Biyomekatronik - Biomechatronics

Biyomekatronik , biyoloji ve mekatroniği ( elektrik , elektronik ve makine mühendisliği) entegre etmeyi amaçlayan uygulamalı bir disiplinler arası bilimdir . Aynı zamanda robotik ve sinirbilim alanlarını da kapsar . Biyomekatronik cihazlar gelişiminden geniş bir uygulama yelpazesi kapsayacak protez uzuvlar için mühendislik solunum, görme ve kalp-damar sistemiyle ilgili çözümleri.

Nasıl çalışır

Biyomekatronik, insan vücudunun nasıl çalıştığını taklit eder. Örneğin, yürümek için ayağı kaldırabilmek için dört farklı adımın gerçekleşmesi gerekir. Önce beynin motor merkezinden gelen uyarılar ayak ve bacak kaslarına gönderilir . Daha sonra ayaktaki sinir hücreleri bilgi göndererek beyne geri bildirim sağlar ve kas gruplarını veya yerde yürümek için gereken kuvvet miktarını ayarlamasını sağlar . Üzerinde yürünen yüzeyin türüne bağlı olarak farklı miktarlarda kuvvet uygulanır. Bacağın kas iğ sinir hücreleri daha sonra zeminin konumunu algılar ve beyne geri gönderir . Son olarak, ayak basmak için kaldırıldığında , bacak ve ayaktaki kaslara sinyaller gönderilir .

Biyosensörler

Biyosensörler , kullanıcının ne yapmak istediğini veya niyetlerini ve hareketlerini tespit etmek için kullanılır. Bazı cihazlarda bilgi, kullanıcının sinir sistemi veya kas sistemi tarafından aktarılabilir . Bu bilgi, biyosensör tarafından biyomekatronik cihazın içine veya dışına yerleştirilebilen bir kontrolörle ilişkilidir . Ek olarak biyosensörler, uzuv konumu ve uzuv ve aktüatörden gelen kuvvet hakkında bilgi alır . Biyosensörler çeşitli biçimlerde gelir. Bunlar olabilir teller tespit elektriksel aktivite , iğne elektrotlar implante kas ve elektrot dizileri ile sinirler içlerinden büyüyen.

Mekanik sensörler

Mekanik sensörlerin amacı, biyomekatronik cihaz hakkındaki bilgileri ölçmek ve bu bilgiyi biyosensör veya kontrolörle ilişkilendirmektir.

Kontrolör

Bir biyomekatronik cihazdaki kontrolör, kullanıcının niyetlerini aktüatörlere aktarır. Ayrıca biyosensörlerden ve mekanik sensörlerden gelen geri bildirim bilgilerini kullanıcıya yorumlar. Kontrolörün diğer işlevi, biyomekatronik cihazın hareketlerini kontrol etmektir.

Aktüatör

Aktüatör yapay bir kastır. Görevi kuvvet ve hareket üretmektir. Cihazın ortez mi yoksa protez mi olduğuna bağlı olarak , aktüatör kullanıcının orijinal kasına yardımcı olan veya onun yerini alan bir motor olabilir.

Araştırma

Biyomekatronik hızla büyüyen bir alandır, ancak şu anda araştırma yapan çok az laboratuvar var. Shirley Ryan AbilityLab (eski Chicago Rehabilitasyon Enstitüsü ), Berkeley Kaliforniya Üniversitesi , MIT , Stanford Üniversitesi ve University of Twente Hollanda Biyomekatronik içinde araştırma liderleri. Mevcut araştırmada üç ana alan vurgulanmaktadır.

  1. Biyomekatronik cihazların tasarımına yardımcı olmak için karmaşık olan insan hareketlerinin analizi
  2. Elektronik cihazların sinir sistemi ile nasıl arayüzlenebileceğini incelemek.
  3. Elektronik cihazlar için aktüatör olarak canlı kas dokusunu kullanma yollarının test edilmesi

Hareketleri analiz etme

İnsan hareketi üzerinde büyük bir analize ihtiyaç vardır çünkü insan hareketi çok karmaşıktır. MIT ve Twente Üniversitesi bu hareketleri analiz etmek için çalışıyor. Bunu bilgisayar modelleri , kamera sistemleri ve elektromiyogramların bir kombinasyonu yoluyla yapıyorlar .

