Cum Funcționează Biomecatronica

{h1}

În serialul de televiziune „the six million doll man”, oamenii de știință refac un pilot de teste care a pierdut picioarele, un braț și un ochi. În timp ce aceasta este ficțiune totală, un câmp emergent cunoscut sub numele de biomecatronică se apropie de această viziune.

În serialul de televiziune „The Six Million Doll Man”, oamenii de știință refac un pilot de teste care a pierdut picioarele, un braț și un ochi. Au tehnologia, așa că îl reconstruiesc pe Steve Austin și îi conferă calități supraumane. Deși este o science-fiction totală, robotica modernă se apropie din ce în ce mai mult de această viziune într-un domeniu cunoscut sub numele de biomecatronică.

Biomecatronica este fuziunea omului cu mașina - ca cyborgul science fiction. Este un domeniu interdisciplinar care cuprinde biologia, neuroștiințele, mecanica, electronica și robotica. Oamenii de știință biomecatronici încearcă să realizeze dispozitive care interacționează cu mușchii umani, scheletul și sistemele nervoase, cu scopul de a ajuta sau de a spori controlul motorului uman care poate fi pierdut sau afectat de traume, boli sau defecte de naștere.

Luați în considerare ce se întâmplă când ridicați piciorul pentru a merge:

  1. Centrul motor al creierului tău trimite impulsuri mușchilor din picior și picior. Mușchii potriviți se contractă în secvența corespunzătoare pentru a vă deplasa și ridica piciorul.
  2. Celulele nervoase din piciorul tău simt informațiile despre pământ și feedback-ul creierului pentru a ajusta forța sau numărul de grupuri musculare necesare pentru a merge pe toată suprafața. Nu aplicați aceeași forță pentru a merge pe un podea din lemn ca și pentru a vă plimba prin zăpadă sau noroi, de exemplu.
  3. Celulele nervoase din axele musculare ale picioarelor simt poziția podelei și informații de feedback către creier. Nu trebuie să te uiți la podea ca să știi unde este.
  4. Odată ce ridicați piciorul pentru a face un pas, creierul dvs. trimite semnale adecvate mușchilor picioarelor și ale picioarelor pentru a-l pune jos

Acest sistem are senzori (celule nervoase, fusuri musculare), actuatori (mușchii) și a controlor (creier / măduva spinării). În acest articol, vom afla cum funcționează dispozitivele biomecatronice folosind aceste componente, vom explora progresul actual al cercetării privind biomecatronica și vom afla despre beneficiile acestor dispozitive.

Mulțumesc

Mulțumită Dr. Scott Bernstein pentru asistența sa cu acest articol.

Componente biomecatronice

Orice sistem biomecatronic trebuie să aibă aceleași tipuri de componente:

biosenzori

Biosenzorii detectează „intențiile” utilizatorului. În funcție de deficiența și tipul de dispozitiv, aceste informații pot proveni din sistemul nervos și / sau muscular al utilizatorului. Biosenzorul raportează aceste informații la un controler amplasat fie extern, fie în interiorul dispozitivului în sine, în cazul unui protetic. De asemenea, biosenzorii transmit feedback de la membre și de la actuator (cum ar fi poziția membrelor și forța aplicată) și raportează aceste informații la controler sau la sistemul nervos / muscular al utilizatorului.

Biosenzorii pot fi fire care detectează activitatea electrică cum ar fi detectoare galvanice (care detectează un curent electric produs prin mijloace chimice) pe piele, electrozi cu ac implantat în mușchi și / sau tablouri de electrozi cu stare solidă cu nervii care cresc prin ei.

Senzori mecanici

Senzorii mecanici măsoară informații despre dispozitiv (cum ar fi poziția membrelor, forța aplicată și sarcina) și se referă la biosenzor și / sau la controler. Acestea sunt dispozitive mecanice, cum ar fi contorii de forță și accelerometre.

