Биомехатроника

Биомехатроника — прикладная междисциплинарная наука, целью которой является интеграция биологии и мехатроники ( электрики , электроники и машиностроения ). Он также охватывает области робототехники и нейробиологии . Биомехатронные устройства охватывают широкий спектр применений: от разработки протезов конечностей до инженерных решений, касающихся дыхания, зрения и сердечно-сосудистой системы. ^[1]

Как это работает

Биомехатроника имитирует работу человеческого тела. Например, чтобы поднять ногу и начать ходить, необходимо сделать четыре разных шага. Сначала импульсы из двигательного центра мозга передаются мышцам стоп и ног . Затем нервные клетки стоп посылают информацию, обеспечивая обратную связь с мозгом, позволяя ему регулировать группы мышц или количество силы, необходимой для ходьбы по земле. разное количество энергии В зависимости от типа поверхности, по которой ходят, применяется ноги мышечного веретена . Затем нервные клетки определяют положение пола и отправляют его обратно в мозг . посылаются сигналы Наконец, когда ступня поднимается для шага, мышцам голени и ступни о необходимости опустить ее.

Биосенсоры

Биосенсоры определяют, что хочет сделать пользователь, его намерения и движения. пользователя В некоторых устройствах информация может передаваться нервной или мышечной системой . Эта информация передается биосенсором контроллеру , который может располагаться внутри или снаружи биомехатронного устройства. Кроме того, биосенсоры получают информацию о положении конечности и силе со стороны конечности и привода . Биосенсоры бывают разных форм. Это могут быть провода, определяющие электрическую активность , игольчатые электроды, имплантированные в мышцы , и массивы электродов, через которые прорастают нервы .

Электромеханические датчики

Целью механических датчиков является измерение информации о биомехатронном устройстве и передача этой информации биосенсору или контроллеру.Кроме того, многие датчики используются в школах, таких как Университет Кейс Вестерн Резерв, Питтсбургский университет, Университет Джонса Хопкинса и другие, с целью записи физических стимулов и преобразования их в нейронные сигналы для подобласти биомехатроники, называемой нейромехатроника.

Контроллер

Контроллер биомехатронного устройства передает намерения пользователя исполнительным механизмам. Он также интерпретирует пользователю информацию обратной связи, поступающую от биосенсоров и механических датчиков. Другая функция контроллера — управление движениями биомехатронного устройства.

Привод

Исполнительным механизмом может быть искусственная мышца, но это может быть любая часть системы, обеспечивающая внешний эффект на основе управляющего сигнала. Задача механического привода — создавать силу и движение. В зависимости от того, является ли устройство ортопедическим или протезным, привод может представлять собой двигатель, который помогает или заменяет исходную мышцу пользователя. Многие такие системы на самом деле включают в себя несколько приводов.

Исследовать

Биомехатроника — быстро развивающаяся область, но на данный момент существует очень мало лабораторий, которые проводят исследования. Лаборатория Ширли Райан Способность (ранее Чикагский институт реабилитации ), Калифорнийский университет в Беркли , Массачусетский технологический институт , Стэнфордский университет и Университет Твенте в Нидерландах являются лидерами исследований в области биомехатроники. В текущих исследованиях особое внимание уделяется трем основным направлениям.

Анализ сложных движений человека для помощи в разработке биомехатронных устройств.
Изучение того, как электронные устройства могут быть связаны с нервной системой.
Тестирование способов использования живой мышечной ткани в качестве приводов электронных устройств.

Анализ движений

Необходим тщательный анализ движений человека, поскольку движение человека очень сложное. Массачусетский технологический институт и Университет Твенте работают над анализом этих движений. Они делают это с помощью комбинации компьютерных моделей , систем камер и электромиограмм .

Нейронный интерфейс

Интерфейс позволяет устройствам биомехатроники соединяться с мышечными системами и нервами пользователя для отправки и получения информации от устройства. Это технология, которой нет в обычных ортопедических и протезных устройствах. Группы в Университете Твенте и Университете Малайи предпринимают решительные шаги в этом направлении. Тамошние ученые разработали устройство, которое поможет лечить жертв паралича и инсульта , которые не могут контролировать свою ногу во время ходьбы. Исследователи также близки к прорыву, который позволит человеку с ампутированной ногой управлять своей протезной ногой через мышцы культи.

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали инструмент под названием система MYO-AMI, который позволяет осуществлять проприоцептивную обратную связь (ощущение положения) в нижних конечностях (ноги, транстибиальные мышцы). Третьи сосредоточены на взаимодействии верхних конечностей (Лаборатория функционального нейронного интерфейса, CWRU). Существуют подходы как для ЦНС, так и для ПНС, которые подразделяются на методы головного мозга, спинного мозга, дорсальных корешков, спинномозговых/черепных нервов и концевых эффекторных методов, а также некоторые чисто хирургические методы без каких-либо устройств (см. Направленная реиннервация мышц).

исследования Массачусетского технологического института

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

Роботизированная рыба

Как упоминалось ранее, Герр и его коллеги создали роботизированную рыбу , которая приводилась в движение живой мышечной тканью, взятой из лягушачьих лапок. Роботизированная рыба представляла собой прототип биомехатронного устройства с живым приводом. Рыбе были присвоены следующие характеристики. ^[2]

Пенопластовый поплавок, чтобы рыба могла плавать.
Электрические провода для соединений
Силиконовый хвост, обеспечивающий силу во время плавания.
Питание обеспечивается литиевыми батареями
Микроконтроллер для управления движением
Инфракрасный датчик позволяет микроконтроллеру взаимодействовать с портативным устройством.
Мышцы, стимулируемые электронным блоком

Исследования в области искусства

Художники новых медиа в Калифорнийском университете в Сан-Франциско используют биомехатронику в произведениях перформанса, таких как «Технесексуал» ( подробнее , фотографии , видео ), перформанс, в котором используются биометрические датчики для соединения реальных тел исполнителей с их аватарами из Second Life, и «Slapshock» ( подробнее). , фото , видео ), в которых используются медицинские установки ДЭНС для исследования интерсубъективного симбиоза в интимных отношениях.

