Kaip Veikia Biomechatronika

{h1}

Televizijos seriale „šešių milijonų dolerių žmogus“ mokslininkai atkuria suklupusį bandomąjį pilotą, praradusį kojas, vieną ranką ir akį. Nors tai yra visiška fikcija, besivystanti sritis, vadinama biomechatronika, artėja prie šios vizijos.

Televizijos seriale „Šešių milijonų dolerių žmogus“ mokslininkai atkuria suklupusį bandomąjį pilotą, praradusį kojas, vieną ranką ir akį. Jie turi technologiją, todėl atstato Steve'ą Austiną ir suteikia jam superžmogiškų savybių. Nors tai yra bendra mokslinė fantastika, šiuolaikinė robotika dar labiau priartėja prie šios vizijos srityje, vadinamoje biomechatronika.

Biomechatronika yra žmogaus susiliejimas su mašina, kaip ir mokslinės fantastikos kiborgas. Tai tarpdisciplininė sritis, apimanti biologiją, neuromokslus, mechaniką, elektroniką ir robotiką. Biomechatronikos mokslininkai bando sukurti prietaisus, sąveikaujančius su žmogaus raumenimis, skeletu ir nervų sistemomis, siekdami padėti ar sustiprinti žmogaus motorinę kontrolę, kurią gali prarasti ar sutrikdyti trauma, liga ar apsigimimai.

Apsvarstykite, kas nutinka, kai pakeliate koją pėsčiomis:

  1. Motorinis jūsų smegenų centras siunčia impulsus jūsų pėdos ir kojų raumenims. Tinkami raumenys susitraukia tinkama seka, kad galėtų judėti ir pakelti koją.
  2. Kojos nervų ląstelės jaučia žemę ir informaciją apie jūsų smegenis, norėdami pakoreguoti jėgą arba raumenų grupių skaičių, reikalingą vaikščioti per paviršių. Pėsčiomis ant medinių grindų netaikote tos pačios jėgos, kaip, pavyzdžiui, vaikščiodami per sniegą ar purvą.
  3. Kojų raumenų verpstės nervų ląstelės jaučia grindų padėtį ir grįžtamąją informaciją smegenims. Nereikia žiūrėti į grindis, kad žinotum, kur ji yra.
  4. Kai pakeliate koją, kad padarytumėte žingsnį, jūsų smegenys siunčia atitinkamus signalus kojos ir pėdos raumenims, kad ji atsistotų

Ši sistema turi jutikliai (nervinės ląstelės, raumenų verpstės), pavaros (raumenys) ir a valdiklis (smegenys / nugaros smegenys). Šiame straipsnyje išsiaiškinsime, kaip biomechatroniniai įrenginiai veikia naudojant šiuos komponentus, išnagrinėsime dabartinę biomechatronikos tyrimų pažangą ir sužinosime apie tokių prietaisų pranašumus.

Ačiū

Ačiū Daktaras Scottas Bernsteinas už jo pagalbą šiame straipsnyje.

Biomechatroniniai komponentai

Bet kuri biomechatroninė sistema turi turėti to paties tipo komponentus:

Biojutikliai

Biojutikliai nustato vartotojo „ketinimus“. Atsižvelgiant į prietaiso sutrikimą ir tipą, ši informacija gali būti gaunama iš vartotojo nervų ir (arba) raumenų sistemos. Bio jutiklis šią informaciją susieja su valdikliu, esančiu išorėje arba paties prietaiso viduje, jei tai yra protezas. Biojutikliai taip pat atsiliepia iš galūnės ir pavaros mechanizmo (pvz., Galūnės padėtis ir veikiama jėga) ir susieja šią informaciją su valdikliu arba vartotojo nervų / raumenų sistema.

Biojutikliai gali būti laidai, nustatantys elektrinį aktyvumą, pvz galvaniniai detektoriai (kurie aptinka cheminėmis priemonėmis sukuriamą elektros srovę) ant odos, į raumenis implantuotų adatų elektrodų ir (arba) kietojo kūno elektrodų matricų, per kuriuos auga nervai.

Mechaniniai jutikliai

Mechaniniai jutikliai matuoja informaciją apie prietaisą (pvz., Galūnės padėtį, veikiančią jėgą ir apkrovą) ir yra susiję su biosensoriumi ir (arba) valdikliu. Tai yra mechaniniai įtaisai, tokie kaip jėgos matuokliai ir akselerometrai.