Controlor

Controlerul interfețează sistemul nervos sau mușchi al utilizatorului și dispozitivul. Relee și / sau interpretează comenzile de intenție de la utilizator la actuatoarele dispozitivului. De asemenea, relee și / sau interpretează informații de feedback de la mecanic și biosenzori către utilizator. Controlerul monitorizează și controlează, de asemenea, mișcările dispozitivului biomecatronic.

Servomotor

Actuatorul este un mușchi artificial care produce forță sau mișcare. Actuatorul poate fi un motor care ajută sau înlocuiește mușchiul nativ al utilizatorului, în funcție de dacă dispozitivul este ortez sau protetic.

Consultați animația de mai jos pentru a vedea cum funcționează sistemul. În continuare, aflați despre progresele înregistrate în domeniul biomecatronicii.

Acest conținut nu este compatibil pe acest dispozitiv.

Ortezii vs. protetice

Dispozitive orthotice ajuta artificial mișcarea umană fără a înlocui membrul afectat. În contrast, dispozitive protetice înlocuiți membrul pierdut sau rănit pentru a restabili mișcarea.

De ce să utilizăm biomecatronica mai degrabă decât dispozitive ortetice / protetice convenționale? În timp ce multe dispozitive ortezice / protetice noi folosesc componente microelectronice și robotice, ele nu pot imita cu exactitate mișcările complexe ale membrelor umane. Dispozitivele ortezice / protetice actuale nu oferă feedback pentru oameni sau se adaptează la sarcini variabile sau terenuri complexe. Acestea nu se adaptează momentan la purtătorul individual. Dispozitivele biomecatronice promit să depășească aceste limitări prin interfațarea directă cu mușchii și sistemul nervos al purtătorului pentru a ajuta / restabili controlul motorului.

Cercetare în biomecatronică

Mai multe laboratoare din întreaga lume desfășoară cercetări în biomecatronică, inclusiv MIT, Universitatea din Twente (Olanda) și Universitatea din California la Berkeley. Cercetările curente se concentrează pe trei domenii principale:

  1. Analizați mișcările umane, care sunt complexe, pentru a ajuta la proiectarea dispozitivelor biomecatronice
  2. Studiați modul în care dispozitivele electronice pot fi interfațate cu sistemul nervos (electrozi implantabili în creier și mușchi, electrozi galvanici de suprafață pe piele)
  3. Testați modalitățile de utilizare a țesutului muscular viu ca actuatoare pentru dispozitive electronice

Analizați mișcările umane Mișcările umane sunt complexe, fie că se ajunge la un pahar sau se plimbă pe un teren accidentat. Trebuie să înțelegem cum se mișcă oamenii, astfel încât să putem proiecta dispozitive biomecatronice care să imite eficient și să ajute mișcarea umană.

Dr. Peter Veltink și colegii de la Universitatea din Twente analizează mișcările de mers (analiza mersului) prin măsurarea mișcărilor corpului cu sisteme de cameră, forțe reactive la sol cu ​​contori de forță și activitate musculară cu electromiograme (înregistrări ale activității electrice produse prin contracții musculare). Analiza pacienților normali și cu deficiențe va ajuta să înțeleagă mișcările libere de mers și să diagnostice probleme specifice de mers la pacienții cu deficiențe. Grupul Veltink evaluează în mod similar controlul echilibrului în timp ce mergeți în picioare.

Grupul de biomecatronică al Dr. Hugh Herr la MIT folosește modele computerizate și analize de cameră ale mișcării pentru a studia echilibrul, retragerea picioarelor în timpul alergării și conservarea momentului unghiular în timpul mersului.

Interfațarea dispozitivelor electronice cu oamenii Un aspect important care separă dispozitivele de biomecatronică de dispozitivele ortezice și protetice convenționale este capacitatea de conectare cu nervii și sistemele musculare ale utilizatorului, astfel încât să poată trimite și primi informații de la dispozitiv.

