바이오메카트로닉스

Biomechatronics

바이오메카트로닉스는 생물학과 메카트로닉스(전기, 전자, 기계 공학)의 통합을 목표로 하는 학문 간 응용 과학입니다.또한 로봇 공학 및 신경 과학 분야도 포함하고 있습니다.바이오메카트로닉 장치는 의족 개발에서 호흡,[1] 시각 및 심혈관계와 관련된 엔지니어링 솔루션에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 포함합니다.

구조

바이오메카트로닉스는 인간의 몸이 작동하는 방식을 모방한다.예를 들어, 발을 들어 걸을 수 있으려면 네 가지 다른 단계가 발생해야 합니다.첫째, 뇌의 운동 중추에서 나오는 자극은 발과 다리 근육으로 보내진다.다음으로, 발에 있는 신경 세포는 뇌에 정보를 보내며, 두뇌가 땅을 가로질러 걷는데 필요한 근육군이나 힘의 양을 조절할 수 있게 해준다.횡단하는 표면의 유형에 따라 다른 양의 힘이 가해진다.그리고 나서 다리의 근육 방추 신경 세포는 바닥의 위치를 감지하고 다시 뇌로 보냅니다.마지막으로 발을 올려서 걸으면 다리 근육에 신호를 보내 발을 내려놓는다.

바이오센서

바이오센서는 사용자가 무엇을 하고 싶은지, 사용자의 의도와 동작을 검출하기 위해 사용됩니다.일부 장치에서는 사용자의 신경계 또는 근육계에 의해 정보가 전달될 수 있습니다.이 정보는 바이오센서에 의해 바이오메카트로닉 디바이스 내부 또는 외부에 위치할 수 있는 컨트롤러와 관련됩니다.또한 바이오센서는 팔다리 및 액추에이터로부터 팔다리 위치와 힘에 대한 정보를 수신합니다.바이오센서는 다양한 형태로 제공됩니다.그것들은 전기 활동을 감지하는 전선, 근육에 이식된 바늘 전극, 그리고 그것들을 통해 신경이 자라는 전극 배열일 수 있다.

전기 기계식 센서

기계식 센서의 목적은 바이오메카트로닉 장치에 대한 정보를 측정하고 해당 정보를 바이오 센서 또는 컨트롤러와 연결하는 것입니다.또한, 케이스 웨스턴 리저브 대학, 피츠버그 대학, 존스 홉킨스 대학과 같은 학교에서 물리적 자극을 기록하고 뉴로메카트로닉스라고 불리는 바이오메카트로닉스의 하위 영역에 대한 신경 신호로 변환하는 것을 목표로 많은 센서가 사용되고 있습니다.

컨트롤러

바이오메카트로닉 장치의 컨트롤러는 사용자의 의도를 액추에이터에 전달합니다.또, 바이오 센서나 기계 센서로부터 유저에게의 피드백 정보도 해석합니다.컨트롤러의 다른 기능은 바이오메카트로닉 장치의 움직임을 제어하는 것입니다.

액튜에이터

액추에이터는 인공 근육일 수 있지만 제어 입력을 기반으로 외부 효과를 제공하는 시스템의 모든 부분이 될 수 있습니다.기계식 액추에이터의 역할은 힘과 움직임을 생성하는 것입니다.장치가 직교형인지 보철형인지에 따라 액추에이터는 사용자의 원래 근육을 보조하거나 대체하는 모터가 될 수 있습니다.그러한 많은 시스템은 실제로 다중 작동기를 수반한다.

조사.

바이오메카트로닉스는 급성장하고 있는 분야지만 현재 연구를 하는 연구소는 거의 없다.Shirley Ryan AbilityLab(이전의 시카고 재활 연구소), 버클리 캘리포니아 대학교, MIT, 스탠포드 대학교 및 네덜란드의 Twente 대학교는 바이오메카트로닉스 분야의 선두 기업입니다.본 연구에서는 크게 세 가지 영역이 강조되고 있다.

  1. 복잡한 인간의 움직임을 분석하여 바이오메카트로닉 디바이스 설계에 도움이 됩니다.
  2. 전자기기가 어떻게 신경계와 접촉할 수 있는지 연구하고 있다.
  3. 살아있는 근육 조직을 전자기기의 액추에이터로 사용하는 방법 테스트

모션 분석

인간의 움직임은 매우 복잡하기 때문에 인간의 움직임에 대한 많은 분석이 필요하다.MIT와 Twente 대학 모두 이러한 움직임을 분석하기 위해 노력하고 있습니다.그들은 컴퓨터 모델, 카메라 시스템, 그리고 근전도(Electromyogram)의 조합을 통해 이것을 하고 있다.

신경 인터페이스

인터페이스를 통해 바이오메카트로닉스 장치는 사용자의 근육 시스템 및 신경과 연결하여 장치와 정보를 주고받을 수 있습니다.일반 정형외과나 보철장치에는 없는 기술이다.Twente 대학과 Malaya 대학의 그룹은 이 학과에서 과감한 조치를 취하고 있습니다.그곳의 과학자들은 걷는 동안 발을 조절하지 못하는 마비 및 뇌졸중 환자들을 치료하는데 도움을 줄 장치를 개발했다.연구원들은 또한 절단된 다리를 가진 사람이 그루터기 근육을 통해 의족을 제어할 수 있는 돌파구를 찾고 있다.

