ไบโอเมคาทรอนิกส์

ไบโอเมคาทรอนิกส์เป็น วิทยาศาสตร์ สหวิทยาการ ประยุกต์ ที่มุ่งเน้นการบูรณาการชีววิทยาและเมคาทรอนิกส์ ( วิศวกรรมไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกล ) นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงสาขาวิทยาการหุ่นยนต์และประสาทวิทยาศาสตร์ อุปกรณ์ไบโอเมคาทรอนิ กส์ครอบคลุมการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การพัฒนาแขนขาเทียมไปจนถึง โซลูชัน ทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ การมองเห็น และระบบหัวใจและหลอดเลือด^{[ 1 ]}

ไบโอเมคาทรอนิกส์เลียนแบบการทำงานของร่างกายมนุษย์ ตัวอย่างเช่น การยกเท้าเพื่อเดินต้องผ่านขั้นตอนสี่ขั้นตอน ขั้นแรกแรงกระตุ้นจาก ศูนย์ควบคุมการเคลื่อนไหวใน สมองจะถูกส่งไปยังกล้ามเนื้อเท้าและขาต่อมาเซลล์ประสาทในเท้าจะส่งข้อมูลป้อนกลับไปยังสมอง ทำให้สมองสามารถปรับ กลุ่ม กล้ามเนื้อหรือปริมาณแรงที่จำเป็นในการเดินบนพื้นได้ ปริมาณพลังงานที่ใช้จะแตกต่างกันไปตามประเภทของพื้นผิวที่เดินเซลล์ประสาทรับความรู้สึกในกล้ามเนื้อ ขา จะรับรู้และส่งตำแหน่งของพื้นกลับไปยังสมองสุดท้าย เมื่อยกเท้าขึ้นเพื่อก้าวเดิน สัญญาณจะถูกส่งไปยังกล้ามเนื้อในขาและเท้าเพื่อวางเท้าลง

ไบโอเซนเซอร์ตรวจจับสิ่งที่ผู้ใช้ต้องการทำหรือเจตนาและการเคลื่อนไหวของพวกเขา ในอุปกรณ์บางชนิด ข้อมูลสามารถส่งต่อได้โดยระบบประสาท หรือ กล้ามเนื้อของผู้ใช้ ข้อมูลนี้จะถูกส่งต่อโดยไบโอเซนเซอร์ไปยังตัวควบคุมซึ่งอาจอยู่ภายในหรือภายนอกอุปกรณ์ไบโอแมคคาทรอนิกส์ นอกจากนี้ ไบโอเซนเซอร์ยังรับข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งและแรงของแขนขา จาก แขนขาและตัวกระตุ้นไบโอเซนเซอร์มีหลายรูปแบบ อาจเป็นสายไฟที่ตรวจจับกิจกรรมทางไฟฟ้าเข็มอิเล็กโทรดที่ฝังอยู่ในกล้ามเนื้อและอาร์เรย์อิเล็กโทรดที่มีเส้นประสาทงอกผ่าน

จุดประสงค์ของเซ็นเซอร์เชิงกลคือการวัดข้อมูลเกี่ยวกับอุปกรณ์ไบโอเมคาทรอนิกส์และเชื่อมโยงข้อมูลนั้นกับไบโอเซ็นเซอร์หรือตัวควบคุม นอกจากนี้ เซ็นเซอร์จำนวนมากยังถูกนำไปใช้ในโรงเรียนต่างๆ เช่น มหาวิทยาลัยเคสเวสเทิร์นรีเซิร์ฟ มหาวิทยาลัยพิตต์สเบิร์ก มหาวิทยาลัยจอห์นส์ฮอปกินส์ และอื่นๆ โดยมีเป้าหมายเพื่อบันทึกสิ่งเร้าทางกายภาพและแปลงเป็นสัญญาณประสาทสำหรับสาขาย่อยของไบโอเมคาทรอนิกส์ที่เรียกว่า นิวโรเมคาทรอนิกส์

