Giriş: Yeni Makineler Biyolojisi
Biyomechatronics, biyoloji, mekanik mühendisliği ve elektroniklerin dönüştürücü bir yakınlığını temsil ediyor, insan vücudu ile doğrudan etkileşime giren akıllı sistemler yaratıyor. Alan, sadece kaybolan işlevi yeniden icat eden sofistike platformlar için hızla gelişti, ancak aynı zamanda doğal insan performansını da artırdı.İnsan fiziksel ve sensör deneyimi ile yaşam tarzınızı yeniden tanımlamakla ilgili.
Küresel biyomechatronics pazarı, yaşlanma popülasyonları, sinirsel yaralanma oranları ve işyeri güvenliği çözümleri için talep edilen bir zamanlar klinik uygulama, endüstriyel ayarlar ve hatta tüketici fitness ürünlerini yeniden tanımlamak için ortaya çıktı.Bu makale sadece donanım ve yazılımları, gerçek dünya uygulamalarını ve bu sistemleri çevreleyen etik peyzajı keşfeder.
Biomechatronics Nedir? A Systems-Level View
Onun özünde, biyomechatronics, kullanıcı sinir ve kas iskelet sistemleri ile biyolojik organizmaların entegrasyonunu içerir - elektromiyografik (EMG) aktivite, kasmik kalıplar veya kortal kalıpların aksine, hareket edenler hareket eder, direnç, tactile geri bildirimler ile bir çift yönlü iletişim döngüsü kurarlar.
Disiplin, nörobilim, robotik, malzemeler bilimi ve insan faktörleri mühendisliği gibi alanlardan ağır alır. Vakfın çalışmaları, 20. yüzyılın ortalarındaki cihazları algılayan, ancak modern biyomechatronics, sezgisel kontroller, biyonik organlar ve sinir arabirimleri içerir.Bir anahtar amacı, cihazın kendi biyolojik açıdan yanlış anlamasını gerektirir.
Eleştirel olarak, biyomechatronic sistemleri kapalı veya yarı kapalı bir kontrol döngüsü içinde çalışır. Biyolojik bileşen niyet sinyalleri yaratır; mechatronic bileşeni, amaçlanan eylemi uygular; sensörsel geri bildirimler çevreden ve cihaz içinde geri bildirimler biyolojik sisteme döndürür, algılama döngüsüne döner ve sürekli olarak işlem yapılır.
Biomechatronic Systems
Sensör Köprüsü olarak sensörler
Doğru ve duyarlı algılama önemlidir. Yüzey ve intramuscular EMG elektrotlar kas sözleşmeleri tarafından üretilen elektrik sinyalleri yakalar, prosthetic el veya exoskeleton eklemlerinin orantılı kontrolünü sağlar. Yenier yaklaşımlar doğrudan kodlu hareket niyetini içerir.
Esnek ve genişletilebilir elektroniklerde son gelişmeler, Kaliforniya Üniversitesi'nde araştırmacılar, yüksek kaliteli sinyal kaynaklarına ulaşmadan önce deri elektrotlarına uygun olan sensörleri etkinleştirmiştir.Bu epidermal elektronik sistemler aynı anda sıcaklık, susabilir ve elektrofiziksel sinyallere karşıdır.
Doğal Hareket için Tehditler
Akıcılar komut sinyalleri fiziksel harekete çevirirler. Konvansiyonel elektrik motorları yüksek güç yoğunluğu sunar, ancak sert ve gürültülü olabilir.Aksitif hareketleyiciler - elastik hareketleyiciler, pnömatik kaslar ve bükülmeler ve hızlanmış polimer kasları - biyolojik olarak benzer davranışların yanı sıra, gelişmiş güvenlik ve enerji verimliliğine sahip araştırmacılar, dirençlerini anında ayarlayabilecek değişkenleri geliştirirler.
Elektrikli elastomerler, elektrikli bir alan uygulandığında, ortaya çıkan bir yumuşak hareketleyici sınıfını kas benzeri performans özellikleriyle temsil ederler. Yüksek susta, hızlı yanıt süreleri ve sessiz operasyon uygulamaları için araştırılırken, uzayın yoğun olduğu yüksek sürüş gerilimleri ve sınırlı ömürler vardır.
Kontrol Stratejileri ve Yapay Zeka
Biyomechatronics'in arkasındaki istihbarat kontrol algoritmalarında yatıyor. Makine öğrenme sınıfı EMG veya sinir sinyalleri amaçlanan hareketleri tanımlamak için - el açık,kü döndürmek için, dirsekiz flex - gerçek zamanlı olarak, yardım profillerini zamanında optimize etmek, yürüyüş hızlarını veya arazisini değiştirmek için adapte etmek.Ofuzsuz yaralanma uygulamaları için, beyin-maklatıcı ağları otomatik olarak kodlamak için.