Grupul lui Peter Veltink din Olanda folosește electrozi implantabili pentru stimularea mușchilor gambei. Acestea dezvoltă metode de detecție și control pentru mușchii dorsiflexori, care ridică piciorul în timpul mersului. Acest lucru va ajuta la tratarea victimelor paraliziei și accidentului vascular cerebral care nu pot controla acest picior în timpul mersului (adică piciorul căzut).

Hermie Hermens și Laura Kallenberg din grupul Veltink folosesc electrozi așezați pe piele pentru a monitoriza activitatea electrică a mușchilor de bază (electromiografy) în loc să folosească electrozi implantați direct în ei. Acest lucru reduce durerea și disconfortul și poate fi, de asemenea, o cale de comunicare pe 2 căi. (//Bss.ewi.utwente.nl/research/biomechatronics/rsi.doc/index.html).

Grupul Veltink utilizează, de asemenea, electroziogramele de suprafață pentru feedback și controlul protezelor cu piciorul inferior. În protetică, unghiul genunchiului este detectat, iar informațiile sunt transmise prin electromiografie către mușchii ciotului din piciorul amputat. Purtătorul poate sesiza activitatea și va fi învățat să o interpreteze. În cele din urmă, activitatea electrică a mușchilor stump poate fi folosită pentru a controla proteza.

În continuare, aflați despre cercetarea biomechantronică la MIT.

Eu, Cyborg

Dr. Kevin Warwick, de la Universitatea Reading din Regatul Unit, a testat interfețele om-calculator pe el însuși. Warwick a fost implantat chirurgical cu o serie minusculă de 100 de electrozi de siliciu în nervul său medial al brațului stâng sub încheietura mâinii. Firele din implant i-au alergat sub piele și din cot, unde s-a conectat cu amplificatoare și alte circuite pentru a-și converti impulsurile nervoase în semnale electronice digitale. Cu acest implant, el a fost capabil să opereze o mână robotizată separat de la distanță, făcând mișcări cu propria sa mână. Experimentul a durat 3 luni, iar Warwick l-a descris în cartea sa intitulată „Eu, Cyborg”.

Hugh Herr și MIT Biomechantronics

Cum funcționează biomecatronica: care

Grupul lui Hugh Herr la MIT este în curs de dezvoltare sita electrod cu circuit integrat (un circuit integrat este un cip mic de plastic cu un întreg circuit electric imprimat pe el). În această configurație, două tulpini de nerv sunt conectate prin intermediul a canal de îndrumare (un tub mic care menține terminațiile nervoase aproape unul de altul). În canal, există o sită cu fiecare orificiu conectat la un electrod de pe o placă de circuit integrat. Pe măsură ce fibrele nervoase cresc prin găurile pentru a se conecta cu fiecare capăt, acestea contactează electrozii, creând astfel o interfață.

Ortezii avansate și dispozitive protetice

Laboratorul lui Hugh Herr creează, de asemenea, dispozitive protetice care imită mai bine mișcările umane adevărate:

  • O proteză a genunchiului simte forța, cuplul și poziția genunchiului și ajustează leagănul și mișcarea genunchiului la fiecare utilizator. În genunchi este un fluid magnetorheologic, care este uleiul care conține o suspensie de particule minuscule de fier (0,1-10 microni în diametru). Un câmp electromagnetic aplicat peste ulei poate schimba grosimea sau vâscozitatea fluidului, deoarece particulele de fier formează lanțuri pe măsură ce se aliniază cu câmpul magnetic. Deoarece vâscozitatea fluidului poate fi reglată prin reglarea fină a câmpului electromagnetic, acest lucru controlează și ajustează rezistența genunchiului în fiecare moment, oferind astfel utilizatorului o trecere realistă. (Consultați //biomech.media.mit.edu/research/pro3_1.htm pentru un videoclip cu acest dispozitiv). Comercial, acest genunchi este un produs numit Rheo-KneeTM, produs de Ossur.
  • Pentru a trata mersul piciorului de cădere, a fost dezvoltat un dispozitiv orthotic care controlează și variază rigiditatea articulației gleznei, pe măsură ce utilizatorul înaintează. Acest dispozitiv oferă utilizatorului o trecere mai normală decât dispozitivele orthotice actuale.

