بیومکاترونیک چیست؟

در یک مجموعه ی تلویزیونی ،خلبانی را که دو پا ، یک دست ، و یک چشم خود را از دست داده بودرا تریم کردند ؛ آنها که به این تکنولوژی دسترسی پیدا کرده بودند،این فرد را بازسازی و به او قدرت های ابر انسانی دادند.اگرچه این یک مجموعه ی علمی تخیلی بود ولی رباتیک امروزی هر لحظه به این دید و ایده به کمک رشته ی بیومکاترونیک نزدیک می شود.

بیو مکاترونیک

بیو مکاترنیک پیوند انسان با ماشین است.یکحالت میان رشته ای دارد که دربردارنده زیست شناسی ،عصب شناسی، مکانیک ،الکترونیک و رباتیک استدانشندان بومکاترونیک در این صدد هستند که وسایلی را طراحی کنند و بسازند که با عضلات ، اسکلت و دستگاه عصبی انسان متقابلا عمل کند.هدف آنها یاری کردن و بالا بردن کنترل انسان بر حرکت خود است؛بنابراین، افرادی که کنترشان بر حرکت مختل شده باشد ویا به صورت مادرزادی یا بیماری یا آسیب از دست داده باشند، شامل هدف های دانشمندان هستند.
کارهایی که در هنگام بلند کردن پا از روی زمین اتفاق می افتد را در نظر بگیرید:
– مرکز حرکتی غز پیام هایی به ضلات پا می فرستد .عضلات مشخصی با ترتیب مشخصی منقبض می شوند تا پا از روی زمین برداشته شود .
-سلول های عصبی کف پا سطح زمین را حس کیکند و به مغز اطلاعاتی در بارهی نیرویی که باید به کار برده شود ویا تعداد عضلات مناسب برای راه رفتن روی این سطح را باز خور می کند.(به عنوان مثال نیرو و عضلاتی که شما که شما هنگام راه رفتن روی سطوح چوبی استفاده می کنید با نیرو وعضلاتی که در هنگاراه رفتن روی سطوح یخی یگلی استفاده می کنید فرق می کند)
-سلول های عصبی درون گره های عضلانی پا مکان پا را نسبت به زمین حس می کنند و به مغز اطلاعاتی را باز خورد می کنند.(همین باعث می شود که هنگام راه رفتن به زمین نگاه نکنیم)
-وقتی پا از روی زمین بلند میشود مغز پیام های مشخص را می فرستد تا پا دوباره روی زمین گذاشته شود.
این سیسیتم دارای حسگر(سنسور)(سلول های عصبی پا و گره های عضلانی)،محرک ها(عضلات)و تنظیم کننده ها (مغز و نخاع) است.
هر سیست بیو مکاترونیکی نیز دارای این اعضا است:

بیوستسور یا بیو حسگر ها:

بیو حسگر ها “خواسته و قصد های” کاربر یا می یابند.بسته به نوع اختلال و نوع وسیله این اطلاعات می تواند از سیستن های عصبی ویا سیستم های عضلانی فرستاده شود.این اطلاعات به تنظیم کننده (که ممک است در خارج یا درون بدن باشد) منتقل می کند . همچنین یو سنسور ها اطلاعات را در جهت عکس یعتی از محرک های بیوکاترونیکی به سستم عضلانی یا عصبیکاربر منتقل می کنند. بیو حسگر ها مکن سیم هایی باشند که فعالیت های الکتریکی را(مانند آشکارسازهای گالوانیک) از روی پوست ، الکترود هایی که درون عضله فرو رفته اند ویا الکترود های نیمه رسانای منظم که عصب ها ار درون آنها رشد کرده اند،می یابند.

حسگر های مکانیکی:

حسگر های مکانیکی اطلاعاتی مربوط به وسیله ( به عنوان مثال مکان عضو ، نیروی وارد شده و وزن بار) را اندازه گیری می کند.این اطلاعات به بیوسنسور ها ویا تنظیم کنندهها انتقال داده می شود. این حسگر ها وسایل مکانیکی مانند نیروسنج و شتاب سنج را شامل می شوند.