Valdiklis

Valdiklis yra sąsaja su vartotojo nervų ar raumenų sistema ir prietaisu. Tai perduoda ir (arba) aiškina vartotojo ketinimų komandas prietaiso pavaroms. Tai taip pat perduoda ir / arba interpretuoja grįžtamąją informaciją iš mechaninių ir biosensorių vartotojui. Valdiklis taip pat stebi ir kontroliuoja biomechatroninio prietaiso judesius.

Pavara

Pavara yra dirbtinis raumuo, sukuriantis jėgą ar judesį. Pavara gali būti variklis, padedantis ar pakeičiantis vartotojo vidinius raumenis, atsižvelgiant į tai, ar prietaisas yra ortopedinis, ar protezuotas.

Norėdami pamatyti, kaip sistema veikia, žiūrėkite žemiau pateiktą animaciją. Toliau sužinokite apie pažangą, padarytą biomechatronikos srityje.

Šis turinys šiame įrenginyje nesuderinamas.

Ortotika ir protezavimas

Ortopediniai prietaisai dirbtinai padėti žmogaus judėjimui nepakeičiant pažeistos galūnės. Priešingai, protezai pakeiskite prarastą ar sužeistą galūnę, kad atkurtumėte judesį.

Kodėl verta naudoti biomechatroniką, o ne įprastus ortopedinius / protezinius prietaisus? Nors daugelyje naujų ortopedinių / protezavimo prietaisų naudojama mikroelektronika ir robotiniai komponentai, jie negali tiksliai emuliuoti sudėtingų žmogaus galūnių judesių. Dabartiniai ortopediniai / protezai neduoda grįžtamojo ryšio žmonėms ir neprisitaiko prie kintančių apkrovų ar sudėtingų reljefų. Jie kiekvieną akimirką neprisitaiko prie individualaus dėvėtojo. Biomechatroniniai prietaisai žada įveikti šiuos apribojimus tiesiogiai susisiekdami su vartotojo raumenimis ir nervų sistemomis, kad padėtų / atstatytų motorinę kontrolę.

Biomechatronikos tyrimai

Kelios laboratorijos visame pasaulyje vykdo biomechatronikos tyrimus, įskaitant MIT, Twente universitetą (Nyderlandai) ir Kalifornijos universitetą Berkeley mieste. Dabartiniai tyrimai sutelkti į tris pagrindines sritis:

  1. Išanalizuokite sudėtingus žmogaus judesius, kad būtų lengviau kurti biomechatroninius prietaisus
  2. Ištirti, kaip elektroniniai prietaisai gali būti sujungti su nervų sistema (implantuojami elektrodai smegenyse ir raumenyse, galvaniniai elektrodiniai paviršiai ant odos)
  3. Išbandykite gyvo raumenų audinio, kaip elektroninių prietaisų pavaros, naudojimo būdus

Išanalizuokite žmogaus judesius Žmogaus judesiai yra sudėtingi, nesvarbu, ar tai būtų už stiklinės, ar vaikštant nelygiu reljefu. Turime suprasti, kaip juda žmonės, kad galėtume sukurti biomechatroninius prietaisus, kurie veiksmingai imituotų ir palengvintų žmogaus judėjimą.

Peteris Veltink ir kolegos iš Tventės universiteto analizuoja vaikščiojimo judesius (eisenos analizę), matuojant kūno judesius kamerų sistemomis, žemės reaktyviąsias jėgas jėgos matuokliais ir raumenų aktyvumą elektromiogramomis (raumenų susitraukimų sukelto elektrinio aktyvumo įrašai).. Normalių ir sutrikusių pacientų analizė padės suprasti laisvo vaikščiojimo judesius ir diagnozuoti specifines sutrikusios eisenos problemas. „Veltink“ grupė panašiai vertina pusiausvyros kontrolę einant ir stovint.

Dr Hugh Herr biomechatronikos grupė MIT naudoja kompiuterinius modelius ir fotoaparatų judesių analizę, siekdama ištirti pusiausvyrą, kojų įtraukimą bėgimo metu ir kampinio impulso išsaugojimą vaikštant.

Sąsajos su žmonėmis su elektroniniais prietaisais Svarbus aspektas, atskiriantis biomechatronikos prietaisus nuo įprastų ortopedinių ir protezavimo prietaisų, yra galimybė susisiekti su vartotojo nervais ir raumenų sistemomis, kad jis galėtų siųsti ir gauti informaciją iš prietaiso.

