Кіріспе
Биология мен мехатрониканы интеграциялайтын салааралық ғылым. Биомехатроника – биология мен мехатрониканы (электр, электроника және машина жасау) біріктіруге бағытталған қолданбалы салааралық ғылым. Оған сондай-ақ робототехника және нейронауқасы салалары да кіреді. Биомехатроникалық құрылғылар жасанды мүшелерді жасаудан бастап, тыныс алу, көру және қан айналым жүйесі мәселелеріне қатысты инженерлік шешімдерге дейін кең ауқымды қолданыстарды қамтиды.
Bio mechatronics is an applied interdisciplinary science that aims to integrate biology and mechatronics (electrical, electronics, and mechanical engineering). It also encompasses the fields of robotics and neuroscience. Biomechatronic devices cover a wide range of applications, from developing prosthetic limbs to engineering solutions concerning respiration, vision, and the cardiovascular system.
Қалай жұмыс істейді
Биомехатроника адам денесінің жұмыс істеуін имитациялайды. Мысалы, аяқты көтеріп жүру үшін төрт түрлі қадам орындалуы керек. Біріншіден, мидың моторлық орталығынан аяқ және тізе бұлшық еттеріне импульстар жіберіледі. Екіншіден, аяқтағы жүйке жасушалары ақпаратты миға жіберіп, кері байланыс береді, бұл миға жер бетімен жүру үшін қажетті бұлшық топтарын немесе күш мөлшерін реттеуге мүмкіндік береді. Жүрiлетін беткейге байланысты әртүрлі энергия қолданылады. Содан кейін, тізе бұлшық еттеріндегі жүйке жасушалары еденнің орнын сезіп, миға қайта жібереді. Соңында, аяқ көтерілгенде, тізе және аяқ бұлшық еттеріне оны төмен қоюға сигнал жіберіледі.
Биосенсорлар
Биосенсорлар пайдаланушының не істегісі келетінін, олардың ниеттерін және қозғалыстарын анықтайды. Кейбір құрылғыларда ақпаратты пайдаланушының жүйке немесе бұлшықет жүйесі жібереді. Бұл ақпаратты биосенсор биомехатроникалық құрылғының ішінде немесе сыртында орналасқан контроллерге жеткізеді. Сонымен қатар, биосенсорлар аяқ-қолдан және орындаушы механизмнен аяқ-қолдың орны және күші туралы ақпаратты қабылдайды. Биосенсорлар түрлі формада болады. Олар электрлік белсенділікті анықтайтын сымдар, бұлшық еттерге енгізілген инелік электродтар және олардың ішінде жүйкелер өсетін электродтар тізімдері болуы мүмкін.
Электромеханикалық сенсорлар
Механикалық сенсорлардың мақсаты – биомехатроникалық құрылғы туралы ақпаратты өлшеу және осы ақпаратты биосенсорға немесе басқару құрылғысына (контроллерге) жеткізу болып табылады. Сонымен қатар, Кейс-Уэстерн Резерв Университеті, Питтсбург Университеті, Джонс Хопкинс Университеті сияқты көптеген оқу орындарында физикалық күштерді тіркеу және оларды нейромехатроника деп аталатын биомехатрониканың бір саласы үшін нейросигналдарға түрлендіру мақсатымен сенсорлар қолданылуда.
Бақылаушы
Биомехатроникалық құрылғыдағы контроллер пайдаланушының ниеттерін атқарушы механизмдерге жеткізеді. Ол сондай-ақ биосенсорлар мен механикалық сенсорлардан түсетін кері байланыс ақпаратын пайдаланушыға түсіндіреді. Контроллердің тағы бір функциясы – биомехатроникалық құрылғының қозғалысын басқару.
Ақырғыш
Орындаушы жасанды бұлшықет болуы мүмкін, бірақ ол басқару сигналына жауап ретінде сыртқы әсер беретін жүйенің кез келген бөлігі болуы мүмкін. Механикалық орындаушының міндеті – күш пен қозғалыс тудыру. Құрылғы ортопедиялық немесе протездік болған жағдайда, орындаушы пайдаланушының бұлшық етіне көмектесетін немесе оны толық алмастыратын мотор болуы мүмкін. Көптеген мұндай жүйелер бірнеше орындаушыны қамтиды.
Қозғалыстарды талдау
Адам қозғалысын жан-жақты талдау қажет, себебі адамның қимыл-қозғалысы өте күрделі. MIT және Твенте университеті осы қимылдарды талдау бойынша жұмыс жүргізіп жатыр. Олар бұл жұмысты компьютерлік модельдер, камера жүйелері және электромиограммалардың үйлесімі арқылы іске асыруда.
