Die Biomechatronik ist eine angewandte , interdisziplinäre Wissenschaft, die Biologie und Mechatronik ( Elektrotechnik , Elektronik und Maschinenbau ) integriert . Sie umfasst auch die Bereiche Robotik und Neurowissenschaften . Biomechatronische Geräte finden in einem breiten Anwendungsspektrum Verwendung, von der Entwicklung von Prothesen bis hin zu technischen Lösungen für Atmung, Sehvermögen und das Herz-Kreislauf-System. [ 1 ]

So funktioniert es

Die Biomechatronik ahmt die Funktionsweise des menschlichen Körpers nach. Beispielsweise sind vier verschiedene Schritte nötig, um den Fuß zum Gehen anzuheben. Zunächst werden Impulse vom motorischen Zentrum des Gehirns an die Fuß- und Beinmuskulatur gesendet . Anschließend übermitteln die Nervenzellen in den Füßen Informationen an das Gehirn, wodurch dieses die Muskelgruppen oder die zum Gehen benötigte Kraft anpassen kann . Je nach Untergrund wird unterschiedlich viel Energie eingesetzt. Die Muskelspindeln der Beine erfassen die Bodenbeschaffenheit und senden diese Information zurück an das Gehirn . Schließlich, wenn der Fuß zum Auftreten angehoben wird, werden Signale an die Bein- und Fußmuskulatur gesendet, um ihn wieder aufzusetzen.

Biosensoren

Biosensoren erfassen die Absichten und Bewegungen des Nutzers. Bei manchen Geräten werden diese Informationen vom Nerven- oder Muskelsystem des Nutzers übermittelt . Der Biosensor leitet diese Informationen an einen Controller weiter , der sich innerhalb oder außerhalb des biomechatronischen Geräts befinden kann. Zusätzlich erfassen Biosensoren Informationen über die Position und die Kraft der Extremität sowie des Aktuators . Biosensoren gibt es in verschiedenen Ausführungen: Drähte zur Messung elektrischer Aktivität , in Muskeln implantierte Nadelelektroden und Elektrodenarrays, durch die Nerven hindurchwachsen.

Elektromechanische Sensoren

Die mechanischen Sensoren dienen dazu, Informationen über das biomechatronische Gerät zu erfassen und diese dem Biosensor oder Controller zuzuordnen. Darüber hinaus werden an Universitäten wie der Case Western Reserve University, der University of Pittsburgh und der Johns Hopkins University zahlreiche Sensoren eingesetzt, um physikalische Reize aufzuzeichnen und in neuronale Signale für ein Teilgebiet der Biomechatronik, die sogenannte Neuromechatronik, umzuwandeln.

Regler

Die Steuereinheit eines biomechatronischen Geräts übermittelt die Benutzerintentionen an die Aktuatoren. Sie interpretiert außerdem die von den Biosensoren und mechanischen Sensoren gelieferten Rückmeldungen für den Benutzer. Eine weitere Funktion der Steuereinheit besteht in der Steuerung der Bewegungen des biomechatronischen Geräts.

Aktor

Der Aktor kann ein künstlicher Muskel sein, aber auch jedes andere Systemteil, das in Abhängigkeit von der Steuereingabe eine äußere Wirkung erzeugt. Bei einem mechanischen Aktor besteht seine Aufgabe darin, Kraft und Bewegung zu erzeugen. Je nachdem, ob es sich um eine Orthese oder Prothese handelt , kann der Aktor ein Motor sein, der den ursprünglichen Muskel des Benutzers unterstützt oder ersetzt. Viele solcher Systeme verwenden tatsächlich mehrere Aktoren.

Forschung

Die Biomechatronik ist ein schnell wachsendes Forschungsfeld, doch derzeit gibt es nur wenige Labore, die in diesem Bereich forschen. Das Shirley Ryan AbilityLab (ehemals Rehabilitation Institute of Chicago ), die University of California, Berkeley , das MIT , die Stanford University und die Universität Twente in den Niederlanden zählen zu den führenden Forschungseinrichtungen auf diesem Gebiet. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf drei Hauptbereiche.

  1. Die Analyse komplexer menschlicher Bewegungen zur Unterstützung der Entwicklung biomechatronischer Geräte
  2. Erforschung der Schnittstellen zwischen elektronischen Geräten und dem Nervensystem.
  3. Erprobung von Methoden zur Verwendung von lebendem Muskelgewebe als Aktuatoren für elektronische Geräte

Bewegungsanalyse

Da menschliche Bewegungen sehr komplex sind, ist eine umfassende Analyse dieser Bewegungen notwendig. Das MIT und die Universität Twente arbeiten beide an deren Analyse. Sie nutzen dafür eine Kombination aus Computermodellen , Kamerasystemen und Elektromyogrammen .

Neuronale Schnittstellen

Schnittstellen ermöglichen es biomechatronischen Geräten, sich mit den Muskelsystemen und Nerven des Nutzers zu verbinden, um Informationen zu senden und zu empfangen. Diese Technologie ist bei herkömmlichen Orthesen und Prothesen nicht verfügbar . Forschungsgruppen der Universitäten Twente und Malaya erzielen auf diesem Gebiet bedeutende Fortschritte. Wissenschaftler haben dort ein Gerät entwickelt, das Patienten mit Lähmungen und nach einem Schlaganfall helfen soll, die ihren Fuß beim Gehen nicht kontrollieren können. Die Forscher stehen kurz vor einem Durchbruch, der es Menschen mit einer Beinamputation ermöglichen würde, ihre Beinprothese über die Muskulatur des Stumpfes zu steuern .