Peterio Veltinko grupė Olandijoje naudoja implantuojamus elektrodus blauzdos raumenims stimuliuoti. Jie kuria jutimo ir kontrolės metodus, taikomus raumenims, kurie pakelia pėdą vaikščiojant. Tai padės gydyti paralyžiaus ir insulto aukas, kurios negali kontroliuoti šios pėdos vaikščiojant (t. Y. Numestos pėdos).

Hermie Hermens ir Laura Kallenberg iš „Veltink“ grupės naudoja elektrodus, dedamus ant odos, kad stebėtų apatinių raumenų elektrinį aktyvumą (elektromiografasy), o ne naudoti elektrodus, implantuotus tiesiai į juos. Tai sumažina skausmą ir diskomfortą ir gali būti abipusio bendravimo būdas. (//bss.ewi.utwente.nl/research/biomechatronics/rsi.doc/index.html).

„Veltink“ grupė taip pat naudoja elektromiogramos paviršiaus elektrodus, skirtus blauzdos protezavimui ir jų valdymui. Protezuojant nustatomas kelio kampas ir elektromiografijos būdu perduodama informacija į amputuotos kojos kelmo raumenis. Dėvėtojas gali pajusti veiklą ir būti išmokytas ją aiškinti. Galiausiai protezui valdyti gali būti naudojamas kelmo raumenų elektrinis aktyvumas.

Tada sužinokite apie biomechantrinius tyrimus MIT.

Aš, Kiborgas

Dr. Kevinas Warwickas iš Jungtinės Karalystės Redingo universiteto išbandė žmogaus ir kompiuterio sąsajas. Warwickas chirurginiu būdu buvo implantuotas nedideliu 100 silicio elektrodų rinkiniu į kairės rankos medialinį nervą žemiau riešo. Laidai iš implanto bėgo po jo oda ir iš alkūnės, kur jis buvo sujungtas su stiprintuvais ir kitomis grandinėmis, kad jo nervinius impulsus konvertuotų į skaitmeninius elektroninius signalus. Su šiuo implantu jis galėjo valdyti atskirą roboto ranką nuotoliniu būdu atlikdamas judesius savo ranka. Eksperimentas truko 3 mėnesius, o Warwickas aprašė jį savo knygoje pavadinimu „Aš, Kiborgas“.

Hugh Herr ir MIT biomechantronics

Kaip veikia biomechatronika: veikia

Hugh Herr'io grupė MIT plėtoja a sieto integruotos grandinės elektrodas (integruota grandinė yra maža plastikinė drožlė, ant kurios įspausta visa elektros grandinė). Šioje sąrankoje du nervo kelmai yra sujungti per orientavimo kanalas (mažas vamzdelis, laikantis nervų galūnes arti vienas kito). Kanale yra sietas, kurio kiekviena skylė prijungta prie elektrodo ant integruotos plokštės. Kai nervų pluoštai auga per skyles, kad būtų sujungti su kiekvienu galu, jie liečiasi su elektrodais ir taip sukuria sąsają.

Pažangiosios ortografijos ir protezavimo prietaisai

Hugh Herro laboratorijoje taip pat gaminami protezavimo įtaisai, kurie geriau imituoja tikrus žmogaus judesius:

  • Kelio protezas nustato kelio jėgą, sukimo momentą ir padėtį bei kiekvienam vartotojui nustato kelio posūkį ir judesį. Kelyje yra a magnetorheologinis skystis, tai aliejus, kuriame yra mažų geležies dalelių (0,1–10 mikronų skersmens) suspensija. Visoje alyvoje esantis elektromagnetinis laukas gali pakeisti skysčio storį ar klampumą, nes geležies dalelės sudaro grandines, nes jos dera su magnetiniu lauku. Kadangi skysčio klampumą galima reguliuoti tiksliai sureguliavus elektromagnetinį lauką, tai kontroliuoja ir koreguoja kelio atsparumą akimirkai ir momentui, tokiu būdu suteikiant vartotojui realistišką eiseną. (Šio įrenginio vaizdo įrašą žr. //Biomech.media.mit.edu/research/pro3_1.htm). Komerciniu požiūriu šis kelio ženklas yra produktas, vadinamas Rheo-KneeTM, kurį gamina „Ossur“.
  • Kojų eisenos gydymui buvo sukurtas ortopedinis įtaisas, kuris kiekvieną akimirką kontroliuoja ir keičia kulkšnies sąnario standumą, kai vartotojas žengia į priekį. Šis prietaisas suteikia vartotojui įprastą eiseną nei dabartiniai ortopediniai įtaisai.