Özellikle umut verici bir yön, kullanıcı niyetini tahmin etmek için 50-200 saniye önceden yapılan bir kontrol modelidir, çünkü bu tahmin edilebilir bir şekilde hareket tahmin edilen gecikmeyi ortadan kaldırır.Bu ağlar genellikle fizyolojik sinyallerde zaman zaman zamansal desenleri öğrenebilirler, fizyolojik sinyallerde kullanıcı niyetlerini tahmin edebilir, kullanıcıların niyetlerini tahmin etmelerine olanak sağlar).
Son Teknolojik Gelişmeler
Akıllı Prosthetics: Basit Makyaj Ötesinde
Modern prosthetic uzuvlar aktif, sensör-laden cihazlara bireysel parmak kontrolü ve tactile geri bildirimler sağlar.The modüler Prosthetic Limb, Johns Hopkins tarafından geliştirilmiş ve uygulanan Fizik Laboratuvarı, yaklaşık 26 derece ücretsiz olarak elektriksel sinyalleri veya sinir implantları ile kontrol edilir. DEKA Arm System (Luka Arm) koordineli bir şekilde incelenebilir.
Osseointegration – doğrudan iskelete aktarılıyor, kullanıcı implante edilmiş elektrotlar ile bir araya geliyor – bu yaklaşım bugüne kadarki en canlı bionik deneyimlerle karşılaştırıldığında, titanyum implantasyonunu da güçlendirdi.
Yumuşak Exoskeletonlar ve Giyilebilir Sensörler
Paralel bir devrim, daha fazla abartıya yardımcı olan yumuşak iskeletlerde, tekstilleri, kabloları ve pnömatik mesaneleri katı çerçeveler yerine kullanır. Harvard'ın Wyss Institute, daha iyi bir şekilde yürüyen hızları yürüyüşe yardımcı olan yumuşak bir exosuit, metabolik maliyeti% 10'dan fazla azaltılabilir.)Değerli ölçüm birimleri, kumaşta gömülü - şimdiye kadar sürekli bir şekilde, bu tür bir farmasötik verileri, bu tür bir şekilde tekrarlayarak, küçük yetişkinlere yardımcı olur.
Yumuşak exoskeletonların ticarileştirilmesi hızla hızlandı. Symbotex ve Myoİsviçre gibi şirketler, üç kilogramdan daha azını ağırlayan ve 2030'da aşırı derecede fazla büyümeye çalışan küresel yumuşak iskelet pazarı için pratik hale getirdiler.
Powered Exourales: Hareketlilik ve Endüstriyel Kuvvet
Exoskeletonlar, gerçek dünya aletlerine hızla geçiş yaptı. ReWalk ve EksoNR gibi iskeletler, daha düşük kan dolaşımı, kemik yoğunluğu ve hipotaplama fonksiyonu dahil olmak üzere bireyleri daha düşük seviyeli bir şekilde sağlarlar.Bu cihazlar, düzenli olarak bağırsaklaşmış kalça ve diz eklemleri azaltabilir ve normal bir şekilde yaralanabilir ve genel yaşam kalitesini arttırırlar.
Endüstriyel sektörde, pasif ve aktif exoskeletonlar, musculo iskeletsel sular azaltır. SuitX'in omuz exoskeleton, gaz baharlarını yük dengelemek için kullanıyor ve giyilebilir robot VEX, doğal hareketsiz insan gücünü artırmak için% 50 yardım sağlıyor.
Neural Interfaces ve Beyin-Bilgisayar Interfaces
Beyin ve dış cihazlar arasındaki doğrudan iletişim insan gelişiminin sınırıdır. BeyinGate konsorsiyumun mikroelektrode serisi, motor kortekste implante edilmiş, yüksek bant genişliği iletişimini sağlamak için tetraplegia ile insanları etkinleştirmiştir.Bu arada, Nature[D)'de sekiz kelimeye yaklaşmış ve hatta dört derecelik bir omurdaklıklı bir köprüyü tamamen implante eden Neuralink tamamen implante edilebilir, esnek elektrot threadleri ile birlikte, yüksek bant genişliği iletişim kurmak için dört adet tematik bir şekilde yeniden tasarlamıştır.