Utilizările actuale și viitoare ale biomecatronicii

Platforma robotică biomecatronică a MIT. Principalele componente ale sistemului sunt: ​​mușchii semitendinosus (M), Styrofoam float (F), firele electrodului (w), ansamblul coada de silicon turnat (T), bateriile de litiu (B) și microcontrolerul încapsulat, senzorul infraroșu și unitate de stimulare (C).

Platforma robotică biomecatronică a MIT. Principalele componente ale sistemului sunt: ​​mușchii semitendinosus (M), Styrofoam float (F), firele electrodului (w), ansamblul cozii de silicon turnat (T), bateriile de litiu (B) și microcontrolerul încapsulat, senzorul infraroșu și unitate de stimulare (C).

Majoritatea actuatoarelor care sunt utilizate în dispozitivele ortetice și protetice sunt motoarele electrice sau firele electrice care se micșorează atunci când trece prin curent. În timp ce aceste dispozitive pot oferi forță contractilă, ele nu se apropie de a imita flexibilitatea dinamică a țesutului muscular viu. Dar dacă ai putea face actuatoare musculare reale? În laboratorul lui Hugh Herr de la MIT, au făcut un pește robot care propulsat de țesutul muscular viu luat din picioarele de broască. Peștele robotizat avea următoarele componente:

  • Un plutitor din styrofoam permite peștilor să plutească
  • Cablurile electrice fac conexiunile
  • O coadă de silicon asigură forța de înot
  • Bateriile cu litiu asigură energie
  • Un microcontroler controlează mișcarea robotului
  • Un senzor cu infraroșu permite microcontrolerului să comunice cu un dispozitiv portabil
  • O unitate stimulatoare stimulează electric mușchii

Mușchii broaștei erau atașați de o parte și de alta a cozii și de coloana vertebrală de plastic a robotului și de li s-au atașat electrozi de la stimulator. Mușchii de pe ambele părți au fost stimulați alternativ pentru a produce o mișcare de înot. Peștele robotizat a fost introdus într-un rezervor de soluție de sare, menit să mențină vieții mușchii. Peștele a înotat timp de 4 ore din 42 cu o viteză mai mare de 75 la sută din maximul său. Robotul ar putea înota înainte, înapoi, întoarce și opri. Acesta a fost un prototip al unui dispozitiv biomecatronic cu un actuator viu.

În timp ce progresele tehnologiei de blindaj corporal pot ajuta soldații din Războiul din Irak să supraviețuiască exploziilor, mulți dintre acești supraviețuitori suferă membre deteriorate (mâini, brațe, picioare, picioare) care necesită amputație. Această situație a stimulat cercetările asupra dispozitivelor ortezice / protetice avansate, precum cele dezvoltate în laboratorul lui Hugh Herr la MIT. Departamentul Afacerilor Veteranilor și Departamentul Apărării finanțează mai multe grupuri de biomecatronică pentru a răspunde nevoilor veteranilor și soldaților din teren.

Cum funcționează biomecatronica: pentru

Claudia Mitchell, prima „femeie bionică” din lume.

Recent, Claudia Mitchell, fostă marina și amputată, a testat un braț protetic dezvoltat de Dr. Todd Kuiken la Institutul de reabilitare din Chicago. Un chirurg plastic, Dr. Gregory Dumainian de la Northwestern Memorial Hospital din Chicago, a direcționat nervii care îi controlează brațul lipsă spre piept. Nervii re-au crescut aproape de pielea pieptului ei. Micii electrozi de pe pielea ei ridică activitatea electrică a acestor nervi și trimit semnale motoarelor din braț. Ea este capabilă să controleze mișcările brațului gândindu-se la asta. În prezent, brațul protetic nu este cu adevărat biomecatronic, deoarece semnalele merg doar într-un singur sens, de la Claudia la braț. Dr. Kuiken lucrează la următorul pas pentru ca brațul să îi ofere feedback, inclusiv senzații precum durere și presiune.