تنظیم کننده ها:

سیستم عصبی یا عضلانی کاربر و دستگاه را به هم متصل می کند .دستور و قصد کارر را یا برای دستگاه ترجه می کند یا آن را مستقیماً می فرستد .همچنبین اطلاعات را از بیوسنسور ها و سنسورهای مکانیکی گرفته و به کاربر منتقل ویا برای او ترجمه می کند.تنظیم کننده برحرکات دستگاه بیومکاترونیکی نظارت دارد.
محرک:
محرک یک عضله ی مصنوعی تولید کننده ی نیرو یا حزکت است.محرک میتواند موتوری باشد که که عضله ی موضعی کاربر را جایگزین یا کمک می کند.(بسته به این ه پروستتیک یا ارتوتیک باشد)
ارتوتیک در مقابل پروستتیک
وسایل ارتوتیک به انسان بدون جایگزین کردن عضو مختل شده کمک می کنند. ولی وسایل پروستتیک جایگزینی برای عضو مختل شده هستند.
چرا بهتر است از وسایل بیو مکاترونیکی به جای وسایل پروستتیک و ارتوتیکی استفاده بشود؟
اگر چه بسیاری از وسایل ارتوتیک و پروستتیک دارای اجزاء میکروالکترونیکی و رباتیک استفاده می کنند ولی نمی توانند دقیقاً با حرکات پیچیده ی اعضا انسان برابری کند .وسایل ارتوتیک به مردم باز خورد نمیدهند و یا با تجه به محیط های مختلف ویا بارهای مختلف تغییر نمی کنند .آنها به طور لحظه به لحظه برای شخص کاربر تنظی نمی شوند ولی وسایل بیومکاترونیکی تضمیتن می کنند که که این محدودیت ها را با ارتباط ستقیم با دستگاه عصیس و عضانی کاربر از بی ببرند تا کنترل او بر حرکت تنظیم و ترمیم کنند.

تحقیقات بیو کاترونیکی

تعدادی مرکز تحقیقات در دنیا تحقیقات بیو مکاترونیکی را هدایت می کنند ،از جمله MIT ،دانشگاه Twente در هلند ، دانشگاه کالیفرنیا در برکلی . تحققیقات کنونی در ۳ زمینه ی اصلی ترکز شده اند :
-تحلیل حرکات انسان ،که پیچیده است،برای کمک به طراحی دستگاه های بیومکاترونیکی
-مطالعه در زمینه ی این که وسایل الکترونیکی چه طور می توانند برای سیستم عصبی واسط بشوند .(الکترود های قابل کاشت در در مغز وعضله،الکترود های گالوانیک سطحی روی پوست)
-آزمایش راه های که بافت عضلات زنده برای وسایل الکترونیکی محرک باشد .

تحلیل حرکات انسان

حرکات انسان پیچیده است ؛می خواهد برای برداشتن یک لیوان باشد و یا راه رفتن روی زمین نا هموار.ما باید بدانیم که اسان چه طور حرکت می کند تا بتوانیم وسایلی بیمکاترونیکی بسازیم که حرکت انسان را تقلید کرده و اورا کمک کنند.
دکتر پیتر ولتینک و همکاران وی در دانشگاه Twente چگونگی حرکت و راه رفتن انسان را تحلیل می کنند؛ این کار را بااندازه گیری چگونگی حرکت انسان به وسیله ی سیستم های عکسبراری ،نیرو های عکس العمل سطحی با استفاده از نیروسنج و فعالیتهای عضلانی با استفاده از الکترومیوگرام . تحلیل حرکت بیماران عادی و دارای اختلال به ما کمک می کند تا حرکات راه رفتن معمولی را بفهمیم و مشکلات حرکتی و شیوه راه رفتن بیماران دارای اختلال را بفهمیم.. گروه دکتر ولتیک به این ترتیب کنترل بر تعادل را هنگام راه رفتن و ایستادن نیز حساب می کند.
گروه بیو مکاترونیک دکتر هیو هر در دانشگاه ام .آی.تی از مدل های کامپیوتری و تحلیل های دوربینی حرکت برای مطالعه تعادل انقباض پا در هنگام دویدن و تکانه ی زاویه ای در هنگام راه رفتن استفاده می کنند.