Hareket restorasyonu ötesinde, sinir arabirimleri sensörlü bir augmentasyon keşfeder. Cochlear implantlar zaten saç hücrelerinin fonksiyonunu değiştirir; retina implantları optik sinir uyarılarını teşvik ederek yeniden yapılandırmaya çalışır.Yeni konseptler tamamen implante edilen sistemler için intraort mikromülasyon kullanır, ve tamamen implante edilen bir kanal genişliğine sahip olan bir beyinsel dalga izi içeren, açık bir beyinli ağ geçidine sahip olan bir beyinli ağ geçidine sahip olan bir beyinsel ağ geçidine sahiptir.
Uygulamaları Canlılar ve Endüstrileri Dönüştürmek
Tıbbi Rehabilitasyon ve Restorasyon
Biyomechatronics'in en derin etkisi rehabiliteatif tıpta olmuştur.Omurdak yaralanmalı bireyler için, günlük yaşamdaki işlevsel elektrik uyarıları (FES) ile kombine edilebilir eksternal elektrik uyarıları (FES) reanimate paralyzed uzuvlar, eğitim sinir devreleri ve kardiyovasküler sağlığı geliştirir[Döneticileri yumuşak robotik eldivenler)[Döneticileri kullanarak, yüksek çözünürlükte bir çiftliğe ihtiyaç duyanlar için) bir çiftliğe ihtiyaç duyduklarını fark ederler.
Pediatrik uygulamalar da genişliyor. felci olan çocuklar, çocuk cihazları için robot iskeletlerini kullanıyor ve yürüyüş sırasında enerji maliyetlerini azaltıyor. Özel bakımlı donanım veya modüler tasarım bu sistemleri daha erişilebilir hale getiriyor.
İşleyici Güvenliği ve Verimlilik
İş iskeletleri lojistik, inşaat ve üretim yeniden şekillendirmeye devam ediyor. Pasif geri destek exosuits tekrarlayan kaldırma sırasında% 40'a kadar yükleniyor, yaralanma oranları. Üst-limbagonunlar destek, yüksek çözünürlükte omuz yorgunluğunu önlemek için.| Toyota'nın T-HR3 insanoid robotu daha düşük riskli bir şekilde hapsedilmiş durumda, tehlikeli malzemelerin uzaktan kullanımını engeller.
Yararlanmanın ötesine geçen faydalar, erken kabul edilenler, Avrupa ve Kuzey Amerika'daki yaşlanma işgücüne ihtiyaç duyan görevlerde% 15-30 oranında verimlilik iyileştirmelerini rapor ediyor.
Spor ve İnsan Performansı Artırılmış
Biyomechatronic ilkeleri elit atletler ve rekreasyonal fitnesse giriyor. Performans-enhancing exoskeletonleri gibi "clutch" koşu ayakkabısını karbon-fiber plakaları doğal enerji geri dönüşleri ile optimize ediyor, elvezlik reaksiyonları mekanik doping ile ilgili tartışmalar geliştirirken, gerçek zamanlı biyo-zamanlı sistemlerde gelişmiştir.
Adaptif sporda, biyomechatronics dönüştürücü olmuştur. Paralympic sporcular karbon fiber koşu prosthesleri kullanarak hızlanan rakipleri yaklaşımla, arazi sensörlerine dayalı olarak devam eden tartışmalar devam ediyor: Teknoloji sınırları zorlamaya devam ediyor: Bisiklet çerçevesiyle entegre eden prosthesthesesler, yüzmek için kontrol edilen hızlar ve arazi sensörlerine dayalı güç ayarlamaya dayalı tüm geliştirme konusunda devam eden sistemler.
Askeri ve Taktikleri Geliştirme
Savunma ajansları, askerin yüklerini aydınlatmak için biyomechatronics'e uzun yatırım yaptı. ABD Ordusu'nun Taktik Saldırı Işık Operatörü (TALOS) projesi, sonuçta o kadar çok yönlü güç sistemleriyle, ONYX exouralon'u Lockheed Martin'in yüklerini kaldıran ve dizlerdeki sabit toplanıcı bir tonlama işlemine izin vermeden hafifletici bir yardımseverlik yönetimi ve yaralanma önleme alanları da yoğunlaşıyor.
Operasyonel avantajlar önemlidir: 40-60 kilogram dişli taşıyan askerler, hafif yakıt hücreleri ve hareketten enerji harcamalarını% 10-15 azaltılabilir, daha uzun devriyelere çevirip ısı stresi azaltmaktadır. Ancak, alan dağıtım güç gereksinimleri, dayanıklılık ve sessiz operasyon için zor kalır. Battery teknolojisi, hafif yakıt hücreleri ve enerji hasatında ilerlemeler ilerlemektedir.
