АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ
ТехнологииАппаратное обеспечение и киберфизические системыРобототехника и промышленное ПОБиомехатроника

Биомехатроника

Экспертиза РАН

Logo-ran-black.png
Проведена экспертиза
Российской академией наук
Подробнее
Aprove.svg

Экспертиза РАН

Arrow-Right.png
Logo-ran.png
Проведена экспертиза
Российской академией наук
Подробнее

Биомехатроника (англ. bio-mechatronics) — прикладная интердисциплинарная наука, целью которой является интеграция биологии и мехатроники (электротехники, электроники и машиностроения). Также включает области робототехники и нейронауки. Биомехатронные устройства охватывают широкий спектр применений — от разработки протезов конечностей до инженерных решений в области дыхания, зрения и сердечно-сосудистой системы[1].

Принцип работы

Биомехатроника воспроизводит механизмы работы человеческого тела. Например, для поднятия стопы при ходьбе требуется четыре разных шага. Сначала импульсы от двигательного центра мозга посылаются к стопе и мышцам ноги. Затем нервные клетки стопы направляют обратную информацию в мозг, помогая регулировать группы мышц или силу, необходимую для движения по поверхности. Количество энергии зависит от типа поверхности. Мышечные веретена с помощью нервных клеток определяют положение пола и передают эти сведения обратно в мозг. В заключение, когда стопа поднимается для следующего шага, сигналы направляются в мышцы ноги и стопы для постановки ноги.

Биосенсоры

Биосенсоры определяют намерения и движения пользователя. В некоторых устройствах информация может передаваться с помощью нервной или мышечной системы пользователя. Биосенсор связывает эту информацию с контроллером, который может располагаться внутри или вне биомехатронного устройства. Кроме того, биосенсоры получают сведения о положении и силе конечности от самой конечности и привода. Биосенсоры бывают разных типов: это могут быть провода, фиксирующие электрические сигналы, игольчатые электроды, имплантируемые в мышцы, а также массивы электродов с нервами, прорастающими сквозь них.

Электромеханические сенсоры

Механические сенсоры измеряют параметры биомехатронного устройства и передают данные биосенсору или контроллеру. В ряде университетов, таких как Университет Кейс Вестерн Резерв, Университет Питтсбурга, Университет Джонса Хопкинса, разрабатываются сенсоры для регистрации физических стимулов и преобразования их в нейронные сигналы для применения в особой подотрасли — нейромехатронике.

Контроллер

Контроллер биомехатронного устройства передаёт намерения пользователя приводам, а также интерпретирует сигналы обратной связи, поступающие от биосенсоров и механических сенсоров. Дополнительная задача контроллера — управлять движениями устройства.

Привод

Привод может представлять собой искусственную мышцу или любой элемент системы, осуществляющий внешнее действие согласно управляющему сигналу. Для механического привода основной задачей является создание усилия и движения. Если устройство ортезное или протезное, привод может быть мотором, который помогает либо полностью заменяет функцию утраченной мышцы пользователя. Как правило, такие устройства включают несколько приводов.

Исследования

Биомехатроника — быстро развивающееся направление, однако лабораторий, специализирующихся на исследованиях в этой области, пока немного. Ведущими центрами являются Shirley Ryan AbilityLab (ранее Институт реабилитации Чикаго), Калифорнийский университет в Беркли, MIT, Стенфордский университет и Университет Твенте (Нидерланды). Основные направления исследований включают:

  1. Анализ сложных движений человека для создания эффективных биомехатронных устройств;
  2. Изучение способов соединения электронных устройств с нервной системой;
  3. Применение живой мышечной ткани в качестве приводов для электронных устройств.

Анализ движений

Анализ движений человека необходим из-за их высокой сложности. MIT и Университет Твенте занимаются анализом движений с использованием комбинаций компьютерных моделей, видеосистем и электромиографов.

Нейроинтерфейсы

Биомехатронные устройства с нейроинтерфейсами способны передавать информацию к мышечной системе и нервам пользователя и получать от них сигналы. Такие технологии отсутствуют в обычных ортезных и протезных устройствах. Коллективы Университета Твенте и Университета Малайи разработали устройство для реабилитации пациентов с параличом и перенёсших инсульт, позволяющее контролировать движение стопы. Разрабатываются решения, позволяющие ампутистам управлять протезом ноги с помощью остаточных мышц.