ตัวควบคุมในอุปกรณ์ไบโอแมคคาทรอนิกส์ทำหน้าที่ส่งต่อความตั้งใจของผู้ใช้ไปยังตัวกระตุ้น นอกจากนี้ยังตีความข้อมูลป้อนกลับที่ได้รับจากไบโอเซนเซอร์และเซนเซอร์เชิงกลให้แก่ผู้ใช้ หน้าที่อีกอย่างหนึ่งของตัวควบคุมคือการควบคุมการเคลื่อนไหวของอุปกรณ์ไบโอแมคคาทรอนิกส์

ตัวกระตุ้นอาจเป็นกล้ามเนื้อเทียม แต่ก็อาจเป็นส่วนใดส่วนหนึ่งของระบบที่ให้ผลภายนอกตามสัญญาณควบคุม สำหรับตัวกระตุ้นเชิงกล หน้าที่ของมันคือการสร้างแรงและการเคลื่อนไหว ขึ้นอยู่กับว่าอุปกรณ์นั้นเป็นอุปกรณ์ช่วยพยุงหรือ อุปกรณ์ เทียมตัวกระตุ้นอาจเป็นมอเตอร์ที่ช่วยหรือทดแทนกล้ามเนื้อเดิมของผู้ใช้ ระบบดังกล่าวหลายระบบมีตัวกระตุ้นหลายตัว

ไบโอเมคาทรอนิกส์เป็นสาขาที่เติบโตอย่างรวดเร็ว แต่ในปัจจุบันมีห้องปฏิบัติการที่ทำการวิจัยอยู่เพียงไม่กี่ แห่ง ห้องปฏิบัติการ Shirley Ryan AbilityLab (เดิมคือสถาบันฟื้นฟูสมรรถภาพแห่งชิคาโก ), มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่เบิร์กลีย์ , MIT , มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและมหาวิทยาลัยทเวนเตในเนเธอร์แลนด์ เป็นผู้นำด้านการวิจัยในสาขาไบโอเมคาทรอนิกส์ โดยเน้นสามด้านหลักในการวิจัยปัจจุบัน

1. การวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของมนุษย์ซึ่งมีความซับซ้อน เพื่อช่วยในการออกแบบอุปกรณ์ไบโอแมคคาทรอนิกส์
2. ศึกษาเกี่ยวกับวิธีการเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กับระบบประสาท
3. ทดสอบวิธีการใช้เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อที่มีชีวิตเป็นตัวขับเคลื่อนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของมนุษย์อย่างละเอียดถี่ถ้วน เนื่องจากเป็นการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนมาก สถาบันเทคโนโลยี แมสซาชู เซตส์ (MIT)และมหาวิทยาลัยทเวนเต้ (University of Twente)กำลังทำงานเพื่อวิเคราะห์การเคลื่อนไหวเหล่านี้ โดยใช้การผสมผสานระหว่างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ระบบ กล้องและเครื่องวัดคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ (electromyograms )

การเชื่อมต่อช่วยให้อุปกรณ์ชีวกลศาสตร์สามารถเชื่อมต่อกับระบบกล้ามเนื้อและเส้นประสาทของผู้ใช้ เพื่อส่งและรับข้อมูลจากอุปกรณ์ เทคโนโลยีนี้ยังไม่มีในอุปกรณ์เสริมกระดูกและข้อเทียม ทั่วไป กลุ่มวิจัยที่ มหาวิทยาลัยทเวนเตและมหาวิทยาลัยมาลายากำลังก้าวหน้าอย่างมากในด้านนี้ นักวิทยาศาสตร์ที่นั่นได้พัฒนาอุปกรณ์ที่จะช่วยรักษา ผู้ป่วย อัมพาตและ ผู้ป่วยโรค หลอดเลือดสมองที่ไม่สามารถควบคุมเท้าขณะเดินได้ นักวิจัยยังใกล้จะค้นพบความก้าวหน้าที่จะช่วยให้ผู้ที่ถูก ตัด ขาควบคุม ขา เทียม ของตนเองได้ ผ่านทางกล้ามเนื้อบริเวณ ที่ตัดขา

