Эта статья, а также её последующие на эту же тему, являются переводом(оригинал)
Начну статью с того, что такое биомехатроника.
Биомехатроника — прикладная междисциплинарная наука, направленная на интеграцию биологии, механики и электроники. Она также охватывает области робототехники и нейронауки.
Сейчас расскажу поподробнее.
Биомехатроника - это слияние человека с машиной - как киборг научной фантастики. Это междисциплинарная область, охватывающая биологию, нейронауки, механику, электронику и робототехнику. Ученые-биомеханики пытаются создать устройства, которые взаимодействуют с человеческими мышцами, скелетом и нервной системой с целью оказания помощи или усиления двигательного контроля человека, который может быть потерян или поврежден в результате травмы, заболевания или врожденных дефектов.
Подумайте, что происходит, когда вы поднимаете ногу, чтобы идти
- Моторный центр вашего мозга посылает импульсы мышцам стопы и голени. Соответствующие мышцы сокращаются в соответствующей последовательности, чтобы двигаться и поднимать ногу.
- Нервные клетки вашей стопы воспринимают почву и посылают информацию в мозг для регулировки силы или количества мышечных групп, необходимых для ходьбы по поверхности. Вы не применяете ту же силу, чтобы ходить по деревянному полу, как, например, при ходьбе по снегу или грязи.
- Нервные клетки в ваших мышечных веретенах ног чувствуют положение пола и информацию обратной связи с мозгом. Вам не нужно смотреть на пол, чтобы знать, где он находится.
- Когда вы поднимаете ногу, чтобы сделать шаг, ваш мозг посылает соответствующие сигналы ногам и мышцам ступни, чтобы поставить ее
Эта система имеет датчики (нервные клетки, мышечные веретена), исполнительные механизмы (мышцы) и контроллер (головной / спинной мозг). В этой статье мы узнаем, как биомехатронные устройства работают с использованием этих компонентов, исследуем текущий прогресс в исследованиях биомехатроники и узнаем о преимуществах таких устройств.
Биомехатронические компоненты
Любые биомехатронные устройства состоят из следующих компонентов:
Биодатчики
Биодатчики определяют «намерения» пользователя. В зависимости от повреждения и типа устройства эта информация может поступать из нервной и / или мышечной системы пользователя. Биодатчик связывает эту информацию с контроллером, расположенным снаружи или внутри самого устройства, в случае протеза. Биосенсоры также получают обратную связь от конечности и привода (например, положения конечности и приложенного усилия) и связывают эту информацию с контроллером или нервной / мышечной системой пользователя.
Биосенсорами могут быть провода, которые обнаруживают электрическую активность, такие как гальванические детекторы (которые обнаруживают электрический ток, производимый химическими средствами) на коже, игольчатые электроды, имплантированные в мышцы, и / или массивы твердотельных электродов с растущими по ним нервами.
Механические датчики
Механические датчики измеряют информацию об устройстве (например, положение конечности, приложенное усилие и нагрузку) и посылает информацию к биосенсору и / или контроллеру. Механические датчики представлены измерителями силы и акселерометрами(прибор для измерения ускорения тела в пространстве)
Контроллер
Контроллер служит интерфейсом нервной или мышечной системы пользователя и устройства. Он передает и / или интерпретирует команды намерения от пользователя к исполнительным механизмам устройства. Он также передает и / или интерпретирует информацию обратной связи от механических и биосенсоров для пользователя. Контроллер также отслеживает и контролирует движения биомехатронного устройства.
Привод
Привод представляет собой искусственную мышцу, которая создает силу или движение. Привод может быть двигателем, который помогает или заменяет естественную мышцу пользователя в зависимости от того, является ли устройство ортопедическим или протезным.
Ортопедия vs Протезирование
Ортопедические устройства искусственно помогают движению человека без замены поврежденной конечности. Напротив, протезы заменяют потерянную или поврежденную конечность, чтобы восстановить движение.
Зачем использовать биомехатронику, а не обычные ортопедические / протезные устройства? Хотя многие новые ортопедические / протезные устройства используют микроэлектронику и роботизированные компоненты, они не могут точно имитировать сложные движения конечностей человека. Современные ортопедические / протезные устройства не обеспечивают обратную связь с людьми и не приспосабливаются к переменным нагрузкам или сложной местности. Они не приспосабливаются на мгновение к индивидуальному владельцу. Биомехатронные устройства обещают преодолеть эти ограничения путем непосредственного взаимодействия с мышечной и нервной системами пользователя, чтобы помочь / восстановить моторный контроль.
Эта статья немного подзатянулась, а рассказать надо еще многое. Так что я разделю всю эту информацию на несколько частей. Последующие статьи будут выходить очень скоро.