واسط کردن وسایل الکترونیکی با انسان

جنبه ی مهمی که وسایل بیومکاترونیکی را از وسایل ارتوتیک و پروستتیک متداول جدا می کند توانایی این وسایل برای برقراری ارتباط با سیستم عصبی و عضلانی کاربر است ؛برای این منظور که اطلاعات را به وسیله بفرستذ ویا آنها را دریافت کند.
گروه پیتر ولتنیک در در هلند از الکترود های قابل کاشت برای تحریک عضلات سلق پا استفاده می کنند .آنها برای عضلات درسی فلکسور(که در بالا آوردن پا هنگام راه رفتن نقش دارند) روشهای حس و کنترل را دارند ایجاد می کنند . این روشها به افراد فلج و سکته کرده که قادر نیستند پای خود را حرکت بدهند کمک می کند.
دو فرد از افراد گروه ولتیک از الکترود هایی که در سطح پوست قرار دارد ،استفاده می کنند تا فعالیتهای الکتریکی عضلات را ثبت کنند (الکترومیوگرافی) ؛ این روش در مقابل روش کنونی است که الکترود ها را داخل عضله فرو می برند و دارای درد و ناراحتی کمتری می باشد. این روش می تواند شروع کننده ی ارتباط دو طرفه نیز باشد.
گروه ولتیک همچنین از الکترو میگرام های یطحی برای بازخورد و کنترل پروتوز های قسمت های پایینی پا استفاده می کنند .در پروتز ،زاویه ی زانو اندازه گیری می شود و اطلاعات بوسیله ی الکترو میوگرافی به عضلات ریشه ای پای قطع شده منتقل می شود.آنگاه پوشنده ی پروتز فعالیت ها را حس می کند و می تواند آموزش داده شود تا آنها را تفسیر کند. سرانجام ،فعالیت های الکتریکی عضلات ریشه ای می تواند استفاده شود تا پروتز را کنترل کند.
گروه هیو هر در ام.آی.تی یک الکترود مدار مجتمع غربالی (!) ایجاد دارند می کنند. در این وسیله ریشه ی دو سلول عصبی به وسیله ی یک کانال هدایت گر (لوله ای است که انتهای دو سلول را به هم نزدیک می کند.)در داخل کانال یک غربال وجود دارد که هر سوراخ آن به الکترودی متصل به مدار مجتمع ،وصل است.در در عین حالی که ذو سلول عصبی می خواهند به هم وصل شوند،با الکترود ها تماس پیدا می کنند در این صورت است که یک واسط الکترونیکی پدید می آید.

وسایل پروستتیک و ارتوتیک پیشرفته

آزمایشگاه هیو هر همچنین در حال ساختن وسایل پروستتیکی است که حرکات انسان را می توانند بهتر تقلید کنند:
-یک پروتز زانو درست کرده اند که نیرو، گشتاور و مکان زانو را احساس کرده و تاب و حرکت زانو را برای کاربر تنظیم می کند.در داخل زانو یک مایع magnetorheologic وجود دارد ،این مایع حاوی ذرات بسیار ریز آهن است.) قطرآنها در حدود ۰٫۱-۱۰میکرون است.). با اعمال میدان الکترومغناطیسی به آن ،کرانروی مایع به دلیل قرار گرفتن زنجیر مانند ذرات آهن تغییر می کند. چون مقدار گرانروی مایع با میدان الکترومغناطیسی مشخصی می تواند تغییر کند،این باعث می شود که لحظه به لحظه بتوان مقاومت زانو را تنظیم و کنترل کرد؛این باعث می شود که کاربر بتواند به صورت تقریاً عادی راه رود.
-برای درمان افتادگی گام در هنگام راه رفتن، وسیله ای ارتوتیک طراحی شده است که سفتی مچ پا را به صورت لحظه به لحظهدر حالی که کاربر به جلو حرکت میکند، تغییر و کنترل می کند.این دستگاه شیوه ی راه رفتن طبیعی تری را نسبت به دستگاه های ارتوتیک موجود ارائه می دهد .

من،ترکیبی از ماشین و اتسان

دکتر کوین وارنیک از دانشگاه ردینگ انگلستان واسط کردن انسان با کاگپیوتر را روی خود آزمیش کرده است. وی طی یک عمل جراحی ۱۰۰ الکترود سیلیسومی در عصب مدیال زیر مچ دست چپ خود، کاشته است . سیم هایی که از الکترود های کاشته شده بودند را از آرنج خود خارج کرده و به تقویت کننده و وسایل الکترونیکی دیگر وصل کرده تا بتواند پالس های عصبی را به سیگنال های ذیجیتالی الکترونیکی تبدیل کند.با این کاشت ،وی یک دست رباتیک دیگری را به صورت “کنترل از راه دور ” با حرکات دست خود به حرکت درمی آورد.آزمایشات وی ۳ ماه طول کشید و نتایج را در کتابی با عنوان”من ،ترکیبی از ماشین و ربات” بیان کرده است.