В MIT создана система MYO-AMI, обеспечивающая проприоцептивную обратную связь (определение положения) для нижних конечностей (голени, транстибиальные протезы). В других лабораториях (например, Functional Neural Interface Lab, Университет Кейс Вестерн Резерв) работа направлена на интуитивное взаимодействие протезов для верхних конечностей. Применяются подходы как к центральной, так и периферической нервной системе, включая интерфейсы с головным и спинным мозгом, дорсальными корешками, спинальными/черепными нервами, конечными исполнительными механизмами, а также исключительно хирургические методы, как, например, таргетная реиннервация мышц.

Исследования в MIT

Хью Херр — ведущий специалист по биомехатронике в MIT. Херр со своими сотрудниками разрабатывает сетчатый чип-электрод и протезные устройства, максимально близко имитирующие движение человека. На данный момент разрабатываются два протеза: один позволяет контролировать движение в колене, другой — регулировать жёсткость голеностопного сустава.

Робофиш

Херр и его коллеги создали роботизированную рыбу, которую приводили в движение живые мышцы, полученные от лягушки. Робот-рыба стала прототипом биомехатронного устройства с живым приводом. Её отличительные черты:[2]

  • пенопластовый поплавок для поддержания плавучести;
  • электрические провода для подключения;
  • силиконовый хвост для создания тяги при плавании;
  • питание от литиевых батарей;
  • микроконтроллер для управления движением;
  • инфракрасный датчик для связи микроконтроллера с ручным устройством;
  • мышцы, стимулируемые электронным блоком.

Искусство и биомехатроника

Современные медиа-художники из Калифорнийского университета в Сан-Диего используют биомехатронику в перформансах — например, Technesexual, где биометрические сенсоры связывают реальные тела исполнителей с их аватарами во «Второй жизни», и Slapshock, где используются медицинские стимуляторы ТЕНС для изучения интерсубъективной симбиозы в интимных отношениях.

Развитие

Спрос на биомехатронные устройства находится на рекордно высоком уровне и продолжает расти. Благодаря технологическому прогрессу за последние годы исследователи получили возможность создавать протезы, близкие по функциональности к человеческим конечностям. К числу таких устройств относится «i-limb», разработанный компанией Touch Bionics, — первая полностью функциональная протезная рука с подвижными суставами[3], а также PowerFoot BiOM, разработанный Херром, — первый протез ноги, способный имитировать работу мышц и сухожилий человеческого организма[4]. Исследования в области биомехатроники также способствуют пониманию функций человеческого тела. Учёные из Университета Карнеги — Меллон и Университета штата Северная Каролина создали экзоскелет, снижающий затраты энергии при ходьбе примерно на 7 процентов[5].

Многие исследователи биомехатроники тесно сотрудничают с военными ведомствами. Министерство по делам ветеранов США и Министерство обороны США финансируют ряд лабораторий для оказания помощи военнослужащим и ветеранам войны[2].

Высокая стоимость и отсутствие включения новых технологий в страховые программы затрудняет широкое внедрение биомехатронных решений в медицинской практике. По мнению Херра, программы Medicare и Medicaid играют ключевую роль в формировании рынка: технологии не станут доступными для всех до прорыва в этой сфере.[6] Несмотря на развитие, биомехатронные устройства сталкиваются с техническими препятствиями — недостаточной ёмкостью батарей, надёжностью механики и трудностями в реализации нейронных интерфейсов между протезом и телом пользователя[7].

Примечания

  1. ↑ Brooker, Graham. Introduction to Biomechatronics. — University of Sydney, Australia, 2012. — ISBN 978-1-891121-27-2.
  2. ↑ 1 2 Craig Freudenrich. How Biomechatronics Works (англ.). HowStuffWorks. Дата обращения: 19 июня 2024.
  3. ↑ Touch Bionics (англ.). Дата обращения: 19 июня 2024.
  4. ↑ Shaer, Matthew. Is This the Future of Robotic Legs? (англ.). Smithsonian Magazine (ноябрь 2014). Дата обращения: 19 июня 2024.
  5. ↑ Researchers improve efficiency of human walking (англ.). NSF. Дата обращения: 19 июня 2024.
  6. ↑ Johnson, Brian. Will Medicare patients be left out of the bionics revolution? (англ.). Boston Globe (22 апреля 2014). Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 22 июля 2016 года.
  7. ↑ Fanning, Paul. How biomechatronic prosthetics are changing the face of disability (англ.). Eureka Magazine (13 марта 2014). Дата обращения: 19 июня 2024.

Литература

  • Brooker, Graham. Introduction to Biomechatronics : [англ.]. — University of Sydney, Australia, 2012. — ISBN 978-1-891121-27-2.

Ссылки

Категории