Dabartinis ir būsimas biomechatronikos panaudojimas

MIT biomechatroninė robotų platforma. Pagrindiniai sistemos komponentai yra: semitendininiai raumenys (M), putplasčio plūdė (F), elektrodų laidai (w), lietinio silikono uodegos mazgas (T), ličio baterijos (B) ir kapsuliuotas mikrovaldiklis, infraraudonųjų spindulių jutiklis ir stimuliatoriaus blokas (C).

MIT biomechatroninė robotų platforma. Pagrindiniai sistemos komponentai yra: semitendinoziniai raumenys (M), putplasčio plūdė (F), elektrodo laidai (w), lietinio silikono uodegos mazgas (T), ličio baterijos (B) ir kapsuliuotas mikrovaldiklis, infraraudonųjų spindulių jutiklis ir stimuliatoriaus blokas (C).

Dauguma pavarų, naudojamų ortopedijos ir protezavimo prietaisuose, yra elektros varikliai arba elektros laidai, kurie susitraukia, kai pro juos praeina srovė. Nors šie įtaisai gali suteikti sutraukiamąją jėgą, jie nėra panašūs į gyvo raumeninio audinio dinaminio lankstumo mėgdžiojimą. O kas, jei galėtum pasidaryti tikras raumenų pavaras? MIT laboratorijoje Hugh Herr jie pagamino robotą žuvį, kuri varoma gyvais raumenų audiniais, paimtais iš varlės kojų. Robotinė žuvis turėjo šiuos komponentus:

  • Stiklo putų plūdė leidžia žuvims plūduriuoti
  • Elektros laidai užmezga jungtis
  • Plaukimo jėgą suteikia silikono uodega
  • Ličio baterijos suteikia energijos
  • Mikrovaldiklis kontroliuoja roboto judėjimą
  • Infraraudonųjų spindulių jutiklis leidžia mikrovaldikliui susisiekti su nešiojamu prietaisu
  • Stimuliatorius elektriškai stimuliuoja raumenis

Varlės raumenys buvo pritvirtinti prie abiejų uodegos pusių ir prie plastikinio roboto stuburo, prie jų buvo pritvirtinti elektrodai iš stimuliatoriaus. Abiejų pusių raumenys buvo pakaitomis stimuliuojami, kad būtų atliktas plaukimo judesys. Robotinė žuvis buvo dedama į druskos tirpalo baką, skirtą raumenims išlaikyti. Žuvis plaukė 4 valandas iš 42, greičiu, viršijančiu 75 procentus savo maksimalaus greičio. Robotas galėjo plaukti pirmyn, atgal, pasukti ir sustoti. Tai buvo biomechatroninio prietaiso su gyva pavara prototipas.

Nors kūno šarvų technologijos patobulinimai gali padėti Irako karo kareiviams išgyventi sprogimus, daugelis šių išgyvenusių žmonių kenčia pažeistas galūnes (rankas, rankas, kojas, kojas), kurioms reikalinga amputacija. Ši situacija paskatino pažangių ortopedinių / protezavimo prietaisų, tokių kaip tie, kurie buvo sukurti Hugh Herro laboratorijoje MIT, tyrimus. Veteranų reikalų departamentas ir Gynybos departamentas finansuoja keletą biomechatronikos grupių, kad patenkintų veteranų ir karių poreikius lauke.

Kaip veikia biomechatronika: biomechatronika

Claudia Mitchell, pirmoji pasaulyje „bioninė moteris“.

Neseniai Claudia Mitchell, buvusi jūrininkė ir amputuota, išbandė protezo ranką, kurią sukūrė dr. Toddas Kuikenas Čikagos reabilitacijos institute. Plastikos chirurgas, daktaras Gregory Dumainianas Šiaurės Vakarų memorialinėje ligoninėje Čikagoje, nukreipė nervus, kurie kontroliuoja jos trūkstamą ranką, į krūtinę. Nervai vėl augo arti jos krūtinės odos. Mažyčiai elektrodai ant jos odos sugeria elektrinį šių nervų aktyvumą ir siunčia signalus rankos varikliams. Ji sugeba valdyti rankos judesius, galvodama apie tai. Dabar protezavimo ranka nėra iš tikrųjų biomechatroninė, nes signalai eina tik į vieną pusę - nuo Klaudijos iki rankos. Dr. Kuiken dirba prie kito žingsnio, kad ranka suteiktų jai atsiliepimų, įskaitant tokius pojūčius kaip skausmas ir slėgis.

