علم وتكنولوجيا إنتاج الأجهزة الدقيقة للتطبيقات البيولوجية والطبية. وتشمل هذه المستشعرات الطبية الحيوية والغرسات والأدوات الجراحية الدقيقة وغيرها من الأجهزة.

أثار اختراع الترانزستور النقطي من قبل ويليام شوكلي وجون باردين ووالتر براتين في عام 1947 إنشاء MEMS. كان الترانزستور الأول بحجم 1.3 سم ، وهو أكبر بكثير من الترانزستورات الحالية. تتيح لك التكنولوجيا الحديثة إنشاء ترانزستورات بقطر حوالي 1 نانومتر.



في عام 1954 ، ك. اكتشف سميث ووصفه تأثير piezoresistive - تغيير في المقاومة الكهربائية لأشباه الموصلات أو المعدن تحت تأثير الحمل الميكانيكي. على عكس التأثير الكهروإجهادي ، يتسبب التأثير الانزلاقي في إحداث تغييرات فقط في المقاومة الكهربائية ، وليس في الجهد الكهربائي.

ونتيجة للتجارب ، أصبح من الواضح أن السيليكون والجرمانيوم أكثر حساسية للهواء أو ضغط الماء من المعادن. تستخدم العديد من أجهزة MEMS ، مثل مقاييس الإجهاد ، وأجهزة استشعار الضغط ، ومقاييس التسارع ، تأثير مقاومة الضغط الذاتي في السيليكون.

كان اكتشاف هذا التأثير في أشباه الموصلات بداية الإنتاج الصناعي لأجهزة استشعار الضغط المستندة إلى السليكون. في عام 1959 ، كان كوليت أول من وضع إنتاجه في التدفق.

عند إنشاء الترانزستورات ، واجه المهندسون حدود الحجم. كان يجب توصيل كل ترانزستور ببقية الإلكترونيات. ثم نشأت حاجة لشيء يمكن أن يستوعب الترانزستورات والمقاومات والمكثفات وأسلاك التوصيل. أحد هذه الركيزة سيسمح بإنشاء أجهزة مصغرة.

لذا في عام 1958 ، قام شخصان - جاك كيلبي من شركة Texas Instruments الأمريكية وروبرت نويس من شركة Fairchild Semiconductor بشكل مستقل عن بعضهما البعض - بتجميع دائرة متكاملة. تتكون دائرة كيلبي من ترانزستور وثلاثة مقاومات وسعة واحدة على بلورة الجرمانيوم - ما يسمى "الدائرة الصلبة". كان يسمى مخطط الضوضاء "أحادي" وصنع على بلورة السيليكون.


مخطط كيلبي

في عام 1964 ، جمعت Westinghouse Electric أول مسلسل MEMS. في جهاز يسمى ترانزستور بوابة الرنين ، تم تجميع المكونات الميكانيكية والإلكترونية. عمل الترانزستور كنوع من مرشح التردد - حيث مر إشارات كهربائية لمدى معين.

لم يكن التطبيق التجاري الأول لـ MEMS طويلًا في المستقبل: في السبعينيات ، قام Kurt Peterson من مختبر IBM بتجميع مستشعر ضغط ميكانيكي دقيق ، والذي تم استخدامه في أجهزة استشعار ضغط الدم.

في عام 1993 ، أصبحت الأجهزة التناظرية أول مقاييس تسارع MEMS يتم إنتاجها بكميات كبيرة. تم استخدام معظمها في صناعة السيارات ، ولكن على مر السنين ، اتسع نطاقها ليشمل أنظمة الملاحة المستقلة ، وأجهزة التحكم في الألعاب ، بالإضافة إلى أنظمة الهاتف المحمول والكمبيوتر.

مجالات تطبيق تكنولوجيا MEMS

في السنوات الأولى من وجودها ، كانت تقنية MEMS ثورية في العديد من مجالات العلوم ، بما في ذلك الميكانيكا والصوتيات والبصريات وغيرها. مع مرور الوقت ، ظهرت حلول ومنتجات فريدة في المجالات الكيميائية والبيولوجية والطبية. توغلت MEMS في الأجهزة المنزلية والإلكترونيات والسيارات والطبية الحيوية والصناعات الفضائية.

أجهزة استشعار الضغط

أول الأجهزة الكهروميكانيكية الدقيقة التي تم استخدامها في الثمانينيات في الصناعة الطبية الحيوية هي أجهزة استشعار ضغط الدم القابلة لإعادة الاستخدام. تقيس مستشعرات ضغط MEMS الحديثة الضغط داخل العين وداخل الجمجمة وداخل الرحم ، وتستخدم أيضًا أثناء رأب الأوعية الدموية.

