Biomechatronika - Biomechatronics

Biomechatronika to interdyscyplinarna nauka stosowana, której celem jest integracja biologii i mechatroniki ( elektrotechnika , elektronika i inżynieria mechaniczna ). Obejmuje również dziedziny robotyki i neuronauki . Urządzenia biomechatroniczne obejmują szeroki zakres zastosowań, od opracowywania protez kończyn po rozwiązania inżynieryjne dotyczące oddychania, wzroku i układu sercowo-naczyniowego.

Jak to działa

Biomechatronika naśladuje sposób działania ludzkiego ciała. Na przykład, aby móc podnieść stopę do chodzenia, muszą wystąpić cztery różne kroki. Najpierw impulsy z motorycznego centrum mózgu są wysyłane do mięśni stóp i nóg . Następnie komórki nerwowe w stopach wysyłają informacje, dostarczając informacji zwrotnej do mózgu, umożliwiając mu dostosowanie grup mięśni lub siły potrzebnej do przejścia po ziemi. W zależności od rodzaju chodzonej powierzchni przykładane są różne siły . Następnie komórki nerwowe wrzecion mięśni nóg wykrywają i przesyłają położenie podłogi z powrotem do mózgu . Wreszcie, gdy stopa jest podniesiona do kroku, do mięśni nóg i stopy wysyłane są sygnały, aby ją postawić.

Biosensory

Biosensory służą do wykrywania tego, co użytkownik chce zrobić, jego zamiarów i ruchów. W niektórych urządzeniach informacje mogą być przekazywane przez układ nerwowy lub układ mięśniowy użytkownika . Ta informacja jest powiązana przez biosensor z kontrolerem, który może być umieszczony wewnątrz lub na zewnątrz urządzenia biomechatronicznego. Dodatkowo bioczujniki odbierają informacje o położeniu kończyny i sile z kończyny i siłownika . Biosensory występują w różnych formach. Mogą to być druty wykrywające aktywność elektryczną , elektrody igłowe wszczepiane w mięśnie oraz zespoły elektrod z rosnącymi przez nie nerwami .

Czujniki mechaniczne

Zadaniem czujników mechanicznych jest pomiar informacji o urządzeniu biomechatronicznym i powiązanie tych informacji z biosensorem lub kontrolerem.

Kontroler

Sterownik w urządzeniu biomechatronicznym przekazuje intencje użytkownika do siłowników. Interpretuje również informacje zwrotne dla użytkownika, które pochodzą z biosensorów i czujników mechanicznych. Drugą funkcją sterownika jest sterowanie ruchami urządzenia biomechatronicznego.

Uruchamiacz

Siłownik to sztuczny mięsień. Jego zadaniem jest wytwarzanie siły i ruchu. W zależności od tego, czy urządzenie jest ortotyczne, czy protetyczne, siłownik może być silnikiem wspomagającym lub zastępującym pierwotny mięsień użytkownika.

Badania

Biomechatronika to szybko rozwijająca się dziedzina, ale obecnie istnieje bardzo niewiele laboratoriów prowadzących badania. Shirley Ryan AbilityLab (dawniej Rehabilitation Institute of Chicago ), University of California w Berkeley , MIT , Stanford University i University of Twente w Holandii są liderami badania w biomechatronics. W obecnych badaniach podkreślono trzy główne obszary.

  1. Analiza ruchów człowieka, które są złożone, aby pomóc w projektowaniu urządzeń biomechatronicznych
  2. Badanie sposobów łączenia urządzeń elektronicznych z układem nerwowym.
  3. Testowanie sposobów wykorzystania żywej tkanki mięśniowej jako siłowników dla urządzeń elektronicznych

Analiza ruchów

Potrzeba wielu analiz dotyczących ruchu człowieka, ponieważ ruch człowieka jest bardzo złożony. MIT i University of Twente pracują nad analizą tych ruchów. Robią to poprzez połączenie modeli komputerowych , systemów kamer i elektromiogramów .