Рост

Спрос на биомехатронные устройства находится на рекордно высоком уровне и не показывает никаких признаков замедления. Благодаря развитию технологий в последние годы исследователи биомехатроники смогли создать протезы конечностей, способные повторять 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 от Herr, первый протез ноги, способный имитировать мышечные и сухожильные процессы в человеческом теле. ^[4] Биомехатронные исследования также помогли дальнейшим исследованиям в области 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. Министерство по делам ветеранов США и Министерство обороны выделяют средства различным лабораториям для помощи солдатам и ветеранам войны. ^[2]

Однако, несмотря на спрос, биомехатронные технологии испытывают трудности на рынке здравоохранения из-за высоких затрат и отсутствия внедрения в страховые полисы. Герр утверждает, что Medicare и Medicaid, в частности, являются важными «разрушителями рынка или создателями рынка для всех этих технологий», и что технологии не будут доступны всем, пока они не достигнут прорыва. ^[6] Биомехатронные устройства, хотя и совершенствуются, также по-прежнему сталкиваются с механическими препятствиями, страдающими от недостаточного заряда батареи, постоянной механической надежности и нейронных связей между протезами и человеческим телом. ^[7]

См. также

Примечания

^ Брукер, Грэм (2012). Введение в биомехатронику . Университет Сиднея, Австралия. ISBN 978-1-891121-27-2 .
^ Jump up to: ^а ^б Крейг Фрейденрих. «Как работает биомехатроника» . Как все работает . Проверено 29 июля 2016 г.
^ «Прикосновение бионики» . Проверено 29 июля 2016 г.
^ Шаер, Мэтью (ноябрь 2014 г.). «Это будущее роботизированных ног?» . Смитсоновский журнал .
^ «Исследователи повышают эффективность ходьбы человека» (Пресс-релиз). НФС . Проверено 29 июля 2016 г.
^ Джонсон, Брайан (22 апреля 2014 г.). «Оставятся ли пациенты Medicare в стороне от бионической революции?» . Бостон Глобус . Архивировано из оригинала 22 июля 2016 г. Проверено 29 июля 2016 г.
^ Фаннинг, Пол (13 марта 2014 г.). «Как биомехатронное протезирование меняет лицо инвалидности» . Журнал «Эврика» . Проверено 29 июля 2016 г.

Внешние ссылки

[1] Брукер, Грэм (2012). Введение в биомехатронику . Университет Сиднея, Австралия. ISBN 978-1-891121-27-2 .

[How_Biomechatronics_Works-2] Jump up to: ^а ^б Крейг Фрейденрих. «Как работает биомехатроника» . Как все работает . Проверено 29 июля 2016 г.

[3] «Прикосновение бионики» . Проверено 29 июля 2016 г.

[4] Шаер, Мэтью (ноябрь 2014 г.). «Это будущее роботизированных ног?» . Смитсоновский журнал .

[5] «Исследователи повышают эффективность ходьбы человека» (Пресс-релиз). НФС . Проверено 29 июля 2016 г.

[6] Джонсон, Брайан (22 апреля 2014 г.). «Оставятся ли пациенты Medicare в стороне от бионической революции?» . Бостон Глобус . Архивировано из оригинала 22 июля 2016 г. Проверено 29 июля 2016 г.

[7] Фаннинг, Пол (13 марта 2014 г.). «Как биомехатронное протезирование меняет лицо инвалидности» . Журнал «Эврика» . Проверено 29 июля 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

v т и Интерфейс мозг-компьютер
Технологии	Биомехатроника Мозговой имплантат БрейнГейт Брэйнпорт Киберпрограммное обеспечение экзокортекс Усиление интеллекта Изолированный мозг Нейропротезирование Нейротехнологии Оптогенетика Сенсорное замещение Стентроде Синтетическая телепатия
Научные явления	Электрокортикография (ЭКоГ) Нейронный ансамбль Нейропластичность
Дисциплины	Когнитивная наука Когнитивная нейробиология Вычислительная нейробиология НБИК Нейронная инженерия Нейронаука
Спекулятивный	Трансплантация мозга Киборг Разум загрузки
Люди	Чарльз Штраус Дуглас Энгельбарт Хью Лорд JCR Ликлайдер Кевин Уорвик Мэтт Нэгл Мерлин Дональд Мигель Николелис Питер Киберд Стив Манн Вернор Уинг Йоки Мацуока Эдвард Бойден
Другой	Улучшение человека Нейрохакинг Гипотеза моделирования Трансгуманизм Проект «Иди снова»
Категория Коммонс

v т и Темы, связанные с биологией
Индекс
Люди и история	Биолог Известные биологи История биологии Нобелевская премия по физиологии и медицине Хронология биологии и органической химии Список генетиков и биохимиков
Учреждения, публикации	Бакалавр Публикации
Термины и фразы	Все оживает из яйца В естественных условиях В пробирке Внутриутробно В силиконе
Связанные дисциплины	Медицина ( Врач ) Физическая антропология Наука об окружающей среде Науки о жизни Биотехнология
Другой	Список тем сохранения Altricial и Precocial Стратегии развития