Arayüz

Arayüz oluşturma, biyomekatronik cihazların cihazdan bilgi gönderip almak için kullanıcının kas sistemleri ve sinirleri ile bağlantı kurmasını sağlar. Bu sıradan ortez ve protez cihazlarında bulunmayan bir teknolojidir . En Grupları Twente Üniversitesi ve University of Malaya bu bölümde köklü adımlar yapıyoruz. Oradaki bilim adamları , yürürken ayaklarını kontrol edemeyen felç ve felç mağdurlarını tedavi etmeye yardımcı olacak bir cihaz geliştirdiler . Araştırmacılar ayrıca, bacakları kesilmiş bir kişinin protez bacaklarını güdük kasları aracılığıyla kontrol etmesine izin verecek bir dönüm noktasına yaklaşıyorlar .

MIT araştırması

Hugh Herr , MIT'de önde gelen biyomekatronik bilim insanıdır . Herr ve araştırmacı grubu, gerçek insan hareketini taklit etmeye yaklaşan bir elek entegre devre elektrotu ve protez cihazları geliştiriyor. Şu anda yapım aşamasında olan iki protez cihazı diz hareketini kontrol edecek ve diğeri ayak bileği ekleminin sertliğini kontrol edecektir.

Robotik balık

Daha önce de belirtildiği gibi, Herr ve meslektaşları kurbağa bacağından alınan canlı kas dokusu tarafından itilen robotik bir balık yaptılar . Robotik balık, canlı bir aktüatöre sahip bir biyomekatronik cihazın prototipiydi. Balıklara aşağıdaki özellikler verildi.

  • Strafor yüzer, böylece balıklar yüzebilir
  • Bağlantılar için elektrik kabloları
  • Yüzerken kuvvet sağlayan silikon kuyruk
  • Lityum pillerle sağlanan güç
  • Hareketi kontrol etmek için bir mikrodenetleyici
  • Bir kızılötesi sensör, mikro denetleyicinin bir el cihazıyla iletişim kurmasını sağlar
  • Elektronik bir birim tarafından uyarılan kaslar

Sanat araştırması

UCSD'deki yeni medya sanatçıları, sanatçıların gerçek bedenlerini Second Life avatarlarına ve Slapshock'a ( daha fazla bilgi , fotoğraf) bağlamak için biyometrik sensörler kullanan bir performans olan Technesexual ( daha fazla bilgi , fotoğraf , video ) gibi performans sanatı eserlerinde biyomekatroniği kullanıyor. , video ), yakın ilişkilerde öznelerarası simbiyozu keşfetmek için tıbbi TENS birimlerinin kullanıldığı.

Büyüme

Biyomekatronik cihazlara olan talep tüm zamanların en yüksek seviyesinde ve hiçbir yavaşlama belirtisi göstermiyor. Son yıllarda artan teknolojik ilerlemeyle birlikte, biyomekatronik araştırmacıları, insan uzantılarının işlevselliğini kopyalayabilen protez uzuvlar yapabildiler. Bu tür cihazlar arasında protez şirketi Touch Bionics tarafından geliştirilen "i-uzuv", eklemli eklemlere sahip tam işlevli ilk protez el ve insan vücudundaki kas ve tendon süreçlerini simüle edebilen ilk protez bacak Herr's PowerFoot BiOM yer alıyor. Biyomekatronik araştırma, insan fonksiyonlarını anlamaya yönelik daha fazla araştırmaya da yardımcı oldu. Carnegie Mellon ve North Carolina Eyaletinden araştırmacılar, yürümenin metabolik maliyetini yaklaşık yüzde 7 oranında azaltan bir dış iskelet oluşturdu.

Birçok biyomekatronik araştırmacı, askeri kuruluşlarla yakın işbirliği içindedir. ABD Gazi İşleri Bakanlığı ve Savunma Bakanlığı yardım asker ve savaş gazilerine farklı laboratuarları için fon veriyoruz.

Ancak talebe rağmen biyomekatronik teknolojiler, yüksek maliyetler ve sigorta poliçelerinde uygulama eksikliği nedeniyle sağlık hizmetleri pazarında mücadele ediyor. Herr, Medicare ve Medicaid'in özellikle önemli "tüm bu teknolojiler için pazar kırıcıları veya pazar yapıcıları" olduğunu ve teknolojiler bir ilerleme sağlanana kadar teknolojilerin herkes tarafından kullanılamayacağını iddia ediyor. Biyomekatronik cihazlar, geliştirilmiş olmasına rağmen, yine de mekanik engellerle karşı karşıyadır, yetersiz pil gücü, tutarlı mekanik güvenilirlik ve protezler ile insan vücudu arasındaki sinir bağlantılarından muzdariptir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Dış bağlantılar