Biomecatrónica - Biomechatronics

La biomecatrónica es una ciencia interdisciplinaria aplicada que tiene como objetivo integrar la biología y la mecatrónica ( ingeniería eléctrica , electrónica e mecánica ). También abarca los campos de la robótica y la neurociencia . Los dispositivos biomecatrónicos abarcan una amplia gama de aplicaciones, desde el desarrollo de prótesis hasta soluciones de ingeniería relacionadas con la respiración, la visión y el sistema cardiovascular.

Cómo funciona

La biomecatrónica imita cómo funciona el cuerpo humano. Por ejemplo, deben darse cuatro pasos diferentes para poder levantar el pie para caminar. Primero, los impulsos del centro motor del cerebro se envían a los músculos del pie y la pierna . Luego, las células nerviosas de los pies envían información, proporcionando retroalimentación al cerebro, lo que le permite ajustar los grupos de músculos o la cantidad de fuerza requerida para caminar por el suelo. Se aplican diferentes cantidades de fuerza según el tipo de superficie por la que se camina. Luego, las células nerviosas del huso muscular de la pierna detectan y envían la posición del piso de regreso al cerebro . Finalmente, cuando el pie se eleva para dar un paso, se envían señales a los músculos de la pierna y el pie para que lo apoyen.

Biosensores

Los biosensores se utilizan para detectar lo que el usuario quiere hacer o sus intenciones y movimientos. En algunos dispositivos, la información puede ser transmitida por el sistema nervioso o el sistema muscular del usuario . El biosensor relaciona esta información con un controlador que puede estar ubicado dentro o fuera del dispositivo biomecatrónico. Además, los biosensores reciben información sobre la posición de la extremidad y la fuerza de la extremidad y el actuador . Los biosensores vienen en una variedad de formas. Pueden ser cables que detectan actividad eléctrica , electrodos de aguja implantados en los músculos y conjuntos de electrodos con nervios creciendo a través de ellos.

Sensores mecánicos

El propósito de los sensores mecánicos es medir información sobre el dispositivo biomecatrónico y relacionar esa información con el biosensor o controlador.

Controlador

El controlador en un dispositivo biomecatrónico transmite las intenciones del usuario a los actuadores. También interpreta la información de retroalimentación para el usuario que proviene de los biosensores y sensores mecánicos. La otra función del controlador es controlar los movimientos del dispositivo biomecatrónico.

Solenoide

El actuador es un músculo artificial. Su trabajo es producir fuerza y ​​movimiento. Dependiendo de si el dispositivo es ortopédico o protésico, el actuador puede ser un motor que asiste o reemplaza el músculo original del usuario.

Investigación

La biomecatrónica es un campo en rápido crecimiento, pero en la actualidad hay muy pocos laboratorios que realicen investigaciones. El Shirley Ryan AbilityLab (anteriormente el Instituto de Rehabilitación de Chicago ), la Universidad de California en Berkeley , el MIT , la Universidad de Stanford y la Universidad de Twente en los Países Bajos son los líderes en investigación en biomecatrónica. En la investigación actual se enfatizan tres áreas principales.

  1. Analizar los movimientos humanos, que son complejos, para ayudar en el diseño de dispositivos biomecatrónicos.
  2. Estudiar cómo los dispositivos electrónicos pueden interactuar con el sistema nervioso.
  3. Probando las formas de utilizar tejido muscular vivo como actuadores para dispositivos electrónicos

Analizar movimientos

Se necesita una gran cantidad de análisis sobre el movimiento humano porque el movimiento humano es muy complejo. El MIT y la Universidad de Twente están trabajando para analizar estos movimientos. Lo están haciendo a través de una combinación de modelos de computadora , sistemas de cámaras y electromiogramas .

