Введение

Междисциплинарная наука, объединяющая биологию и мехатронику.

Биомехатроника – это прикладная междисциплинарная наука, направленная на интеграцию биологии и мехатроники (электротехники, электроники и машиностроения). Она также включает в себя области робототехники и нейронауки. Биомехатронные устройства находят широкое применение, начиная от разработки протезов конечностей и заканчивая инженерными решениями в области дыхания, зрения и сердечно-сосудистой системы.

Как это работает

Биомехатроника имитирует работу человеческого тела. Например, для того чтобы поднять ногу при ходьбе, необходимо выполнить четыре последовательных действия. Сначала импульсы из двигательного центра мозга посылаются к мышцам стопы и ноги. Затем нервные клетки в стопе передают информацию, обеспечивая обратную связь мозгу, что позволяет ему корректировать группы мышц или величину усилия, необходимого для ходьбы по поверхности. В зависимости от типа поверхности, на которую приходится нагрузка, прикладывается разное количество энергии. Нервные клетки мышечного веретена в ноге затем воспринимают и передают информацию о положении пола обратно в мозг. И, наконец, когда нога поднимается для шага, сигналы посылаются мышцам ноги и стопы для ее опускания.

Биосенсоры

Биосенсоры определяют намерения пользователя, его движения и то, что он хочет сделать. В некоторых устройствах информация передается через нервную или мышечную систему пользователя. Эта информация поступает от биосенсора к контроллеру, который может находиться внутри или снаружи биомехатронного устройства. Помимо этого, биосенсоры получают информацию о положении и усилии конечности от самой конечности и привода. Биосенсоры представлены в различных формах: это могут быть провода, регистрирующие электрическую активность, игольчатые электроды, имплантированные в мышцы, и электродные матрицы, в которых растут нервы.

Электромеханические датчики

Цель механических датчиков — измерять информацию о биомехатронном устройстве и передавать эту информацию биосенсору или контроллеру. Кроме того, многие датчики используются в учебных заведениях, таких как Case Western Reserve University, University of Pittsburgh, Johns Hopkins University и других, для регистрации физических воздействий и преобразования их в нейронные сигналы в области биомехатроники, называемой нейромехатроникой.

Контроллер

Контроллер в биомехатронном устройстве передает намерения пользователя к исполнительным механизмам. Он также интерпретирует обратную связь, поступающую от биосенсоров и механических датчиков, и доводит ее до пользователя. Кроме того, контроллер управляет движениями биомехатронного устройства.

Двигатель

Исполнительный механизм может быть искусственной мышцей, но также может представлять собой любую часть системы, создающую внешний эффект на основе управляющего сигнала. Для механического исполнительного механизма его задача – создавать силу и движение. В зависимости от того, является ли устройство ортезом или протезом, исполнительный механизм может быть двигателем, который помогает или заменяет исходные мышцы пользователя. Многие подобные системы фактически включают в себя несколько исполнительных механизмов.

Анализ движений

Требуется значительный объем анализа человеческих движений, поскольку они очень сложны. Массачусетский технологический институт и Университет Твенте работают над анализом этих движений, используя комбинацию компьютерных моделей, систем камер и электромиограмм.

Нейронный интерфейс

Интерфейс позволяет биомехатронным устройствам соединяться с мышечными системами и нервами пользователя для отправки и получения информации от устройства. Это технология, которая недоступна в обычных ортопедических и протезирующих устройствах. Группы из Университета Твенте и Университета Малайи делают значительные шаги в этом направлении. Ученые там разработали устройство, которое поможет в лечении паралича и последствий инсульта у людей, которые не могут контролировать стопу во время ходьбы. Исследователи также близки к прорыву, который позволит человеку с ампутированной ногой управлять своим протезом через мышцы культи. Исследователи из MIT разработали инструмент под названием система MYO AMI, который обеспечивает проприоцептивную обратную связь (ощущение положения) в нижних конечностях (ноги, транс-тибиальные). Другие специалисты сосредоточены на интерфейсе для верхних конечностей (Functional Neural Interface Lab, CWRU). Существуют подходы как к ЦНС, так и к ПНС, которые далее подразделяются на методы, воздействующие на мозг, спинной мозг, спинномозговые ганглии, спинно-черепные нервы и конечные эффекторы, а также некоторые чисто хирургические методы, не требующие использования устройств (см. Целевая реиннервация мышц).

Исследования МИТ

Хью Херр – ведущий специалист в области биомехатроники в Массачусетском технологическом институте (MIT). Херр и его группа исследователей разрабатывают электроды с интегрированными схемой-ситом и протезы, которые всё ближе к воспроизведению естественных движений человека. Два разрабатываемых протеза будут управлять движением коленного сустава, а другой – жесткостью голеностопного сустава.

Исследования в области искусства

Художники новых медиа в UCSD используют биомехатронику в своих перформансах, таких как Technesexual (подробнее, фотографии, видео) – представление, в котором биометрические сенсоры связывают реальные тела исполнителей с их аватарами во Second Life, и Slapshock (подробнее, фотографии, видео) – работа, в которой медицинские аппараты TENS используются для исследования межсубъективного симбиоза в близких отношениях.

Рост

Спрос на биомехатронные устройства достиг беспрецедентного уровня и не демонстрирует признаков снижения. Благодаря стремительному развитию технологий в последние годы, исследователям в области биомехатроники удалось создать протезы конечностей, способные воспроизводить функциональность человеческих органов. К таким устройствам относятся "i-limb", разработанный компанией Touch Bionics – первая полностью функциональная протезная рука с шарнирными соединениями, а также PowerFoot BiOM от Херра – первая протезная нога, способная имитировать работу мышц и сухожилий в организме человека. Исследования в области биомехатроники также способствуют углубленному пониманию функций человеческого тела. Ученые из Карнеги-Меллона и Университета Северной Каролины разработали экзоскелет, который снижает энергетические затраты при ходьбе примерно на 7 процентов. Многие исследователи в области биомехатроники тесно сотрудничают с военными организациями. Министерство по делам ветеранов и Министерство обороны США финансируют различные лаборатории для оказания помощи солдатам и ветеранам войн. Несмотря на улучшения, биомехатронные устройства по-прежнему сталкиваются с механическими проблемами, такими как недостаточная емкость аккумуляторов, вопросы надежности и установление стабильных нейронных связей между протезами и человеческим телом.