Acil Yanıt ve Afet Yardımı
Gelişen bir uygulama alanı acil yanıt olarak. Aşırı endüstriyel bilim ve teknoloji giyen itfaiyeciler özellikle nükleer felaket yanıt için ağır bir şekilde sigara içme alanı taşıyabilirler. Arama-ve-rescue personeli, eski arazileri kullanarak fiziksel performansı koruyabilirler.[Dönemli tasarımlar, hızlı donatma ve doğranmış bir exoskeletonlar, özellikle de nükleer felaket yanıt için gelişmiştir.)
Etik, Sosyal ve Pratik Zorluklar
Accessability and Cost
Yüksek uç biyomechatronic cihazlar genellikle on binlerce dolara mal oluyor, kapsamlı sigortalarla veya araçlarla sınırlı erişimin kısıtlanması anlamına geliyor. Biyonik prosthes with sensöry feedback stay bu tür ürünleri talep ediyor.Scaling production and streamlining düzenleyici onayının uygulanması için gerekli olan bazı girişimler [FLT 1) Yasal Biyonik ekosistem ve 3D-printed prosthetic tasarımları, ancak sofistike kontrol sistemleri ve cerrahi implantlar hala önemli bir yatırım talep ediyor.
Biyolojik risklere erişimde ekonomik eşitsizlik, kaynakları olanların performans geliştirmesinden faydalandığı iki katmanlı bir sistem yaratırken, diğerlerinden geride bırakılırken, bu dağıtım kaygısı özellikle sınırlı kamu fonlarıyla sağlık sistemlerinde akutdur. Bazı araştırmacılar "prosthetic commons" framework, temel biyomechatronic yardımcı cihazlar kamu sağlığının hak ettiği gibi tedavi edilirler.
Kullanıcı Kabul ve Övgü
Tüm kullanıcılar gelişmiş bionik yedekleri kolayca kabul etmiyorlar. Son kullanıcılarla tasarım, estetik özelleştirme dahil olmak ve güvenilir işlevi sağlamak psikolojik embodiment teşvik etmek için kritiktir. Uzun vadeli eğitim ve destek, beyinin vücut haritasını yeniden yazmak için gereklidir.Döneticileri için bazı exo iskeletler için yüksek kalır ve yanıt profillerin bilişsel yükü daha da kırılgan ortamlarda hale gelir.
Emutes'te "fantom acısı" olgusu, beynin eksik uzuvları tekrar tekrar tekrarlamasına yardımcı olan phantom ağrısını azaltabilecektir.Bu tedavi potansiyeli tasarım sürecinde mühendisler ve klinikler arasında daha yakın işbirliği yapmaktadır.
Gizlilik ve Data Security
Özel biyolojik sinyalleri yakalayan sensörler ile -beyin aktivitesi, kas modelleri, yer - eksik endişeler ortaya çıkabilir. Bir hacklenmiş sinir arayüzü, kullanıcının zuhur edici modellerini veya sızdırılmış düşünce modellerini manipüle edebilir. Endüstrinin sağlam şifrelemeye, kullanıcı onayı çerçevelerine ve net verilere sahip olması gerekir, ancak bu cihazlar daha bağlantılı ve yazılım-reli hale gelir, siber güvenlik koşulları mekanik güvenlik olarak kritik olacaktır.
Veri portability, kullanıcıların 2017 yılı için gerekli olan bir sinirsel arayüzü almaya izin veren başka bir konu. Advocacy grupları, kullanıcıların daha fazla ameliyat gerektirmeden cihaz markalarını değiştirmelerine izin verecek şekilde görevlendirilmiş geçici standartlar arıyor.Avrupa Tıbbi Cihaz Yönetmeliği, diğer yargıcılar için bir önceki düzenlemeyi içeriyor.
İnsan Kimlik ve Adillik
Birleştirme, terapinin geliştirilmesine geçeceği gibi, toplum spor, istihdam ve eğitimde adilliğe karşı sorularla yüzleşecektir. hafızayı artıran bilişsel bir çip, yeni eşitsizlikler yaratabilir.Uluslararası Paralimpik Komite zaten "teknolojik olarak etkinleştirilen avantaj" ile ilgili olarak daha fazla fayda sağlayacaktır.
Din ve kültürel perspektifler de önemlidir. Bazı topluluklar, insan bedenlerini makinelerle birleştirmek için manevi etkiler hakkında endişelerini dile getirdiler, bunu doğal bütünlüğün ihlali olarak görmektedirler. Diğerleri biyomechatronics'i şifa için ilahi bir araç olarak karşılarlar. Bu farklı bakış açıları politika tartışmalarında saygı duymalıdır ve cihaz geliştiricileri farklı geleneklere göre kabul edilmeleri için kültürel liderlerle ilgilenmelidir.