Iki šiol mes pirmiausia svarstėme, kaip biomechatroniniai prietaisai gali padėti žmonėms su sutrikusia motorine funkcija. Bet ką šie prietaisai galėtų padaryti normaliam žmogui? Ar jie galėtų suteikti jam / jos viršžmogiškoms jėgoms kaip Steve'as Austinas, „Šešių milijonų dolerių vyras“? Tuo tikslu Kalifornijos universiteto Berkeley tyrėjai sukūrė aparatą arba egzoskeletą, skirtą pagerinti paprasto žmogaus vaikščiojimo galimybes. Berklio apatinių galūnių egzoskeletas (BLEEX) naudojami metaliniai kojų petnešos, varomi varikliais, kad dėvėtojui būtų lengviau vaikščioti. Prietaiso jutikliai ir pavaros teikia grįžtamojo ryšio informaciją, kad būtų galima reguliuoti judesius ir apkrovą einant. Prietaiso valdiklis ir variklis yra iš anksto pritvirtinti prie kuprinės rėmo. Pats prietaisas sveria 100 svarų, tačiau jis suteikia galimybę asmeniui įsinešti 70 svarų kuprinę, tuo tarpu jaučiasi taip, lyg neštųsi tik 5 svarus.

Kaip veikia biomechatronika: biomechatronika

Berkeley apatinių galūnių egzoskeletas (BLEEX) padeda palengvinti žmonėms skirtą krovinį.

„BLEEX“ gali būti naudojama daugybei kariuomenės ir civilių žmonių. Naudodami BLEEX, kariai be nuovargio galėjo gabenti sunkiasvorius krovinius nelygiame reljefe. Panašiai karo medikai galėjo išnešti sužeistas aukas iš kovos lauko. Priešgaisrinės apsaugos ir gelbėjimo darbuotojai galėjo gabenti sunkius įrankius ar tiekti didelius atstumus ten, kur transporto priemonės negalėjo važiuoti.

Visiškai sukurti biomechatroniniai prietaisai bus naudingi įvairiais būdais:

  • Jie gali užtikrinti geresnę motorinę funkciją, kuri geriau imituoja normalią biologinę funkciją sutrikusios kilmės žmonėms
  • Jie gali būti naudojami mokyti žmones su sutrikusia motorine funkcija (fizinės terapijos reikmėms).
  • Jie gali būti pritaikyti kiekvienam asmeniui nereikalaujant trečiosios šalies
  • Jie gali pagerinti normalių asmenų darbą

Pagrindiniai biomechatronikos prietaisų trūkumai yra infekcijos galimybė (nes nebiologinės dalys yra implantuojamos į gyvą audinį) skausmas ir diskomfortas. Tačiau šios naujos technologijos pažadai teikia vilties, kad sutrikusios motorinės funkcijos asmenims pavyks atkurti funkcijas, imituojančias normalius žmogaus judesius ir, galbūt, jas padaryti geresnes, stipresnes ar greitesnes nei anksčiau.

Norėdami gauti daugiau informacijos apie biomechatroniką ir susijusias temas, peržiūrėkite nuorodas kitame puslapyje.


Vaizdo Papildas: Judėjimas + mokslas = ? Biomechanika.




Tyrimas


1920 M. Retro Robotas Gali Įgyti Antrą Galimybę Gyvenime
1920 M. Retro Robotas Gali Įgyti Antrą Galimybę Gyvenime

Thz Spragos Uždarymas Naudojant Įrenginius, Kuriuose Yra Grafeno
Thz Spragos Uždarymas Naudojant Įrenginius, Kuriuose Yra Grafeno

Mokslas Naujienos


Kodėl Per Daug Šypsotis Gali Būti Blogai
Kodėl Per Daug Šypsotis Gali Būti Blogai

Dauguma Žmonių Nužudytų 1 Žmogų, Kad Išgelbėtų 5 Kitus
Dauguma Žmonių Nužudytų 1 Žmogų, Kad Išgelbėtų 5 Kitus

Tyrimas Atskleidžia 10 Geriausių Drėgniausių Jav Miestų
Tyrimas Atskleidžia 10 Geriausių Drėgniausių Jav Miestų

Kodėl Koalas Apkabina Medžius
Kodėl Koalas Apkabina Medžius

Per Daug Namų Darbų = Mažesni Testo Balai
Per Daug Namų Darbų = Mažesni Testo Balai


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com