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. [1]
Как это работает [ править ]
Биомехатроника имитирует работу человеческого тела. Например, необходимо выполнить четыре различных шага, чтобы можно было поднять ногу для ходьбы. Сначала импульсы из двигательного центра мозга направляются в мышцы стопы и голени . Затем нервные клетки в ногах отправляют информацию, обеспечивая обратную связь с мозгом, 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 мышечного веретена ноги ощущают и отправляют положение пола обратно в мозг.. Наконец, когда ступня поднимается на ступеньку, мышцам ноги и ступни посылаются сигналы, чтобы она опустилась.
Биосенсоры [ править ]
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 счерез них прорастают нервы .
Механические датчики [ править ]
Назначение механических датчиков - измерять информацию о биомехатронном устройстве и передавать эту информацию биосенсору или контроллеру.
Контроллер [ править ]
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 [ править ]
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 [ править ]
Биомехатроника - 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 настоящем исследовании выделяются три основных направления.
- Анализ сложных движений человека для помощи в разработке биомехатронных устройств.
- Изучение того, как электронные устройства могут взаимодействовать с нервной системой.
- Тестирование способов использования живой мышечной ткани в качестве исполнительных механизмов для электронных устройств
Анализ движений [ править ]
Необходим большой анализ человеческих движений, потому что человеческие движения очень сложны. Массачусетский технологический институт и Университет Твенте работают над анализом этих движений. Они делают это с помощью комбинации компьютерных моделей , систем камер и электромиограмм .
Взаимодействие [ править ]
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 своим протезом. ногу через мышцы культи.
Исследование Массачусетского технологического института [ править ]
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 другое - жесткость голеностопного сустава.
Роботизированные рыбы [ править ]
Как упоминалось ранее, Херр и его коллеги создали роботизированную рыбу, которая приводится в движение живой мышечной тканью, взятой из лягушачьих лапок. Роботизированная рыба была прототипом биомехатронного устройства с живым исполнительным механизмом. Рыбам были присвоены следующие характеристики. [2]
- 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 [ править ]
Новые медиа-художники в UCSD используют биомехатронику в произведениях искусства, 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 [ править ]
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 функциональность человеческих придатков. К таким устройствам относятся «i-limb», разработанный протезной компанией Touch Bionics, первый полностью функционирующий протез руки с шарнирными суставами [3], а также PowerFoot BiOM Герра, первый протез ноги, способный имитировать процессы в мышцах и сухожилиях внутри тела. тело человека. [4] 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. [5]
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. [2]
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. [6] 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. [7]
См. Также [ править ]
- Искусственный кардиостимулятор
- Искусственная мышца
- Биомеханика
- Биомедицинская инженерия
- Бионика
- Интерфейс мозг – компьютер
- Кибернетика
- Cyberware
- Геронтехнология
- Мехатроника
- Нейронная инженерия
- Нейропротезирование
- Ортопедия
- Протезирование
Заметки [ править ]
- ^ Брукер, Грэм (2012). Введение в биомехатронику . Сиднейский университет, Австралия. ISBN 978-1-891121-27-2.
- ^ а б Крейг Фройденрих. «Как работает биомехатроника» . HowStuffWorks . Проверено 29 июля, 2016 .
- ^ "Touch Bionics" . Проверено 29 июля, 2016 .
- ^ Шаер, Мэтью (ноябрь 2014 г.). "Это будущее роботизированных ног?" . Смитсоновский журнал .
- ^ «Исследователи повышают эффективность ходьбы человека» (пресс-релиз). NSF . Проверено 29 июля, 2016 .
- ^ Джонсон, Брайан (2014-04-22). «Неужели пациенты Medicare останутся в стороне от бионической революции?» . Бостон Глоуб . Проверено 29 июля, 2016 .
- Рианна Фаннинг, Пол (13 марта 2014 г.). «Как биомехатронное протезирование меняет лицо инвалидов» . Журнал Эврика . Проверено 29 июля, 2016 .
Внешние ссылки [ править ]
- Лаборатория биомехатроники Массачусетского технологического института
- Лаборатория биомехатроники в Реабилитационном институте Чикаго
- Лаборатория биомехатроники в Университете Твенте
- Лаборатория экспериментальной биомехатроники в Университете Карнеги-Меллона
- Лаборатория биомехатроники Любекского университета
- Лаборатория биомехатроники в Имперском колледже Лондона
- Лаборатория биомехатроники Технического университета Ильменау