Нейробайланыс
Интерфейс биомехатроникалық құрылғыларына пайдаланушының бұлшықет және жүйке жүйелерімен байланыс орнатып, құрылғыдан ақпарат жіберу және алу мүмкіндігін береді. Бұл технологияны әдеттегі ортопедиялық және протездік құрылғыларда қолдануға болмайды. Твенте университеті мен Малайя университетінің топтары осы салада маңызды қадамдар жасап жатыр. Ондағы ғалымдар жүріп бара жатқанда аяқтарын басқара алмайтын паралич және инсульттан зардап шеккендерге көмектесетін құрылғыны жасады. Зерттеушілер сондай-ақ аяғы ампутацияланған адамның өз бұлшық еттері арқылы протездік аяғын басқаруына мүмкіндік беретін жаңалыққа жақындап келеді. MIT зерттеушілері төменгі аяқ-қолдарда (аяқ, трансстибиал) проприоцептивтік кері байланыс (позицияны сезу) қамтамасыз ететін MYO AMI жүйесін әзірледі. Тағы басқалары жоғарғы аяқ-қолдармен интерфейс жасауға (Функционалдық нейрондық интерфейс зертханасы, CWRU) шолу жасап жатыр. Орталық нерв жүйесі (ОЖЖ) және перифериялық нерв жүйесі (ПНЖ) тәсілдері бар, олар ми, омыртқа миы, арқалық тамыр ганглионы, омыртқа/бас сүйек жүйкесі және соңғы эффектілерге бөлінеді, сондай-ақ құрылғы компоненті жоқ таза хирургиялық тәсілдер де бар (мақсатты бұлшықетті қайтадан иннервациялау қараңыз).
MIT зерттеулері
Хью Херр – МИТ-тің жетекші биомехатроника ғалымы. Херр және оның зерттеушілер тобы нақты адам қозғалысын жақыннан қайталайтын, сырғалы интегралды схемалық электродты және протездік құрылғыларды жасап дамытуда. Қазіргі уақытта жасалып жатқан екі протездің біреуі тізе буынының қозғалысын, ал екіншісі – тобық буынының қаттылығын басқарады.
Өнер саласындағы зерттеулер
UCSD-дегі жаңа медиа суретшілері өнер туындыларында биомехатрониканы пайдалануда, мысалы, Technesexual (қосымша ақпарат, фотосуреттер, бейне), орындаушылардың нақты денелерін биометриялық сенсорлар арқылы Second Life аватарларымен байланыстыратын қойылым, және Slapshock (қосымша ақпарат, фотосуреттер, бейне), онда медициналық TENS құрылғылары жақын қарым-қатынастардағы субъектіаралық симбиозды зерттеу үшін қолданылады.
Өсу
Биомехатроникалық құрылғыларға деген сұраныс рекордтық деңгейде және төмендеу белгілері байқалмайды. Соңғы жылдары технологияның дамуымен биомехатроника зерттеушілері адам мүшелерінің функционалдығын қайта жасай алатын протездік аяқ-қолдарды құрастыра алды. Мұндай құрылғылардың қатарында Touch Bionics протездік компаниясы жасаған бірінші толыққанды жұмыс істейтін, буындары бар протездік қол – "i limb", сондай-ақ адам денесіндегі бұлшықет және сіңір процестерін имитациялайтын алғашқы протездік аяқ – Herr's PowerFoot BiOM бар. Биомехатроникалық зерттеулер адам функцияларын түсінуге қатысты зерттеулерді одан әрі дамытуға көмектесті. Карнеги Меллон және Солтүстік Каролина штатының зерттеушілері жүрудің метаболизмік шығындарын шамамен 7 пайызға азайтатын экзоскелет құрды. Көптеген биомехатроника зерттеушілері әскери ұйымдармен тығыз байланыста жұмыс істейді. АҚШ-тың Ардагерлер істері департаменті мен Қорғаныс департаменті әртүрлі зертханаларды қаржыландырып, сол арқылы әскер қызметкерлері мен соғыс ардагерлеріне көмектеседі. Биомехатроникалық құрылғылар жақсартылғанымен, олар әлі де механикалық қиындықтарға тап болады, олардың себебі – жеткіліксіз батарея қуаты, тұрақты механикалық сенімділік және протездер мен адам денесі арасындағы нейрондық байланыстардың жетілмегендігі.