وفقًا لمنظمة الصحة العالمية ، يعتبر الجلوكوما ثاني أكثر أسباب العمى شيوعًا بعد إعتام عدسة العين. تسمح مستشعرات الضغط القابلة للغرس بالمراقبة المستمرة لضغط العين لدى مرضى الجلوكوما. في العين السليمة ، يتم الحفاظ على الضغط في نطاق 10-22 ملم زئبقي. يعتبر الضغط العالي بشكل غير طبيعي (> 22 ملم) وتقلباته عوامل الخطر الرئيسية لتطور الجلوكوما.

غالبًا ما يحدث هذا المرض دون أي أعراض وألم ملحوظ ، ولكن يمكن أن يؤدي إلى تلف غير قابل للشفاء ولا يمكن علاجه للعصب البصري. بدون العلاج في الوقت المناسب ، تعاني الرؤية المحيطية ويحدث العمى الكامل في بعض الأحيان.

يظهر أدناه أحد أجهزة الاستشعار التي تقيس IOP. وهي عبارة عن عدسة لاصقة يمكن التخلص منها مع عنصر من مستشعر ضغط MEMS. يتضمن المستشعر حلقة هوائي (خاتم ذهبي) ، ومعالج دقيق للأغراض الخاصة - رقاقة 2 × 2 مم ، ومقاييس سلالة لقياس انحناء القرنية استجابة للتغيرات في ضغط العين. تستقبل حلقة الهوائي الطاقة من نظام مراقبة خارجي وتنقل المعلومات مرة أخرى إلى النظام.

أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي

تُستخدم مقاييس تسارع MEMS في أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة تنظيم ضربات القلب. غالبًا ما يكون المرضى الذين يعانون من خفقان سريع أو فوضوي في خطر أعلى من فشل القلب أو النوبة القلبية.



يدعم جهاز تنظيم ضربات القلب نبضات القلب الطبيعية عن طريق نقل النبضات الكهربائية إلى القلب. تستخدم الأجهزة الحديثة مقاييس تسارع MEMS التي تعدل معدل ضربات القلب وفقًا للنشاط البدني للمريض.

بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي MEMS - مقاييس التسارع والجيروسكوبات - لتطوير واحدة من أكثر الكراسي المتحركة نظامًا غير اعتيادي لنظام iBOT. يسمح الجمع بين العديد من أجهزة الاستشعار للمستخدم بالتحكم في الكرسي المتحرك وضبط ارتفاع المقعد ، مما يجبر عربة الأطفال على التوازن على عجلتين. وبالتالي ، يمكن لشخص على كرسي متحرك أن يتفاعل مع الآخرين وجهًا لوجه.

قياس محولات الطاقة

وقد وجدت محولات الطاقة تطبيقها في السمع. يتم استخدام هذه الأجهزة الكهربائية الصوتية لتلقي وتضخيم وتوجيه الصوت إلى الأذن. وبالتالي ، فإن المعينات السمعية تعوض فقدان السمع وتجعل الإشارات الصوتية أكثر وضوحًا للمستخدم.

وفقًا للإحصاءات ، فإن 80٪ من الأشخاص الذين يعانون من فقدان السمع الجزئي أو الكامل لا يقومون بتركيب أجهزة سمعية. غالبًا ما تكون الأسباب مترددة في التعرف على فقدان السمع والقوالب النمطية الاجتماعية المرتبطة بالمفاهيم الخاطئة حول ارتداء المعينات السمعية. بعد هذه البيانات ، يستثمر العديد من الشركات المصنعة الطاقة والمال في تصغير الأجهزة ، وهو ما لم يؤثر سلبًا على الأداء في الوقت نفسه.



يمكن لتقنيات MEMS تقليل عامل الشكل والتكلفة واستهلاك الطاقة مقارنة بالحلول التقليدية. لذا ، على سبيل المثال ، تشتمل الأجهزة التناظرية ، التي يبلغ حجمها 7.3 مم 3 فقط ، على ميكروفون MEMS ، مناسب كمعينات سمعية.

الأنظمة الديناميكية المائية

الديناميكا الميكروية هو مجال المعرفة العلمية الذي يدرس سلوك الأحجام الصغيرة وتدفق السوائل. يتكون النظام الهيدروديناميكي النموذجي من: الإبر والقنوات والصمامات والمضخات والخلاطات والمرشحات وأجهزة الاستشعار والخزانات.

