Биомехатроника - Biomechatronics

Biomechatronics является прикладной междисциплинарная наука , которая направлена на интеграцию биологии и мехатроники ( электрические , электронные и механические инженерные). Он также охватывает области робототехники и нейробиологии . Биомехатронные устройства охватывают широкий спектр приложений от разработки протезов конечностей до инженерных решений, касающихся дыхания, зрения и сердечно-сосудистой системы.

Как это устроено

Биомехатроника имитирует работу человеческого тела. Например, необходимо выполнить четыре разных шага, чтобы можно было поднять ногу для ходьбы. Сначала импульсы из двигательного центра головного мозга направляются в мышцы стопы и голени . Затем нервные клетки в стопах отправляют информацию, обеспечивая обратную связь в мозг, позволяя ему регулировать группы мышц или величину силы, необходимой для ходьбы по земле. В зависимости от типа поверхности, по которой ходят, прилагается разное количество силы . Затем нервные клетки веретена мышц ноги воспринимают и отправляют положение пола обратно в мозг . Наконец, когда ступня поднимается для шага, мышцам ноги и ступни посылаются сигналы, чтобы она опустилась.

Биосенсоры

Биосенсоры используются для определения того, что пользователь хочет делать, его намерений и движений. В некоторых устройствах информация может передаваться нервной системой или мышечной системой пользователя . Эта информация связана биосенсором с контроллером, который может быть расположен внутри или снаружи биомехатронного устройства. Кроме того, биосенсоры получают информацию о положении конечности и силе от конечности и исполнительного механизма . Биосенсоры бывают разных форм. Это могут быть провода, определяющие электрическую активность , игольчатые электроды, имплантированные в мышцы , и наборы электродов с растущими через них нервами .

Механические датчики

Назначение механических датчиков - измерять информацию о биомехатронном устройстве и передавать эту информацию биосенсору или контроллеру.

Контроллер

Контроллер в биомехатронном устройстве передает намерения пользователя исполнительным механизмам. Он также интерпретирует информацию обратной связи для пользователя, поступающую от биосенсоров и механических датчиков. Другая функция контроллера - управлять перемещениями биомехатронного устройства.

Привод

Привод - это искусственная мышца. Его работа - создавать силу и движение. В зависимости от того, является ли устройство ортопедическим или протезным, приводом может быть двигатель, который помогает или заменяет исходную мышцу пользователя.

Исследование

Биомехатроника - это быстрорастущая область, но на данный момент очень мало лабораторий, которые проводят исследования. Ширли Райан AbilityLab (бывший институт реабилитации Чикаго ), Калифорнийский университет в Беркли , MIT , Stanford University и Университета Твенте в Нидерландах являются лидерами , исследующих в biomechatronics. В данном исследовании выделяются три основных направления.

  1. Анализ сложных движений человека для помощи в разработке биомехатронных устройств.
  2. Изучение того, как электронные устройства могут взаимодействовать с нервной системой.
  3. Тестирование способов использования живой мышечной ткани в качестве исполнительных механизмов для электронных устройств

Анализ движений

Требуется тщательный анализ движения человека, потому что движение человека очень сложное. MIT и Университет Твенте работают над анализом этих движений. Они делают это с помощью комбинации компьютерных моделей , систем камер и электромиограмм .

Взаимодействие

Интерфейс позволяет устройствам биомехатроники подключаться к мышечным системам и нервам пользователя, чтобы отправлять и получать информацию от устройства. Это технология, недоступная в обычных ортопедических и протезных устройствах. Группы в Университете Твенте и Университете Малайи делают решительные шаги в этом направлении. Ученые разработали устройство, которое поможет вылечить жертв паралича и инсульта , которые не могут держать ногу во время ходьбы. Исследователи также близки к прорыву, который позволит человеку с ампутированной ногой управлять протезом ноги через мышцы культи.

Исследование Массачусетского технологического института

Хью Херр - ведущий ученый-биомехатроник Массачусетского технологического института . Герр и его группа исследователей разрабатывают электрод с ситовой интегральной схемой и протезы, которые приближаются к имитации реальных движений человека. Два протеза, которые в настоящее время создаются, будут контролировать движение колена, а другой - жесткость голеностопного сустава.

Роботизированная рыба

Как упоминалось ранее, Херр и его коллеги создали роботизированную рыбу, которая приводится в движение живой мышечной тканью, взятой из лягушачьих лап. Роботизированная рыба была прототипом биомехатронного устройства с живым исполнительным механизмом. Рыбам были присвоены следующие характеристики.

  • Поплавок из пенополистирола, чтобы рыба могла плавать
  • Электрические провода для соединений
  • Силиконовый хвост, обеспечивающий силу во время плавания
  • Питание от литиевых батарей
  • Микроконтроллер для управления движением
  • Инфракрасный датчик позволяет микроконтроллеру обмениваться данными с портативным устройством.
  • Мышцы, стимулируемые электронным блоком

Исследования в области искусства

Новые медиа-художники в UCSD используют биомехатронику в произведениях искусства перформанса, таких как Technesexual ( дополнительная информация , фотографии , видео ), перформанс, в котором используются биометрические датчики для соединения реальных тел исполнителей с их аватарами из Second Life и Slapshock ( дополнительная информация , фотографии , видео ), в котором медицинские блоки TENS используются для исследования межсубъективного симбиоза в интимных отношениях.

Рост

Спрос на биомехатронные устройства находится на рекордно высоком уровне и не показывает никаких признаков снижения. С ростом технологического прогресса в последние годы исследователи-биомехатроны смогли сконструировать протезы конечностей, которые способны воспроизводить функции человеческих придатков. К таким устройствам относятся «i-limb», разработанный протезной компанией Touch Bionics, первый полностью функционирующий протез руки с шарнирными суставами, а также PowerFoot BiOM Herr, первый протез ноги, способный имитировать мышечные и сухожильные процессы в человеческом теле. Биомехатронные исследования также помогли дальнейшим исследованиям в направлении понимания функций человека. Исследователи из Карнеги-Меллона и штата Северная Каролина создали экзоскелет, который снижает метаболические затраты при ходьбе примерно на 7 процентов.

Многие исследователи биомехатроники тесно сотрудничают с военными организациями. Департамент США по делам ветеранов и Министерство обороны дают средства для различных лабораторий для помощи солдат и ветеранов войны.

Однако, несмотря на спрос, биомехатронные технологии борются на рынке здравоохранения из-за высокой стоимости и отсутствия их включения в страховые полисы. Герр утверждает, что Medicare и Medicaid в частности являются важными «прорывом или маркет-мейкерами для всех этих технологий», и что технологии не будут доступны для всех, пока технологии не станут прорывными. Биомехатронные устройства, хотя и улучшенные, все еще сталкиваются с механическими препятствиями, страдая от недостаточного заряда батареи, постоянной механической надежности и нейронных связей между протезами и телом человека.

Смотрите также

Ноты

внешние ссылки