Future: Biomechatronics'in Sonraki Yılı
Full Autonomy ve sorunsuz entegrasyon
Araştırmacılar biyomechatronic cihazların tamamen özerk olduğu bir gelecek hayal ediyor, enerji-sivücut ısı veya hareketten daha yüksek sadakat sağlayarak ve kullanıcının sinir sistemi ile şeffaf bir şekilde kontrol ediliyor. Implantable bioyakıt hücreler dış bataryaları ortadan kaldırabiliyor. Optogenetik arayüzler bir gün ışıkla motorlar aktif hale getirebilir, elektrik uyarıları daha yüksek sadakat sağlar.
"biyolojik insan" kavramı, açık cerrahi olmadan beyin ve kayıt sinirsel aktiviteye girişilmiş küçük bir cihaz, zihinsel olarak daha büyük bir hasta popülasyonuna erişilebilir hale getirebilir.
Rejeneratif ve Hybrid Solutions
Biyonikler ve rejeneratif tıp arasındaki çizgi bulanıklaşmaktadır. Kök hücre terapisi ile ilgili biyomekanik faktörler, sinirsel onarımı doğrudan sensör elektrotlara yönlendirebilir, stabil biyolojik-uzay bağlantılarını yapılandırır. "E-Dermis" elektronik cilt malzemeleri, sinir arabirimleri içeren biyomalzemeler daha da doğal hissedecektir.
Robotik eylemcilerle yaşayan kas dokusunu entegre eden Hibrit sistemler de geliştiriliyor. Skeletal kas myoblasts affolds ve elektriksel olarak teşvik edilen ve kuvvet üretebilir, potansiyel olarak tıbbi implantlar için minyatür biyo-actuators üretir. hala bu yaklaşımları bir gelecekte biyomechatronic cihazların bir parçası olduğu bir ipucu, sentetik mühendislik.
Sensör ve Bilişsel Ufuklar Genişleme
Eklenmenin ötesinde, biyomechatronics kasıtlı olarak yeni duyular ekleyebilir. Araştırmacılar beyine tactile vest aracılığıyla beyin uyarılarını başarıyla besleyebilirler, kör katılımcıların gezinmelerini sağlarlar. Kortical görsel bölgelere yayılan yanlış algılar da ortaya çıkabilirler.
"sensory ek" kavramı özellikle ilginçtir. Duke Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, sensörli akışların zihinsel olarak hareket etmesini ve biyomechatronic'in yeni bir algılanmanın biyolojik bir göstergesidir.
Collaborative ve Networked Systems
Bağlantılı biyomechatronic cihazlar yakında tıbbi ekipler ve akıllı ortamlar ile verileri paylaşacaktır.Bir exoskeleton, bir akıllı telefondan veya akıllı bir ev bir kullanıcı sinir yorgunluğu ve dim ışıkları tanıyabilir. Cloud-IBM AI AI Lab'nın işi, konuşma tanımanın nasıl iyileştirileceğinin yanı sıra sürekli olarak kontrol algoritmaları geliştirir.
Her biyomechatronic kullanıcısı için "dijital ikiz" vizyonu, şu anda kullanıcının anatomisinin kişiselleştirilmiş bir hesaplama modeli haline gelir ve cihaz özellikleri, kliniklerin gerçek dünyada uygulamadan önce cihaz ayarlamalarını simülasyona olanak sağlar.Bu tür simülasyonlar, şu anda prosthetic ve exoskeleton ayarını karakterize eden deneme-ve-terör uyum sürecini dramatik bir şekilde azaltabilir.Bu dijital ikizlerden toplanan veriler araştırmayı hızlandırabilir ve yardımcı teknolojilerle nasıl etkileşime girebileceklerini daha önce görülmemiş bir şekilde inceleyebilir.
Biyomechatronics hızla insan yeteneğinin sınırlarını yeniden finanse ediyor. Bir insanın, bir fabrika zemininde kariyere giden yaralanmalara engel olması, daha somut faydalar sunmak ve tüm fiziksel yeteneğin spektrumunda bireyleri dengelemesi önemli olacak:0) Önümüzdeki on yıl boyunca, bu araçların biyoloji ve makinelerin yakınlaştırılması, insanlığın yerinin değiştirilmesi, insan potansiyelinin ortaya çıkmasını sağlamak için bu araçların ne anlama geldiğini belirlemek, insan potansiyelini artırmak, daha fazla seçeneğe sahip olmak anlamına gelir.