นักวิจัยที่ MIT ได้พัฒนาเครื่องมือที่เรียกว่าระบบ MYO-AMI ^{[ 2 ]}ซึ่งช่วยให้สามารถรับรู้ตำแหน่ง (การรับรู้ตำแหน่ง) ในส่วนล่างของร่างกาย (ขา, เหนือข้อเท้า) นักวิจัยคนอื่นๆ มุ่งเน้นไปที่การเชื่อมต่อสำหรับส่วนบนของร่างกาย (ห้องปฏิบัติการอินเทอร์เฟซประสาทการทำงาน, CWRU) มีทั้งแนวทาง CNS และ PNS ซึ่งแบ่งย่อยออกเป็นเทคนิคสมอง ไขสันหลัง ปมประสาทรากหลัง เส้นประสาทไขสันหลัง/สมอง และปลายประสาท และเทคนิคการผ่าตัดล้วนๆ ที่ไม่มีส่วนประกอบของอุปกรณ์ (ดูการฟื้นฟูเส้นประสาทกล้ามเนื้อเป้าหมาย)

ฮิวจ์ เฮอร์เป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านไบโอเมคาทรอนิกส์ชั้นนำของMITเฮอร์และกลุ่มนักวิจัยของเขากำลังพัฒนาอิเล็กโทรดวงจรรวมแบบ ตะแกรงและอุปกรณ์เทียมที่ใกล้เคียงกับการเลียนแบบการเคลื่อนไหวของมนุษย์จริงมากขึ้น อุปกรณ์เทียมสองชิ้นที่กำลังพัฒนาอยู่ในขณะนี้ ชิ้นหนึ่งจะควบคุมการเคลื่อนไหวของข้อเข่า และอีกชิ้นหนึ่งจะควบคุมความแข็งของข้อเท้า

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ Herr และเพื่อนร่วมงานของเขาได้สร้างปลาหุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อที่มีชีวิตซึ่งนำมาจากขาของกบ ปลาหุ่นยนต์นี้เป็นต้นแบบของอุปกรณ์ไบโอแมคคาทรอนิกส์ที่มีแอคทูเอเตอร์ที่มีชีวิต โดยปลาหุ่นยนต์นี้มีลักษณะดังต่อไปนี้^{[ 3 ]}

• ห่วงยางโฟมเพื่อให้ปลาสามารถลอยได้
• สายไฟสำหรับเชื่อมต่อ
• หางซิลิโคนที่ช่วยเพิ่มแรงขณะว่ายน้ำ
• พลังงานได้จากแบตเตอรี่ลิเธียม
• ไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับควบคุมการเคลื่อนไหว
• เซ็นเซอร์อินฟราเรดช่วยให้ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถสื่อสารกับอุปกรณ์พกพาได้
• กล้ามเนื้อที่ถูกกระตุ้นด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ศิลปินสื่อใหม่ที่ UCSD กำลังใช้ไบโอเมคาทรอนิกส์ในงานศิลปะการแสดง เช่น Technesexual ( ข้อมูลเพิ่มเติมรูปภาพวิดีโอ) ซึ่งเป็นการแสดงที่ใช้เซ็นเซอร์ไบโอเมตริกเพื่อเชื่อมโยงร่างกายจริงของผู้แสดงกับอวตารใน Second Life และ Slapshock ( ข้อมูลเพิ่มเติม รูปภาพวิดีโอ ) ซึ่งใช้เครื่องกระตุ้นไฟฟ้า TENS ทางการแพทย์เพื่อสำรวจการอยู่ร่วมกันแบบพึ่งพาอาศัยกันในความสัมพันธ์ ใกล้ชิด

