Biomechatronika

Biomechatronika to interdyscyplinarna nauka stosowana , której celem jest integracja biologii i mechatroniki ( elektryka , 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 działanie ludzkiego ciała. Na przykład, aby móc podnieść stopę do chodzenia, muszą wystąpić cztery różne kroki. Najpierw impulsy z centrum motorycznego mózgu są wysyłane do mięśni stopy i nóg . Następnie komórki nerwowe w stopach wysyłają informacje, przekazując informacje zwrotne do mózgu, umożliwiając mu dostosowanie grup mięśni lub siły potrzebnej do chodzenia po ziemi. W zależności od rodzaju powierzchni, po której się chodzi, stosuje się różne wartości siły . Następnie wrzecionowate komórki nerwowe mięśni nóg wyczuwają i wysyłają pozycję podłogi z powrotem do mózgu . Wreszcie, kiedy stopa jest podnoszona do kroku, do mięśni nóg i stopy wysyłane są sygnały, aby ją położyć.

Bioczujniki

Bioczujniki służą do wykrywania tego, co użytkownik chce zrobić lub jego zamiarów i ruchów. W niektórych urządzeniach informacje mogą być przekazywane przez układ nerwowy lub mięśniowy użytkownika . Informacje te są przekazywane przez biosensor do kontrolera , który może być umieszczony wewnątrz lub na zewnątrz urządzenia biomechatronicznego. Dodatkowo bioczujniki otrzymują informacje o kończyny oraz sile z kończyny i siłownika . Biosensory występują w różnych formach. Mogą to być druty wykrywające aktywność elektryczną , elektrody igłowe wszczepiane w mięśnie oraz układy elektrod z wyrastającymi przez nie nerwami .

Czujniki elektromechaniczne

Celem czujników mechanicznych jest pomiar informacji o urządzeniu biomechatronicznym i powiązanie tych informacji z biosensorem lub kontrolerem. Ponadto wiele czujników jest używanych w szkołach, takich jak między innymi Case Western Reserve University, University of Pittsburgh, Johns Hopkins University, w celu rejestrowania bodźców fizycznych i przekształcania ich w sygnały neuronowe dla podobszaru biomechatroniki zwanego neuromechatroniką.

Kontroler

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

Uruchamiacz

Siłownik może być sztucznym mięśniem, ale może to być dowolna część systemu, która zapewnia efekt zewnętrzny w oparciu o wejście sterujące. W przypadku siłownika mechanicznego jego zadaniem jest wytwarzanie siły i ruchu. W zależności od tego, czy urządzenie jest ortetyczne , czy protetyczne , siłownikiem może być silnik, który wspomaga lub zastępuje pierwotny mięsień użytkownika. Wiele takich systemów faktycznie obejmuje wiele siłowników.

Badania

Biomechatronika to szybko rozwijająca się dziedzina, ale na razie jest bardzo niewiele laboratoriów prowadzących badania. Shirley Ryan AbilityLab (dawniej Rehabilitation Institute of Chicago ), Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley , MIT , Uniwersytet Stanforda i Uniwersytet Twente w Holandii są liderami badań w dziedzinie biomechatroniki. W obecnych badaniach podkreśla się trzy główne obszary.

  1. Analiza złożonych ruchów człowieka, aby pomóc w projektowaniu urządzeń biomechatronicznych
  2. Badanie, w jaki sposób urządzenia elektroniczne mogą być połączone z układem nerwowym.
  3. Testowanie sposobów wykorzystania żywej tkanki mięśniowej jako siłowników dla urządzeń elektronicznych

Analiza ruchów

Potrzebna jest duża analiza 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 neuronowy

Interfejs umożliwia urządzeniom biomechatronicznym łączenie się z układami mięśniowymi i nerwami użytkownika w celu wysyłania i odbierania informacji z urządzenia. Jest to technologia niedostępna w zwykłych urządzeniach ortotycznych i protetycznych . Grupy z University of Twente i University of Malaya podejmują drastyczne kroki na tym wydziale. Tamtejsi naukowcy opracowali urządzenie, które pomoże leczyć z paraliżem i udarem mózgu, które nie są w stanie kontrolować stopy podczas chodzenia. Naukowcy zbliżają się też do przełomu, który pozwoliłby osobie z amputowaną nogą kontrolować protezę za pomocą mięśni kikuta.

