Biomechatronik - Biomechatronics

Die Biomechatronik ist eine angewandte interdisziplinäre Wissenschaft, die darauf abzielt, Biologie und Mechatronik ( Elektrotechnik , Elektronik und Maschinenbau ) zu integrieren. Es umfasst auch die Bereiche Robotik und Neurowissenschaften . Biomechatronische Geräte umfassen eine breite Palette von Anwendungen, von der Entwicklung von Prothesen bis hin zu technischen Lösungen für Atmung, Sehvermögen und Herz-Kreislauf-System.

Wie es funktioniert

Die Biomechatronik ahmt nach, wie der menschliche Körper funktioniert. Zum Beispiel müssen vier verschiedene Schritte ausgeführt werden, um den Fuß zum Gehen anheben zu können. Zunächst werden Impulse vom motorischen Zentrum des Gehirns an die Fuß- und Beinmuskulatur gesendet . Als nächstes senden die Nervenzellen in den Füßen Informationen, die dem Gehirn Feedback geben und es ihm ermöglichen, die Muskelgruppen oder die Kraft anzupassen, die erforderlich sind, um über den Boden zu gehen. Je nach Art der Oberfläche, über die gefahren wird, werden unterschiedliche Kräfte ausgeübt. Die Nervenzellen der Muskelspindel des Beins erfassen und senden dann die Position des Bodens zurück zum Gehirn . Wenn der Fuß zum Schritt angehoben wird, werden Signale an die Muskeln in Bein und Fuß gesendet , um ihn abzusetzen.

Biosensoren

Biosensoren werden verwendet, um zu erkennen, was der Benutzer tun möchte oder welche Absichten und Bewegungen er hat. Bei einigen Geräten können die Informationen vom Nervensystem oder Muskelsystem des Benutzers weitergeleitet werden . Diese Informationen werden vom Biosensor mit einer Steuerung verknüpft, die sich innerhalb oder außerhalb des biomechatronischen Geräts befinden kann. Zusätzlich Biosensoren erhalten Informationen über die Extremität Position und Kraft von dem Glied und Stellglied . Biosensoren gibt es in verschiedenen Formen. Dies können Drähte sein, die elektrische Aktivität erfassen , in Muskeln implantierte Nadelelektroden und Elektrodenarrays, durch die Nerven wachsen.

Mechanische Sensoren

Der Zweck der mechanischen Sensoren besteht darin, Informationen über das biomechatronische Gerät zu messen und diese Informationen mit dem Biosensor oder der Steuerung in Beziehung zu setzen.

Regler

Die Steuerung in einem biomechatronischen Gerät leitet die Absichten des Benutzers an die Aktuatoren weiter. Es interpretiert auch Rückmeldungsinformationen für den Benutzer, die von den Biosensoren und mechanischen Sensoren stammen. Die andere Funktion der Steuerung besteht darin, die Bewegungen des biomechatronischen Geräts zu steuern.

Aktuator

Der Aktuator ist ein künstlicher Muskel. Ihre Aufgabe ist es, Kraft und Bewegung zu erzeugen. Abhängig davon, ob das Gerät orthetisch oder prothetisch ist, kann der Aktuator ein Motor sein, der den ursprünglichen Muskel des Benutzers unterstützt oder ersetzt.

Forschung

Die Biomechatronik ist ein schnell wachsendes Gebiet, aber derzeit gibt es nur sehr wenige Labore, die Forschung betreiben. Das Shirley Ryan AbilityLab (ehemals Rehabilitationsinstitut von Chicago ), die University of California in Berkeley , das MIT , die Stanford University und die University of Twente in den Niederlanden sind die führenden Forscher in der Biomechatronik. In der aktuellen Forschung werden drei Hauptbereiche hervorgehoben.

  1. Analyse komplexer menschlicher Bewegungen, um das Design biomechatronischer Geräte zu unterstützen
  2. Untersuchung, wie elektronische Geräte mit dem Nervensystem verbunden werden können.
  3. Testen der Möglichkeiten, lebendes Muskelgewebe als Aktuatoren für elektronische Geräte zu verwenden

Bewegungen analysieren

Eine große Analyse der menschlichen Bewegung ist erforderlich, da die menschliche Bewegung sehr komplex ist. Das MIT und die Universität Twente arbeiten beide daran, diese Bewegungen zu analysieren. Sie tun dies durch eine Kombination von Computermodellen , Kamerasystemen und Elektromyogrammen .