غالبًا ما تُستخدم هذه الأنظمة لإجراء الاختبارات الطبية بجانب المريض. تلعب هذه الاختبارات والتحليلات دورًا خاصًا في البلدان النامية ، حيث يكون الوصول إلى المستشفيات محدودًا والعلاج مكلفًا. تستخدم أنظمة التشخيص الهيدروديناميكية السوائل الجسدية (لعاب أو عينات دم أو بول) لإعداد العينة مسبقًا للتحليل والكشف عن المكون المطلوب في عينة من المادة ، وكذلك لتحليل البيانات وعرض النتائج. يعد اختبار الحمل من أكثر أنظمة الهيدروديناميكية انتشارًا وانتشارًا.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام هذه الأنظمة لتوصيل الأدوية إلى عضو بشري معين. لذلك ، بمساعدة الإبر الدقيقة ، يتم توصيل الدواء عن طريق الجلد. هناك أيضًا أنظمة توصيل قابلة للزرع (مضخة الأنسولين ، الدعامات مع الأدوية) وأنظمة توصيل الأدوية مباشرة (الجسيمات الدقيقة والنانوية).

بالنسبة لمرضى السكري في عام 2012 ، تم تطوير نظام توصيل الأنسولين الخاص ، JewelPUMP. تم تثبيت النسخة الأولى على رقعة الجلد القابل للتصرف وقدمت إمدادات مستمرة من الأنسولين لجسم الإنسان. كان النظام بأكمله يزن 25 جرامًا فقط ويحتوي على ما يصل إلى 5000 وحدة من الأنسولين ، وهو ما يكفي لمدة 7 أيام دون تجديد إضافي أو استبدال.

إبر ميكروميكانيكية

تسمح تقنيات المعالجة الدقيقة الحديثة بتصنيع إبر أصغر من 300 ميكرون ، وهو الحد الأقصى لطرق المعالجة التقليدية. عادةً ما يبلغ طول إبرة ميكرون MEMS أقل من 1 مم. يتم استخدامها لتوصيل الأدوية ، وتسجيل الإشارات الطبية الحيوية ، وأخذ عينات السوائل ، وعلاج السرطان والتحليل الدقيق.

في كثير من الأحيان يتم دمج هذه الجسيمات الدقيقة في جهاز وتستخدم بالاشتراك مع أنظمة القنوات الدقيقة. يتم تصنيع الجسيمات الدقيقة الصلبة والمجوفة عن طريق المعالجة الدقيقة من السيليكون والزجاج والمعادن والبوليمرات. تأتي بأشكال مختلفة - من أسطواني إلى مثمن.


جزيئات دقيقة صُنعت بواسطة نقش أيوني تفاعلي من السيليكون.

أدوات الجراحة المجهرية

تم تصميم الإجراءات الجراحية طفيفة التوغل لتوفير التشخيص أو المراقبة أو العلاج للأمراض من خلال إجراء عمليات جراحية صغيرة جدًا أو حتى من خلال الفتحات الطبيعية على جسم الإنسان. مزايا هذه الجراحة على الجراحة المفتوحة التقليدية هي ألم أقل ، وضرر ضئيل للأنسجة وعدد الندبات ، والشفاء السريع بعد الجراحة ، وغالبا ما تكون أقل تكلفة للمريض.

تتضمن الإجراءات العامة للجراحة طفيفة التوغل رأب الوعاء والقسطرة والتنظير الداخلي وتنظير البطن وجراحة المخ والأعصاب. أدوات الجراحة المجهرية المستندة إلى MEMS هي أنسب التقنيات في الجراحة طفيفة التوغل.

لذلك لإجراء عملية رأب الأوعية الدموية المصممة لاستعادة تدفق الدم الطبيعي من خلال الشرايين المسدودة ، يتم استخدام دعامات القلب. يتم إدخالها في الأوعية الدموية عن طريق القسطرة لتوسيع الوعاء. هناك نوعان رئيسيان من الدعامات: الدعامات المعدنية والبوليمرية ، والدعامات البوليمر مقسمة بدورها إلى قابلة للامتصاص وغير قابلة للامتصاص. من الواضح أن الأولى أكثر جاذبية لأنها يمكن أن تذوب داخل الجسد بعد الانتهاء من مهمتها.

لقد مر أكثر من 50 عامًا منذ أول إنتاج ضخم لـ MEMS. خلال هذا الوقت ، دخلت تكنولوجيا MEMS الطبية الحيوية حياتنا بثبات: بمساعدتها أصبح من الممكن مساعدة الأشخاص ذوي الإعاقة ، وعلاج الأمراض الخطيرة وإجراء العمليات الجراحية الآمنة. تستمر التكنولوجيا في التطور بسرعة بفضل إنشاء واكتشاف مواد جديدة ، مما يجعل من الممكن تقليل حجم MEMS وبالتالي توسيع نطاق تطبيقها.