استفاده های امروزه و آینده از علم بیومکاترونیک

اکثر محرک ها که که در وسایل ارتوتیک و پروستتیک استفاده می شود یا موتور های الکتریکی هستند یا سیم هایی هستند که که با عبور جریان کوچک میشود .اگرچه این روش ها نیروی انقباضایجاد می کنند ولی اصلا نمی توانند انعطافپذیری دینامیکی بافت های را تقلید کنند.ولی چی می شد که میتوانستیم محرک های با عضلات واقعی بسازند؟ در آزمایشگاه هیو هر در ام.آی.تی ، یک ماهی ربات ساخته اند که نیروی حرکت آن بافت عضله ی پای یک قوربغه است.این ماهی ربات دارای اجزاء زیر است:
– یک شناور استایروفومی که به ماهی اجازه شناور ماندن می دهد
-سیم های الکتریکی اتصالات را بر قرار می کنند
-یک دم سیلیسسیومی که نیزوی شنا را مهیا می کنند.
-باتری های لیتیومی که انرژی برقرار می کنند.
-یک یک میکروتنظیم کننده که حرکات ربات را تنظیم می کنند
-یک حسگر فروسرخ که به میکروتنظیم کننده اجازه ی برقراری ارتباط با یک دستگاه دستی را مهیا می کند. (کنترل کننده از راه دور)
-یک تحریک کننده ی الکتریکی که عضلات را تحریک می کنند.
عضلات قورباغه به ذو طرف دم و ستون فقرات پلاستیکی ربات متصل شده و الکترود های تحریک کننده به آنها وصل شده بود.این عضلات در دو طرف به صورت متناوب تحریک می شدند تا بتواند شنا کند.این ماهی رباتی در یک محلول نمک گذاشته شده بود که طور ی بود تا بتواند عضلات را زنده نگهدارد .از ۴۲ ساعت، ۴ ساعت را ماهی توانست شنا کند.و سرعت آن ۷۵ درصد از بیشینه ی خود بود.ربات توانست به جلو و عقب حرکت کند ،بپیچد و بایستد.این یک نمونه اولیه از یک وسیله ی بیومکترونیکی با محرک زنده بود.

اگر چه فناوری های زره جنگی می تواند در جنگ بعضی از صدمات را کاهش دهد ولی سرباز هایی که در اثر بعضی از انفجار ها ،دست و پای خود را از دست می دهند نیاز به ترمیم دارند .این باعث شده است که فعالیت های تحقیق برای ساختن وسایل پیشرفته ارتوتیک/پروستتیک افزایش پیدا کند.
اخیراً یک تکاور دریایی و مقطوع العضو به نام کلادیا میشل یک دست پزپروستتیک را امتحان کرده که توسط دکتر تود کایکن از سازمان توانبخشی شیکاگو طراحی شده است.یک جراح پلاستیک ، عصب هایی که دست او را مپکنترل می کردند را به سمت قسه سینه هدایت کرده بود.اکترود های بسیار ریزی فعالیت های الکتریکی این عصب را حس کرده و سیگنال هایی به موتور کنترل کننده ی دست مصنوعی منتقل می کرد. به این ترتیب وی می توانست با فکر کردن در بارهی چگو نگی حرکت دست خود ،دست مصنوعی را حرکت بدهد و این دست پروستتیک یک وسیله ی بیومکاترونیکی نیست زیرا پیام های آن یک طره از کاربر به دستگاه است . دکتر کایکن در این صدد است تا یک پله کار را پیش ببرد و این امکان را بدهد که دستگاه اطلاعات بعضی از حس ها از قبیل درد و فشار را به وی باز خورد کند.

تا حالا درباره ی کاربرد بیومکاترونیک برای افرادی که دارای اختلال حرکتی هستند صحبت کرده ایم . آنیا نمی توانیم این فتاوری را برای افرتد سالم نیز استفاده کنیم؟به این منظور،کاوشگران دانشگاه برکلی کالیفرنیا یک ماشین برای انسانهای طبیعی طراحی کرده اند که تونایی راه رفتن را بالا می برد .نام این دستگاه BLEEX ، مخفف Berkeley Lower Extremity Exoskeleton است.این دستگاه از آتل پای فلزی که بوسیله ی موتوری راه اندازی می شود برای آسان نمودن حرکت استفاده می کند.حسگر ها و محرک ها ی دستگاه اطلاعاتی در مورد تنظیم حرکات و بار موجود در حین راه رفتن به دستگاه باز خورد می کنند.تنظیم کننده و موتور دستگاه به صورت یک کوله پشتی وصل می شوند . این دستگاه خود ۴۵ کیلو وزن دارد و به کاربر این قابلیت را می دهد که ۳۰ کیلو بار را حمل کند؛ در صورتی که تنها وزن ۲٫۵ کیلو را احساس می کند.

پس به طور کلی بیومکاترونیک می توتند در زمینه های مختلف مفید باشد:

-میتوانند آلاتپ یشرفته ای را برای افراد دارای اختلال که شبیه کارکرد های بدن است فراهم کند.
-می تواند برای آماده سازی افراد دارای اختلالات کنترل بر حرکت هستند استفاده شود.(فیزیوتراپی)
-می تواند بدون نیاز به شخص دیگری برای هر فرد تنظیم شود
-می توانند توانایی افراد طبیعی را بالا ببرند.
یکی از اشکالات اساسی بیو مکاترونیک احتمال ایجاد عفونت ( به دلیل کاشتن وسلیل غیر زیستی در بدن)،درد و ناراحتی است.ولی وعده های این فتاوری این امید را می دهد که عملکرد افراد دارای اختلال را بازگرداند وآنها را بهتر ،قویتر یا سریع تر از قبل نماید.

ادامه مطلب