Schnittstelle

Durch die Schnittstelle können sich Biomechatronik-Geräte mit den Muskelsystemen und Nerven des Benutzers verbinden, um Informationen vom Gerät zu senden und zu empfangen. Dies ist eine Technologie, die in gewöhnlichen Orthesen- und Prothesengeräten nicht verfügbar ist . Gruppen an der Universität Twente und der Universität Malaya machen in dieser Abteilung drastische Schritte. Dort haben Wissenschaftler ein Gerät entwickelt, mit dem Lähmungs- und Schlaganfallopfer behandelt werden können, die ihren Fuß beim Gehen nicht kontrollieren können. Die Forscher nähern sich auch einem Durchbruch, der es einer Person mit einem amputierten Bein ermöglichen würde, ihre Beinprothese über ihre Stumpfmuskeln zu kontrollieren .

MIT-Forschung

Hugh Herr ist der führende biomechatronische Wissenschaftler am MIT . Herr und seine Forschergruppe entwickeln eine Sieb - Elektrode mit integriertem Schaltkreis und Prothesen, die der Nachahmung realer menschlicher Bewegungen näher kommen. Die beiden derzeit hergestellten Prothesen steuern die Kniebewegung und die andere die Steifheit eines Sprunggelenks.

Roboterfisch

Wie bereits erwähnt, stellten Herr und seine Kollegen einen Roboterfisch her , der von lebendem Muskelgewebe aus Froschschenkeln angetrieben wurde. Der Roboterfisch war ein Prototyp eines biomechatronischen Geräts mit einem lebenden Aktuator. Die folgenden Eigenschaften wurden dem Fisch gegeben.

  • Ein Styropor schwimmt, damit der Fisch schwimmen kann
  • Elektrische Drähte für Anschlüsse
  • Ein Silikonschwanz, der Kraft beim Schwimmen ermöglicht
  • Stromversorgung durch Lithiumbatterien
  • Ein Mikrocontroller zur Steuerung der Bewegung
  • Ein Infrarotsensor ermöglicht dem Mikrocontroller die Kommunikation mit einem Handheld-Gerät
  • Von einer elektronischen Einheit stimulierte Muskeln

Kunstforschung

Neue Medienkünstler an der UCSD verwenden Biomechatronik in Performance-Kunstwerken wie Technesexual ( weitere Informationen , Fotos , Videos ), einer Performance, bei der biometrische Sensoren verwendet werden, um die realen Körper der Darsteller mit ihren Second Life-Avataren und Slapshock ( weitere Informationen , Fotos) zu verbinden , Video ), in dem medizinische TENS-Einheiten verwendet werden, um die intersubjektive Symbiose in engen Beziehungen zu untersuchen.

Wachstum

Die Nachfrage nach biomechatronischen Geräten ist so hoch wie nie zuvor und zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung. Mit dem zunehmenden technologischen Fortschritt in den letzten Jahren konnten biomechatronische Forscher Prothesen konstruieren, die die Funktionalität menschlicher Gliedmaßen nachbilden können. Zu diesen Geräten gehören das von der Prothesenfirma Touch Bionics entwickelte "i-limb", die erste voll funktionsfähige Handprothese mit Gelenkgelenken, sowie Herr's PowerFoot BiOM, die erste Beinprothese, die Muskel- und Sehnenprozesse im menschlichen Körper simulieren kann. Die biomechatronische Forschung hat auch zur weiteren Erforschung des Verständnisses menschlicher Funktionen beigetragen. Forscher aus Carnegie Mellon und dem Bundesstaat North Carolina haben ein Exoskelett geschaffen, das die Stoffwechselkosten des Gehens um rund 7 Prozent senkt.

Viele biomechatronische Forscher arbeiten eng mit militärischen Organisationen zusammen. Das US-Veteranenministerium und das Verteidigungsministerium spenden verschiedene Labors, um Soldaten und Kriegsveteranen zu helfen.

Trotz der Nachfrage haben biomechatronische Technologien auf dem Gesundheitsmarkt aufgrund hoher Kosten und mangelnder Umsetzung in Versicherungspolicen Probleme. Herr behauptet, dass Medicare und Medicaid speziell wichtige "Marktbrecher oder Market Maker für all diese Technologien" sind und dass die Technologien nicht für alle verfügbar sein werden, bis die Technologien einen Durchbruch erzielen. Biomechatronische Geräte sind zwar verbessert, weisen jedoch immer noch mechanische Hindernisse auf, die unter unzureichender Batterieleistung, gleichbleibender mechanischer Zuverlässigkeit und neuronalen Verbindungen zwischen Prothetik und menschlichem Körper leiden.

Siehe auch

Anmerkungen

Externe Links