Până acum, am abordat în principal modul în care dispozitivele biomecatronice pot ajuta persoanele cu funcționare motorie afectată. Dar ce ar putea face aceste dispozitive unei persoane normale? Ar putea să-i dea forța sa umană ca Steve Austin, „Șase milioane de dolari”? În acest sens, anchetatorii de la Universitatea California din Berkeley au dezvoltat o mașină sau un exoschelet pentru a spori capacitatea de mers a unui om normal. Exoschelet Berkeley Extremitate inferioară (BLEEX) folosește bretele metalice care sunt acționate de motoare pentru a ușura mersul purtătorului. Senzorii și actuatoarele din dispozitiv oferă informații de feedback pentru a regla mișcările și încărcarea în timpul mersului. Controlerul și motorul dispozitivului sunt amplasate într-un pachet atașat la un cadru pentru rucsac. În timp ce dispozitivul în sine cântărește 100 de kilograme, îi permite unei persoane să transporte un rucsac de 70 de kilograme, simțind de parcă ar transporta doar 5 kilograme.

Cum funcționează biomecatronica: funcționează

Exoscheletul Berkeley Extremitate inferioară (BLEEX) ajută la ușurarea încărcăturii pentru utilizatorul uman.

BLEEX ar putea avea multe utilizări atât pentru militari, cât și pentru civili. Cu BLEEX, soldații ar putea transporta sarcini grele pe un teren accidentat, fără oboseală. În mod similar, medicii militari ar putea transporta victime rănite pe câmpul de luptă. Muncitorii de pompieri și de salvare ar putea transporta echipamente grele sau să furnizeze distanțe mari unde vehiculele nu ar putea circula.

Când sunt dezvoltate pe deplin, dispozitivele biomecatronice vor fi utile în mai multe moduri:

  • Acestea pot asigura funcția motorie îmbunătățită care imită mai bine funcția biologică normală persoanelor cu deficiențe
  • Acestea pot fi folosite pentru a instrui indivizi cu funcții motorii afectate (terapie fizică)
  • Se pot adapta la fiecare persoană fără a necesita un terț
  • Ele pot îmbunătăți performanțele persoanelor normale

Dezavantajele majore ale dispozitivelor de biomecatronică sunt posibilitatea infecției (deoarece părțile non-biologice sunt implantate în țesutul viu) durere și disconfort. Cu toate acestea, promisiunile acestei noi tehnologii oferă speranță că acei indivizi cu funcționare motorie afectată vor fi capabili să aibă funcții restaurate care imită mișcările umane normale și, poate, să le facă mai bune, mai puternice sau mai rapide decât înainte.

Pentru mai multe informații despre biomecatronică și subiecte conexe, consultați linkurile de pe pagina următoare.






Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News


Ruperea Focarului De Tornadă Din Martie
Ruperea Focarului De Tornadă Din Martie

Puteți Vedea Inima Vie A Acestei „Broaște De Sticlă”
Puteți Vedea Inima Vie A Acestei „Broaște De Sticlă”

Marele De 47 De Milioane De Ani Însărcinată Aruncă Lumina Asupra Cailor Antici
Marele De 47 De Milioane De Ani Însărcinată Aruncă Lumina Asupra Cailor Antici

Microfotografie Magnifică: 50 De Minuni Minuscule
Microfotografie Magnifică: 50 De Minuni Minuscule

Dezertele De Ecologizare A Dioxidului De Carbon
Dezertele De Ecologizare A Dioxidului De Carbon


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2019 RO.WordsSideKick.com