Naukowcy z MIT opracowali narzędzie zwane systemem MYO-AMI, które pozwala na proprioceptywne sprzężenie zwrotne (wyczuwanie pozycji) w kończynie dolnej (nodze, piszczelowej). Jeszcze inni koncentrują się na interfejsie dla kończyny górnej (Functional Neural Interface Lab, CWRU). Istnieją zarówno podejścia do OUN, jak i PNS, które dalej dzielą się na techniki dotyczące mózgu, rdzenia kręgowego, zwoju korzenia grzbietowego, nerwu rdzeniowego/czaszkowego i efektorów końcowych, a także niektóre techniki czysto chirurgiczne bez elementu urządzenia (patrz Ukierunkowane Reinerwowanie Mięśni).

badania MIT

Hugh Herr jest czołowym biomechatronikiem w MIT . Herr i jego grupa naukowców opracowują sitową elektrodę z obwodem scalonym i urządzenia protetyczne, które zbliżają się do naśladowania rzeczywistych ruchów człowieka. Dwa obecnie produkowane protezy będą kontrolować ruch kolana, a drugi sztywność stawu skokowego.

Robotyczna ryba

Jak wspomniano wcześniej, Herr i jego współpracownicy stworzyli robotyczną rybę napędzaną żywą tkanką mięśniową pobraną z żabich udek. Robo-ryba była prototypem urządzenia biomechatronicznego z żywym siłownikiem. Rybom nadano następujące cechy.

  • Styropianowy spławik, dzięki któremu ryba może pływać
  • Przewody elektryczne do połączeń
  • Silikonowy ogon, który umożliwia użycie siły podczas pływania
  • Zasilanie zapewniane przez baterie litowe
  • Mikrokontroler do sterowania ruchem
  • Czujnik podczerwieni umożliwia komunikację mikrokontrolera z urządzeniem przenośnym
  • Mięśnie stymulowane przez urządzenie elektroniczne

Badania sztuki

Artyści nowych mediów na UCSD używają biomechatroniki w dziełach sztuki performance, takich jak Technesexual ( więcej informacji , zdjęcia , wideo ), spektakl wykorzystujący czujniki biometryczne do łączenia prawdziwych ciał wykonawców z ich awatarami z Second Life i Slapshock ( więcej informacji , zdjęcia , wideo ), w którym medyczne jednostki TENS są wykorzystywane do eksploracji intersubiektywnej symbiozy w intymnych związkach.

Wzrost

Popyt na urządzenia biomechatroniczne jest najwyższy w historii i nie wykazuje oznak spowolnienia. Wraz ze wzrostem postępu technologicznego w ostatnich latach, biomechatronicy byli w stanie skonstruować protezy kończyn, które są w stanie odtworzyć funkcjonalność ludzkich przydatków. Do takich urządzeń należą „i-limb”, opracowana przez firmę protetyczną Touch Bionics, pierwsza w pełni funkcjonalna proteza ręki z przegubowymi stawami, a także Herr's PowerFoot BiOM, pierwsza proteza nogi zdolna do symulacji procesów mięśniowych 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 procent.

Wielu badaczy biomechatroniki ściśle współpracuje z organizacjami wojskowymi. Amerykański Departament Spraw Weteranów i Departament Obrony przekazują fundusze różnym laboratoriom, aby pomóc żołnierzom i weteranom wojennym.

Jednak pomimo popytu technologie biomechatroniczne borykają się z problemami na rynku ochrony zdrowia ze względu na wysokie koszty i brak implementacji w polisach ubezpieczeniowych. Herr twierdzi, że szczególnie Medicare i Medicaid są ważnymi „przełomami rynku lub animatorami rynku dla wszystkich tych technologii” i że technologie te nie będą dostępne dla wszystkich, dopóki technologie nie osiągną przełomu. Urządzenia biomechatroniczne, chociaż ulepszone, nadal napotykają przeszkody mechaniczne, cierpiąc z powodu niewystarczającej mocy baterii, stałej niezawodności mechanicznej i połączeń neuronowych między protezami a ludzkim ciałem.

Zobacz też

Notatki

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biomechatronics&oldid=1086731045 ”