Forscher am MIT haben das MYO-AMI-System [ 2 ] entwickelt , das propriozeptives Feedback (Positionserfassung) in der unteren Extremität (Beine, Unterschenkel) ermöglicht. Andere konzentrieren sich auf Schnittstellen für die obere Extremität (Functional Neural Interface Lab, CWRU). Es gibt sowohl ZNS- als auch PNS-Ansätze, die weiter unterteilt werden in Techniken, die Gehirn, Rückenmark, Spinalganglion, Spinal-/Hirnnerven und Endeffektoren betreffen, sowie einige rein chirurgische Techniken ohne Gerätekomponente (siehe Gezielte Muskelreinnervation).

MIT-Forschung

Hugh Herr ist der führende Biomechatronik-Wissenschaftler am MIT . Herr und sein Forschungsteam entwickeln eine integrierte Siebelektrode sowie Prothesen, die menschliche Bewegungen immer besser nachahmen. Die beiden derzeit in Entwicklung befindlichen Prothesen steuern die Kniebewegung, die andere die Steifigkeit des Sprunggelenks .

Roboterfisch

Wie bereits erwähnt, entwickelten Herr und seine Kollegen einen Roboterfisch , der durch lebendes Muskelgewebe aus Froschschenkeln angetrieben wurde. Dieser Roboterfisch war ein Prototyp eines biomechatronischen Geräts mit einem lebenden Aktor. Dem Fisch wurden die folgenden Eigenschaften zugeschrieben. [ 3 ]

  • Ein Styropor-Schwimmer, damit die Fische schwimmen können
  • Elektrische Leitungen für Verbindungen
  • Ein Silikonschwanz, der beim Schwimmen Kraft ermöglicht
  • Stromversorgung durch Lithiumbatterien
  • Ein Mikrocontroller zur Steuerung der Bewegung
  • Ein Infrarotsensor ermöglicht dem Mikrocontroller die Kommunikation mit einem Handgerät.
  • Muskeln, die durch ein elektronisches Gerät stimuliert werden

Kunstforschung

Neue Medienkünstler an der UCSD nutzen Bio-Mechatronik in Performance-Kunstwerken, wie zum Beispiel Technesexual ( mehr Informationen , Fotos , Video ), eine Performance, die biometrische Sensoren verwendet, um die realen Körper der Performer mit ihren Second Life-Avataren zu verbinden, und Slapshock ( mehr Informationen , Fotos , Video ), in der medizinische TENS-Geräte eingesetzt werden, um die intersubjektive Symbiose in intimen Beziehungen zu erforschen.

Wachstum

Die Nachfrage nach biomechatronischen Geräten ist so hoch wie nie zuvor und steigt ungebremst weiter. Dank des rasanten technologischen Fortschritts der letzten Jahre konnten biomechatronische Forscher Prothesen entwickeln, die die Funktionalität menschlicher Gliedmaßen nachbilden. Zu diesen Geräten gehören die „i-Limb“ des Prothesenherstellers Touch Bionics, die erste voll funktionsfähige Handprothese mit beweglichen Gelenken [ 4 ] , sowie Herrs PowerFoot BiOM, die erste Beinprothese, die Muskel- und Sehnenprozesse im menschlichen Körper simulieren kann [ 5 ] . Die biomechatronische Forschung hat auch dazu beigetragen, das Verständnis menschlicher Funktionen zu erweitern. Forscher der Carnegie Mellon University und der North Carolina State University haben ein Exoskelett entwickelt, das den Energieverbrauch beim Gehen um etwa 7 Prozent senkt [ 6 ] .

Viele biomechatronische Forscher arbeiten eng mit militärischen Organisationen zusammen. Das US-Veteranenministerium und das Verteidigungsministerium stellen verschiedenen Laboren Mittel zur Verfügung, um Soldaten und Kriegsveteranen zu unterstützen. [ 3 ]

Trotz der Nachfrage haben biomechatronische Technologien im Gesundheitswesen aufgrund hoher Kosten und mangelnder Integration in die Versicherungspolicen Schwierigkeiten. Herr argumentiert, dass Medicare und Medicaid insbesondere für diese Technologien entscheidende Faktoren sind und dass sie erst nach einem Durchbruch für alle verfügbar sein werden. [ 7 ] Auch wenn biomechatronische Geräte verbessert wurden, bestehen weiterhin mechanische Einschränkungen, wie unzureichende Batterieleistung, mangelnde mechanische Zuverlässigkeit und Probleme mit der neuronalen Anbindung der Prothesen an den menschlichen Körper. [ 8 ]

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Brooker, Graham (2012). Einführung in die Biomechatronik . Universität Sydney, Australien. ISBN 978-1-891121-27-2Die
  2. ^ „Projektübersicht ‹ Agonist-Antagonist Myoneural Interface (AMI)“ . MIT Media Lab . Abgerufen am 25.05.2026 .
  3. ^ a b Craig Freudenrich. „Wie Biomechatronik funktioniert“ . HowStuffWorks . Abgerufen am 29. Juli 2016 .
  4. ^ „Touch Bionics“ . Abgerufen am 29. Juli 2016 .
  5. ^ Shaer, Matthew (November 2014). „Ist das die Zukunft von Roboterbeinen?“ . Smithsonian Magazine .
  6. ^ „Forscher verbessern die Effizienz des menschlichen Gehens“ (Pressemitteilung). NSF . Abgerufen am 29. Juli 2016 .
  7. ^ Johnson, Brian (22.04.2014). „Werden Medicare-Patienten von der Bionik-Revolution ausgeschlossen?“ . Boston Globe . Archiviert vom Original am 22.07.2016 . Abgerufen am 29. Juli 2016 .
  8. ^ Fanning, Paul (13. März 2014). „Wie biomechatronische Prothesen das Bild von Behinderung verändern“ . Eureka Magazine . Abgerufen am 29. Juli 2016 .