ความต้องการอุปกรณ์ไบโอเมคาทรอนิกส์อยู่ในระดับสูงเป็นประวัติการณ์และไม่มีทีท่าว่าจะลดลง ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เพิ่มขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยด้านไบโอเมคาทรอนิกส์สามารถสร้างแขนขาเทียมที่สามารถจำลองการทำงานของแขนขาของมนุษย์ได้ อุปกรณ์ดังกล่าวได้แก่ "i-limb" ซึ่งพัฒนาโดยบริษัท Touch Bionics ซึ่งเป็นมือเทียมที่ใช้งานได้เต็มรูปแบบเป็นครั้งแรกที่มีข้อต่อที่สามารถขยับได้^{[ 4 ]}รวมถึง PowerFoot BiOM ของ Herr ซึ่งเป็นขาเทียมตัวแรกที่สามารถจำลองกระบวนการของกล้ามเนื้อและเอ็นภายในร่างกายมนุษย์ได้^{[ 5 ]} การวิจัยด้านไบโอเมคาทรอนิกส์ยังช่วยส่งเสริมการวิจัยเพื่อทำความเข้าใจการทำงานของมนุษย์ นักวิจัยจาก Carnegie Mellon และ North Carolina State ได้สร้างโครงกระดูกภายนอกที่ช่วยลดต้นทุนการเผาผลาญในการเดินลงประมาณ 7 เปอร์เซ็นต์^{[ 6 ]}

นักวิจัยด้านไบโอเมคาทรอนิกส์จำนวนมากกำลังทำงานร่วมกับองค์กรทางทหารอย่างใกล้ชิดกระทรวงกิจการทหารผ่านศึกของสหรัฐฯและกระทรวงกลาโหมได้ให้เงินทุนแก่ห้องปฏิบัติการต่างๆ เพื่อช่วยเหลือทหารและทหารผ่านศึก^{[ 3 ]}

ถึงแม้จะมีความต้องการสูง แต่เทคโนโลยีไบโอเมคาทรอนิกส์ก็ยังคงประสบปัญหาในตลาดการดูแลสุขภาพเนื่องจากต้นทุนสูงและขาดการนำไปใช้ในนโยบายประกันภัย เฮอร์อ้างว่า Medicare และ Medicaid โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็น "ผู้ทำลายตลาดหรือผู้สร้างตลาด" ที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีเหล่านี้ทั้งหมด และเทคโนโลยีเหล่านี้จะไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับทุกคนจนกว่าเทคโนโลยีจะประสบความสำเร็จ^{[ 7 ]}แม้ว่าอุปกรณ์ไบโอเมคาทรอนิกส์จะได้รับการปรับปรุงแล้ว แต่ก็ยังคงเผชิญกับอุปสรรคทางกลไก เช่น พลังงานแบตเตอรี่ไม่เพียงพอ ความน่าเชื่อถือทางกลไกที่ไม่สม่ำเสมอ และการเชื่อมต่อทางประสาทระหว่างอวัยวะเทียมกับร่างกายมนุษย์^{[ 8 ]}

• ห้องปฏิบัติการไบโอเมคาทรอนิกส์ที่ MIT
• ห้องปฏิบัติการไบโอเมคาทรอนิกส์ ณ สถาบันฟื้นฟูสมรรถภาพแห่งชิคาโก
• ห้องปฏิบัติการไบโอเมคาทรอนิกส์ มหาวิทยาลัยทเวนเต้
• ห้องปฏิบัติการไบโอเมคาทรอนิกส์เชิงทดลอง มหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน
• ห้องปฏิบัติการไบโอเมคาทรอนิกส์ มหาวิทยาลัยลือเบ็ค
• ห้องปฏิบัติการไบโอเมคาทรอนิกส์ ณ อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน
• ห้องปฏิบัติการชีวคคาทรอนิกส์ที่ Technische Universität Ilmenau