Interfejs

Interfejs pozwala urządzeniom biomechatronicznym łączyć się z układami mięśniowymi i nerwami użytkownika w celu wysyłania i odbierania informacji z urządzenia. Jest to technologia niedostępna w zwykłych ortezach i urządzeniach protetycznych . Grupy na University of Twente i University of Malaya podejmują drastyczne kroki na tym wydziale. Tamtejsi naukowcy opracowali urządzenie, które pomoże w leczeniu paraliżu i udarów, które nie są w stanie kontrolować stopy podczas chodzenia. Naukowcy zbliżają się również do przełomu, który pozwoliłby osobie z amputowaną nogą kontrolować protezę nogi za pomocą mięśni kikuta.

Badania MIT

Hugh Herr jest czołowym naukowcem w dziedzinie biomechatroniki w MIT . Herr i jego grupa naukowców opracowują sitową elektrodę z obwodem scalonym i urządzenia protetyczne, które są coraz bliżej naśladowania rzeczywistych ruchów człowieka. Dwa aktualnie tworzone protezy będą kontrolować ruch kolana, a drugie będą kontrolować sztywność stawu skokowego.

Ryba-robot

Jak wspomniano wcześniej, Herr i jego koledzy stworzyli robotyczną rybę napędzaną żywą tkanką mięśniową pobraną z żabich udek. Ryba-robot była prototypem urządzenia biomechatronicznego z żywym siłownikiem. Rybie nadano następujące cechy.

  • Spławik ze styropianu, dzięki któremu ryba może pływać
  • Przewody elektryczne do połączeń
  • Silikonowy ogon umożliwiający siłę podczas pływania
  • Zasilanie zapewniają baterie litowe
  • Mikrokontroler do sterowania ruchem
  • Czujnik podczerwieni umożliwia komunikację mikrokontrolera z urządzeniem podręcznym
  • Mięśnie stymulowane przez jednostkę elektroniczną

Badania artystyczne

Artyści nowych mediów na UCSD wykorzystują biomechatronikę w sztukach performatywnych, takich jak Technesexual ( więcej informacji , zdjęcia , wideo ), spektakl, który wykorzystuje czujniki biometryczne do łączenia prawdziwych ciał wykonawców z ich awatarami Second Life i Slapshock ( więcej informacji , zdjęcia , wideo ), w którym aparaty medyczne TENS są wykorzystywane do badania intersubiektywnej symbiozy w związkach intymnych.

Wzrost

Zapotrzebowanie na urządzenia biomechatroniczne jest wszech czasów wysokie i nie wykazuje oznak spowolnienia. Wraz z postępem technologicznym w ostatnich latach, naukowcom biomechatronicznym udało się skonstruować protezy kończyn, które są w stanie odtworzyć funkcjonalność ludzkich przydatków. Do takich urządzeń można zaliczyć „i-limb”, opracowaną przez firmę protetyczną Touch Bionics, pierwszą w pełni funkcjonującą protezę ręki z przegubowymi stawami, a także Herr's PowerFoot BiOM, pierwszą protezę nogi, która może symulować procesy mięśni i ścięgien w ludzkim ciele. Badania biomechatroniczne pomogły również w dalszych badaniach nad zrozumieniem funkcji człowieka. Naukowcy z Carnegie Mellon i stanu Karolina Północna stworzyli egzoszkielet, który zmniejsza metaboliczny koszt chodzenia o około 7%.

Wielu badaczy biomechatroników ściśle współpracuje z organizacjami wojskowymi. US Department of Veterans Affairs i Departament Obrony dają fundusze do różnych laboratoriach, aby pomóc żołnierzy i weteranów wojennych.

Jednak pomimo zapotrzebowania technologie biomechatroniczne na rynku ochrony zdrowia mają problemy ze względu na wysokie koszty i brak implementacji do polis ubezpieczeniowych. Herr twierdzi, że Medicare i Medicaid w szczególności są ważnymi „przełomami rynkowymi lub animatorami rynku dla wszystkich tych technologii” i że technologie te nie będą dostępne dla wszystkich, dopóki technologie nie zostaną przełomowe. Urządzenia biomechatroniczne, chociaż ulepszone, nadal napotykają przeszkody mechaniczne, cierpią z powodu niewystarczającej mocy baterii, stałej niezawodności mechanicznej i połączeń neuronowych między protetyką a ludzkim ciałem.

Zobacz też

Uwagi

Linki zewnętrzne