Биомехатроника — это прикладная междисциплинарная наука, которая стремится объединить биологию и мехатронику ( электротехнику , электронику и машиностроение ). Она также охватывает области робототехники и нейронауки . Биомехатронные устройства охватывают широкий спектр приложений, от разработки протезов конечностей до инженерных решений, касающихся дыхания, зрения и сердечно-сосудистой системы. [1]
Биомехатроника имитирует работу человеческого тела. Например, чтобы поднять ногу и начать ходить, необходимо выполнить четыре разных шага. Сначала импульсы из двигательного центра мозга посылаются в мышцы стопы и ноги . Затем нервные клетки в стопах посылают информацию, обеспечивая обратную связь с мозгом, позволяя ему регулировать группы мышц или величину силы, необходимую для ходьбы по земле. В зависимости от типа поверхности, по которой идет человек, применяется разное количество энергии . Затем нервные клетки мышечного веретена ноги распознают и отправляют положение пола обратно в мозг . Наконец, когда нога поднимается для шага, сигналы посылаются в мышцы ноги и стопы, чтобы поставить ее на землю.
Биосенсоры определяют, что пользователь хочет сделать или его намерения и движения. В некоторых устройствах информация может передаваться нервной или мышечной системой пользователя . Эта информация связывается 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 привода . Биосенсоры бывают разных форм. Это могут быть провода , которые обнаруживают электрическую активность , игольчатые электроды, имплантированные в мышцы , и электродные решетки с прорастающими через них нервами .
Цель механических датчиков — измерять информацию о биомехатронном устройстве и связывать эту информацию с биосенсором или контроллером. Кроме того, многие датчики используются в школах, таких как Case Western Reserve University, University of Pittsburgh, Johns Hopkins University и других, с целью регистрации физических стимулов и преобразования их в нейронные сигналы для подобласти биомехатроники, называемой нейромехатроникой.
Контроллер в биомехатронном устройстве передает намерения пользователя исполнительным механизмам. Он также интерпретирует информацию обратной связи для пользователя, которая поступает от биосенсоров и механических датчиков. Другая функция контроллера — управление движениями биомехатронного устройства.
Привод может быть искусственной мышцей, но это может быть любая часть системы, которая обеспечивает внешний эффект на основе входного сигнала управления. Для механического привода его работа заключается в создании силы и движения. В зависимости от того, является ли устройство ортопедическим или протезным, привод может быть двигателем, который помогает или заменяет исходную мышцу пользователя. Многие такие системы на самом деле включают несколько приводов.
Биомехатроника — быстрорастущая область, но на данный момент существует очень мало лабораторий, которые проводят исследования. Shirley Ryan AbilityLab (ранее Rehabilitation Institute of Chicago ), 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.
Необходим большой анализ человеческого движения, поскольку человеческое движение очень сложно. Массачусетский технологический институт и Университет Твенте работают над анализом этих движений. Они делают это с помощью комбинации компьютерных моделей , систем камер и электромиограмм .
Интерфейс позволяет биомехатронным устройствам подключаться к мышечным системам и нервам пользователя для отправки и получения информации от устройства. Это технология, которая недоступна в обычных ортопедических и протезных устройствах. Группы в Университете Твенте и Университете Малайи предпринимают радикальные шаги в этом направлении. Ученые там разработали устройство, которое поможет лечить паралич и жертв инсульта , которые не могут контролировать свою ногу во время ходьбы. Исследователи также приближаются к прорыву, который позволит человеку с ампутированной ногой управлять своей протезной ногой с помощью мышц культи.
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали инструмент под названием система MYO-AMI, которая позволяет осуществлять проприоцептивную обратную связь (определение положения) в нижних конечностях (ноги, транстибиально). Другие же сосредоточены на интерфейсе для верхних конечностей (Functional Neural Interface Lab, CWRU). Существуют как подходы ЦНС, так и подходы ПНС, которые далее подразделяются на методы, связанные с мозгом, спинным мозгом, ганглием задних корешков, спинномозговым/черепным нервом и конечным эффектором, а также некоторые чисто хирургические методы без компонента устройства (см. Целевая мышечная реиннервация).
Хью Герр — ведущий ученый-биомехатроник в Массачусетском технологическом институте . Герр и его группа исследователей разрабатывают электрод с интегральной схемой сита и протезные устройства, которые приближаются к имитации реальных человеческих движений. Два протезных устройства, которые сейчас находятся в разработке, будут контролировать движение колена, а еще одно — жесткость голеностопного сустава.
Как упоминалось ранее, Герр и его коллеги создали роботизированную рыбу , которая приводилась в движение живой мышечной тканью, взятой из лягушачьих лапок. Роботизированная рыба была прототипом биомехатронного устройства с живым приводом. Рыбе были даны следующие характеристики. [2]
Художники новых медиа в Калифорнийском университете в Сан-Диего используют биомехатронику в своих перформансах, таких как Technesexual (подробнее, фото, видео), перформанс, в котором биометрические датчики используются для соединения реальных тел исполнителей с их аватарами из Second Life, и Slapshock (подробнее, фото, видео), в котором медицинские приборы TENS используются для исследования интерсубъективного симбиоза в интимных отношениях.
Спрос на биомехатронные устройства находится на рекордно высоком уровне и не показывает никаких признаков замедления. С ростом технологического прогресса в последние годы исследователи биомехатроники смогли сконструировать протезные конечности, которые способны копировать функциональность человеческих конечностей. К таким устройствам относятся «i-limb», разработанный протезной компанией Touch Bionics, первый полностью функционирующий протез руки с шарнирными сочленениями, [3] а также PowerFoot BiOM от Herr, первый протез ноги, способный имитировать мышечные и сухожильные процессы в человеческом теле. [4] Исследования биомехатроники также помогли дальнейшим исследованиям в направлении понимания человеческих функций. Исследователи из Университета Карнеги-Меллона и Университета Северной Каролины создали экзоскелет, который снижает метаболические затраты на ходьбу 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. Херр утверждает, что Medicare и Medicaid в частности являются важными «прорывателями рынка или создателями рынка для всех этих технологий», и что эти технологии не будут доступны всем, пока технологии не совершат прорыв. [6] Биомехатронные устройства, хотя и усовершенствованные, также по-прежнему сталкиваются с механическими препятствиями, страдая от недостаточной мощности батареи, постоянной механической надежности и нейронных связей между протезами и человеческим телом. [7]