Biomecatrônica - Biomechatronics

Biomecatrônica é uma ciência interdisciplinar aplicada que visa integrar biologia e mecatrônica ( engenharia elétrica , eletrônica e mecânica ). Também abrange os campos da robótica e da neurociência . Os dispositivos biomecatrônicos abrangem uma ampla gama de aplicações, desde o desenvolvimento de próteses de membros até soluções de engenharia relacionadas à respiração, visão e sistema cardiovascular.

Como funciona

A biomecatrônica imita o funcionamento do corpo humano. Por exemplo, quatro etapas diferentes devem ocorrer para poder levantar o pé para andar. Primeiro, os impulsos do centro motor do cérebro são enviados para os músculos do pé e da perna . Em seguida, as células nervosas dos pés enviam informações, fornecendo feedback ao cérebro, permitindo que ele ajuste os grupos de músculos ou a quantidade de força necessária para caminhar pelo solo. Diferentes quantidades de força são aplicadas dependendo do tipo de superfície que está sendo percorrida. As células nervosas do fuso muscular da perna sentem e enviam a posição do solo de volta ao cérebro . Finalmente, quando o pé é levantado para dar um passo, sinais são enviados aos músculos da perna e do pé para colocá-lo no chão.

Biossensores

Biossensores são usados ​​para detectar o que o usuário deseja fazer ou suas intenções e movimentos. Em alguns dispositivos, as informações podem ser transmitidas pelo sistema nervoso ou muscular do usuário . Essas informações são relacionadas pelo biossensor a um controlador que pode estar localizado dentro ou fora do dispositivo biomecatrônico. Além disso, os biossensores recebem informações sobre a posição do membro e a força do membro e do atuador . Os biossensores vêm em uma variedade de formas. Eles podem ser fios que detectam atividade elétrica , eletrodos de agulha implantados nos músculos e arranjos de eletrodos com nervos crescendo através deles.

Sensores mecânicos

A finalidade dos sensores mecânicos é medir informações sobre o dispositivo biomecatrônico e relacionar essas informações ao biossensor ou controlador.

Controlador

O controlador em um dispositivo biomecatrônico retransmite as intenções do usuário aos atuadores. Ele também interpreta informações de feedback para o usuário que vêm dos biossensores e sensores mecânicos. A outra função do controlador é controlar os movimentos do dispositivo biomecatrônico.

Atuador do

O atuador é um músculo artificial. Sua função é produzir força e movimento. Dependendo se o dispositivo é ortótico ou protético, o atuador pode ser um motor que auxilia ou substitui o músculo original do usuário.

Pesquisa

A biomecatrônica é um campo em rápido crescimento, mas no momento existem poucos laboratórios que realizam pesquisas. O Shirley Ryan AbilityLab (antigo Instituto de Reabilitação de Chicago ), a Universidade da Califórnia em Berkeley , MIT , a Universidade de Stanford e a Universidade de Twente na Holanda são os líderes de pesquisa em biomecatrônica. Três áreas principais são enfatizadas na pesquisa atual.

  1. Analisar os movimentos humanos, que são complexos, para auxiliar no projeto de dispositivos biomecatrônicos
  2. Estudar como dispositivos eletrônicos podem interagir com o sistema nervoso.
  3. Testando as maneiras de usar o tecido muscular vivo como atuadores para dispositivos eletrônicos

Analisando movimentos

É necessária muita análise sobre o movimento humano porque o movimento humano é muito complexo. O MIT e a Universidade de Twente estão trabalhando para analisar esses movimentos. Eles estão fazendo isso por meio de uma combinação de modelos de computador , sistemas de câmera e eletromiogramas .

Interface

A interface permite que os dispositivos biomecatrônicos se conectem aos sistemas musculares e nervosos do usuário para enviar e receber informações do dispositivo. Esta é uma tecnologia que não está disponível em aparelhos ortopédicos e protéticos comuns . Grupos da University of Twente e da University of Malaya estão dando passos drásticos nesse departamento. Cientistas desenvolveram um dispositivo que ajudará a tratar vítimas de paralisia e derrame que não conseguem controlar o pé enquanto caminham. Os pesquisadores também estão se aproximando de um avanço que permitiria a uma pessoa com uma perna amputada controlar sua perna protética através dos músculos do coto.

Pesquisa do MIT

Hugh Herr é o principal cientista biomecatrônico do MIT . Herr e seu grupo de pesquisadores estão desenvolvendo um eletrodo de circuito integrado de peneira e dispositivos protéticos que estão mais perto de imitar o movimento humano real. Os dois dispositivos protéticos atualmente em construção controlarão o movimento do joelho e o outro controlará a rigidez de uma articulação do tornozelo.

Peixe robótico

Como mencionado antes, Herr e seus colegas criaram um peixe robótico que era impulsionado por tecido muscular vivo retirado de pernas de sapo. O peixe robótico era o protótipo de um dispositivo biomecatrônico com um atuador vivo. As seguintes características foram atribuídas aos peixes.

  • Um flutuador de isopor para que o peixe possa flutuar
  • Fios elétricos para conexões
  • Uma cauda de silicone que permite força ao nadar
  • Energia fornecida por baterias de lítio
  • Um microcontrolador para controlar o movimento
  • Um sensor infravermelho permite que o microcontrolador se comunique com um dispositivo portátil
  • Músculos estimulados por uma unidade eletrônica

Pesquisa de artes

Artistas de novas mídias na UCSD estão usando biomecatrônica em peças de arte performática, como Technesexual ( mais informações , fotos , vídeo ), uma performance que usa sensores biométricos para conectar o corpo real dos performers a seus avatares do Second Life e Slapshock ( mais informações , fotos , vídeo ), em que unidades médicas de TENS são usadas para explorar a simbiose intersubjetiva em relacionamentos íntimos.

Crescimento

A demanda por dispositivos biomecatrônicos está em alta e não mostra sinais de desaceleração. Com o crescente avanço tecnológico nos últimos anos, os pesquisadores biomecatrônicos foram capazes de construir membros protéticos que são capazes de replicar a funcionalidade dos apêndices humanos. Esses dispositivos incluem o "i-limb", desenvolvido pela empresa de próteses Touch Bionics, a primeira prótese de mão totalmente funcional com articulações articuladas, bem como o Herr's PowerFoot BiOM, a primeira perna protética capaz de simular processos musculares e tendinosos no corpo humano. A pesquisa biomecatrônica também ajudou a promover pesquisas no sentido de compreender as funções humanas. Pesquisadores de Carnegie Mellon e do estado da Carolina do Norte criaram um exoesqueleto que diminui o custo metabólico da caminhada em cerca de 7%.

Muitos pesquisadores biomecatrônicos estão colaborando de perto com organizações militares. O Departamento de Assuntos de Veteranos dos Estados Unidos e o Departamento de Defesa estão dando fundos para diferentes laboratórios para ajudar soldados e veteranos de guerra.

Apesar da demanda, no entanto, as tecnologias biomecatrônicas enfrentam dificuldades no mercado de saúde devido aos altos custos e à falta de implementação nas apólices de seguro. Herr afirma que o Medicare e o Medicaid são especificamente importantes "inovadores ou criadores de mercado para todas essas tecnologias" e que as tecnologias não estarão disponíveis para todos até que haja um avanço. Dispositivos biomecatrônicos, embora melhorados, também enfrentam obstruções mecânicas, sofrendo de bateria inadequada, confiabilidade mecânica consistente e conexões neurais entre as próteses e o corpo humano.

Veja também

Notas

links externos