مهندسی بیومکاترونیک

بیومکاترونیک را شاید بتوان میان رشته‌ای ترین رشته‌ی ممکن دانست. تلفیقی هنرمندانه از مکانیک، برق و بیولوژی. رشته‌ی مهندسی مکانیک را همگان می‌شناسند؛ علمی برای شناخت ایستایی و حرکت اجسام؛ مهندسی برق که به میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی می‌پردازد و رشته‌ی بیولوژی یا زیست‌شناختی که مطالعه‌ی دنیای موجودات زنده اعم از گیاه، حیوان و انسان را برعهده دارد. حال اگر اصول مکانیک و الکترونیک را بایکدیگر ترکیب کنیم، به علم مکاترونیک منتهی می‌شود.

حال به سادگی مفهوم بیومکاترونیک را می‌توان در یک جمله به مختصر گفت :
مطالعه‌ی اصول مکاترونیک در علوم زیست‌شناختی.

اگر پست‌های مربوط به مهندسی مکاترونیک و بیوالکتریک را خوانده باشید، می‌دانید که یکی از زمینه‌های تحقیقاتی این دو رشته‌ی مهندسی ، بیومکاترونیک هستند. با خط مهندسی همراه باشید تا به بررسی این رشته بپردازیم.

گذری بر مهندسی بیومکاترونیک

حتما تاکنون نام فیلم “مرد شش میلیون دلاری” به گوشتان خورده‌است. در این سریال تلویزیونی، دانشمندان بدن خلبانی را که در اثر یک سقوط بخشی از عضوهای خود را از دست داده است، بازسازی می‌کنند که شامل دو پا، یک بازو و یک چشم می‌شود. در آن رمان همچین پیشرفتی در علم به عنوان تخیلات علمی در ذهن بشر جای می‌گرفت. اما امروزه بیومکاترونیک رویای ساخت چنین اندام مصنوعی را برآورده ساخته‌است.

در گذشته، محققان توانسته‌اند بافت‌ زنده‌ی ماهیچه‌ای را در ماشین‌های بزرگ شبیه‌سازی کنند. گروه بیومکاترونیک در دانشگاه MIT آمریکا توسط DARPA تاسیس شد تا بازوهایی بر اساس عملکرد ماهیچه برای محصولات رباتیکی و اندام مصنوعی را توسعه دهند. اولین دستاورد این تیم، طراحی و ساخت ماهی بیومکاترونیکی بود.

متاسفانه تنها ویدئو کلیپ موجود از این ماهی بیومکاترونیکی یک کلیپ ۵ ثانیه‌ای می‌باشد. تماشای ویدو کوتاه زیر را از دست ندهید :

بیومکاترونیک

بیومکاترونیک رشته‌ی مهندسی بین رشته‌های بیولوژی، مکانیک،الکترونیک،کنترل، عصب‌شناسی و رباتیک است. تمرکز اصلی مهندسان بیومکاترونیک، تحقیق و طراحی تجهیزات تشخیصی، درمانی و توانبخشی می‌باشد. این رشته به افرادی که به هردلیلی (مادرزادی یا بر اثر حادثه) دچار نقص عضو شده‌اند کمک می‌کنند تا وظایف آن عضو ها را جبران کرده و یا اختلال در عملکرد آن‌ها را بهبود بخشد.

و اما سوالی که در اینجا پیش می‌آید این است که آیا تفاوتی بین ارتزها و پروتزها و محصولات بیومکاترونیکی وجود دارد یا خیر.

اول بهتر است با واژه‌های ارتز و پروتز آشنا شویم.

ارتز ها محصولات ارتوتیکی هستند و به کلیه‌ی وسایل کمکی گفته می‌شود که جایگزین عضو مختل شده نمی‌شوند و به جهت جلوگیری و تصحیح بدشکلی ها یا نگهداری و ثابت نمودن قسمت‌های مختلف بدن به موازات اندام‌ها به کار می روند. مانند انواع زانوبندها، کفی‌ها و کفش‌های طبی.