MIT의 연구원들은 하지(다리, 경골)에서 고유 수용성 피드백(위치 감지)을 가능하게 하는 MYO-AMI 시스템이라고 불리는 도구를 개발했다.또, 상지(Functional Neural Interface Lab, CWRU)의 인터페이스에도 초점을 맞추고 있습니다.뇌, 척수, 배근신경절, 척수/두골신경 및 엔드 이펙터 기술로 더 세분화된 CNS 및 PNS 접근법과 장치 구성요소가 없는 일부 순수 수술 기법(타깃 근육 재신경화 참조)이 있다.

MIT 조사

Hugh Herr는 MIT의 선도적인 바이오메카트로닉 과학자입니다.Herr와 그의 연구팀은 실제 인간의 움직임을 모방하는 것에 근접한 체 집적회로 전극과 보철장치를 개발하고 있다.현재 제작 중인 두 개의 보철장치는 무릎의 움직임을 조절하고 다른 하나는 발목 관절의 경직을 조절합니다.

물고기 로봇

이전에 Herr와 그의 동료들이 개구리 다리에서 떼어낸 살아있는 근육 조직에 의해 추진되는 로봇 물고기를 만들었다.이 물고기 로봇은 살아있는 작동기가 있는 바이오메카트로닉 장치의 원형이었다.이 [2]물고기의 특징은 다음과 같다.

  • 스티로폼은 물고기가 뜰 수 있도록 떠다닌다.
  • 접속용 전선
  • 수영 중 힘을 줄 수 있는 실리콘 테일
  • 리튬 배터리에 의한 전원 공급
  • 움직임을 제어하는 마이크로컨트롤러
  • 적외선 센서를 통해 마이크로컨트롤러가 핸드헬드 장치와 통신할 수 있습니다.
  • 전자 장치에 의해 자극된 근육

예술 연구

UCSD의 뉴미디어 아티스트들은 바이오메카트로닉스를 퍼포먼스 아트 작품에서 사용하고 있습니다.Technesexual(더 많은 정보, 사진, 비디오)은 바이오메트릭 센서를 사용하여 연주자의 실제 몸을 Second Life 아바타 및 Slapshock(더 많은 정보, 사진, 비디오)과 연결해 의료용 텐스 유닛을 탐색합니다.친밀한 관계에서의 젝트적인 공생.

성장

바이오메카트로닉 소자에 대한 수요는 사상 최고치를 기록했고, 둔화될 기미가 보이지 않는다.최근 몇 년 동안 기술의 진보와 함께, 바이오메카트로닉 연구원들은 인간 부속물의 기능을 복제할 수 있는 의족을 만들 수 있었다.이러한 장치에는 인공기관인 터치바이오닉스가 개발한 최초의 관절이 [3]있는 완전한 기능을 하는 인공손인 "i-limb"와 [4]인체 내 근육과 힘줄 과정을 시뮬레이션할 수 있는 최초의 의족인 Herr의 PowerFoot BiOM이 포함된다.바이오메카트로닉 연구는 또한 인간의 기능을 이해하기 위한 추가 연구에 도움을 주었다.카네기 멜론과 노스캐롤라이나 주의 연구원들은 걷는 데 드는 신진대사 비용을 [5]약 7퍼센트까지 줄이는 외골격을 만들었다.

많은 바이오메카트로닉 연구자들이 군사 조직과 긴밀히 협력하고 있다.미국 퇴역군인부와 국방부는 군인과 [2]참전용사를 돕기 위해 여러 연구소에 자금을 지원하고 있다.

그러나 수요에도 불구하고 바이오메카트로닉 기술은 높은 비용과 보험 약관에 대한 구현 부족으로 인해 의료 시장에서 어려움을 겪고 있습니다.Herr는 Medicare와 Medicaid가 특히 중요한 "이 모든 기술의 시장 개척자 또는 시장 개척자"이며, 기술이 [6]돌파구를 찾을 때까지 모든 사람이 이 기술을 이용할 수 있는 것은 아니라고 주장한다.바이오메카트로닉 장치는 개선되었지만 여전히 불충분한 배터리 전원, 일관된 기계적 신뢰성 및 보철물과 [7]인체 사이의 신경 연결로 인해 기계적 장애물에 직면합니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ Brooker, Graham (2012). Introduction to Biomechatronics. University of Sydney, Australia. ISBN 978-1-891121-27-2.
  2. ^ a b Craig Freudenrich. "How Biomechatronics Works". HowStuffWorks. Retrieved July 29, 2016.
  3. ^ "Touch Bionics". Retrieved July 29, 2016.
  4. ^ Shaer, Matthew (November 2014). "Is This the Future of Robotic Legs?". Smithsonian Magazine.
  5. ^ "Researchers improve efficiency of human walking" (Press Release). NSF. Retrieved July 29, 2016.
  6. ^ Johnson, Brian (2014-04-22). "Will Medicare patients be left out of the bionics revolution?". Boston Globe. Retrieved July 29, 2016.
  7. ^ Fanning, Paul (March 13, 2014). "How biomechatronic prosthetics are changing the face of disability". Eureka Magazine. Retrieved July 29, 2016.

외부 링크