Interfaz

La interfaz permite que los dispositivos biomecatrónicos se conecten con los sistemas musculares y los nervios del usuario para enviar y recibir información desde el dispositivo. Esta es una tecnología que no está disponible en dispositivos ortopédicos y protésicos ordinarios . Grupos de la Universidad de Twente y la Universidad de Malaya están dando pasos drásticos en este departamento. Los científicos han desarrollado un dispositivo que ayudará a tratar a las víctimas de parálisis y accidentes cerebrovasculares que no pueden controlar su pie mientras caminan. Los investigadores también se están acercando a un gran avance que permitiría a una persona con una pierna amputada controlar su pierna protésica a través de los músculos del muñón.

Investigación del MIT

Hugh Herr es el principal científico biomecatrónico del MIT . Herr y su grupo de investigadores están desarrollando un electrodo de circuito integrado de tamiz y dispositivos protésicos que se están acercando a imitar el movimiento humano real. Los dos dispositivos protésicos que se están fabricando actualmente controlarán el movimiento de la rodilla y el otro controlará la rigidez de la articulación del tobillo.

Pez robótico

Como se mencionó anteriormente, Herr y sus colegas hicieron un pez robótico que fue impulsado por tejido muscular vivo extraído de las ancas de rana. El pez robótico era un prototipo de dispositivo biomecatrónico con un actuador vivo. A los peces se les dieron las siguientes características.

  • Un flotador de espuma de poliestireno para que los peces puedan flotar
  • Cables eléctricos para conexiones
  • Una cola de silicona que permite la fuerza al nadar.
  • Energía proporcionada por baterías de litio
  • Un microcontrolador para controlar el movimiento
  • Un sensor de infrarrojos permite que el microcontrolador se comunique con un dispositivo de mano
  • Músculos estimulados por una unidad electrónica

Investigación artística

Los artistas de los nuevos medios en UCSD están utilizando biomecatrónica en piezas de arte escénico, como Technesexual ( más información , fotos , video ), una actuación que utiliza sensores biométricos para conectar los cuerpos reales de los artistas con sus avatares de Second Life y Slapshock ( más información , fotos , video ), en el que se utilizan unidades TENS médicas para explorar la simbiosis intersubjetiva en las relaciones íntimas.

Crecimiento

La demanda de dispositivos biomecatrónicos está en su punto más alto y no muestra signos de desaceleración. Con el avance tecnológico creciente en los últimos años, los investigadores biomecatrónicos han podido construir prótesis que son capaces de replicar la funcionalidad de los apéndices humanos. Dichos dispositivos incluyen el "i-limb", desarrollado por la compañía de prótesis Touch Bionics, la primera mano protésica completamente funcional con articulaciones articuladas, así como el PowerFoot BiOM de Herr, la primera pierna protésica capaz de simular procesos musculares y tendinosos dentro del cuerpo humano. La investigación biomecatrónica también ha ayudado a realizar más investigaciones para comprender las funciones humanas. Investigadores de Carnegie Mellon y del estado de Carolina del Norte han creado un exoesqueleto que reduce el costo metabólico de caminar en alrededor de un 7 por ciento.

Muchos investigadores biomecatrónicos están colaborando estrechamente con organizaciones militares. El Departamento de Asuntos de Veteranos y el Departamento de Defensa de EE. UU. Están dando fondos a diferentes laboratorios para ayudar a soldados y veteranos de guerra.

Sin embargo, a pesar de la demanda, las tecnologías biomecatrónicas luchan dentro del mercado de la salud debido a los altos costos y la falta de implementación en las pólizas de seguros. Herr afirma que Medicare y Medicaid específicamente son importantes "rompedores de mercado o creadores de mercado para todas estas tecnologías", y que las tecnologías no estarán disponibles para todos hasta que las tecnologías logren un gran avance. Los dispositivos biomecatrónicos, aunque mejorados, también enfrentan obstrucciones mecánicas, debido a una batería inadecuada, una fiabilidad mecánica constante y conexiones neuronales entre la prótesis y el cuerpo humano.

Ver también

Notas

enlaces externos