و اما پروتز محصول پروتتیکی است که جانشین عضو از دست رفته (و یا عملکرد آن عضو ) می شوند. مانند پروتزهای پنجه، زیر و بالای زانو، لگن و پروتزهای انگشتان، مچ دست و مثال‌های مشابه دیگر.

ارتزها با سیستم عصبی انسان ارتباطی نداشته و بازخوردی نمی‌دهند و پروتزها بسته به نیاز انسان و شرایط محیطی عملکرد آنها تغییر نمی‌کند. ولی محصولات بیومکاترونیکی به گونه‌ای طراحی می‌شوند که با سیستم عصبی بدن انسان تعامل داشته و به طور لحظه‌ای داده‌های جدیدی دریافت کرده و پاسخ‌های مختلفی نسبت به هر داده و شرایطی که در آن قرار می‌گیرند خواهند داشت.

به علاوه، دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی جهانی توجه ویژه‌ای به بیومکاترونیک داشته‌اند؛ زیرا که پتانسیل بالایی در توسعه‌ی تجهیزات پزشکی پیشرفته و سیستم‌های مراقبت حیاتی دارد. از نمونه‌ محصولات بیومکاترونیکی ساخته شده می‌توان به ضربان‌ساز قلب و دستگاه دفیبریلاتور اشاره کرد. ضربان‌ساز پانکراس برای بیمارهای دیابتی، تحریک‌کننده ماهیچه الکترونیکی که با مغز کنترل می‌شود برای افراد سکته مغزی یا باز‌مانده‌های حادثه تصادف، دوربین‌هایی که در داخل مغز افراد نابینا جاسازی شده که قادر به دیدن شوند، و میکروفون‌هایی جاسازی شده در مغز که به افراد ناشنوا قدرت شنوایی دهد، محصولات مهندسان بیومکاترونیکی می‌باشند که در حال توسعه هستند.

برای طراحی بهتر دستگاه‌های بیومکاترونیک شناخت فیزیولوژی انسان سالم و انسان آسیب دیده نیاز است. در عمل، مدل‌های بیوفیزیکی ماهیچه‌ها، مفصل‌ها، حسگرها و سیستم عصبی مرکزی، و کنترل حرکت انسان برای تحلیل‌ها و طراحی‌های خلاقانه بسیار مفید خواهند بود. هم‌چنین دانش و مهارت‌هایی در مهندسی مکانیک، مهندسی کنترل، شناسایی سیستم و پردازش سیگنال برای درک عملکرد دستگاه‌هایی که کیفیت زندگی انسان‌ را بهبود می‌بخشند لازم است.

نمونه‌هایی از  دستگاه‌های بیومکاترونیکی:

• تحریک‌کننده‌های عمقی مغز برای سرکوب کردن علایم بیماری پارکینسون
• ربات‌های توانبخشی جهت بالا بردن توانبخشی عصبی کسانی که از سکته‌های مغزی جان سالم به‌در‌ برده‌اند
• اسکلت‌های خارجی پوشیدنی برای افرادی که قادر به کنترل عضله‌های خود نباشند ( برای مثال بیماران با نخاع آسیب دیده یا دچار روشن عضلانی )
• پروتزها
• رابط‌های کامپیوتری مغز
• تقویت عملکردهای قلبی و عروقی و ریوی در مراقبت‌های ویژه

زمینه‌های تحقیقاتی مهندسی بیومکاترونیک

کنترل و بیومکانیک اندام‌ها

• راه رفتن انسان

گروه تحقیقاتی بیومکاترونیک با استفاده از یک مدل عصبی-عضلانی داده محور راه رفتن انسان، نیازهای متابولیکی گام برداشتن تخمین زده می‌شود. هم چنین یک مدل رفلکس عضلانی که اصول مکانیکی عضو پا را کدگذاری می‌کند، دینامیک راه رفتن و فعالیت‌های ماهیچه را ایجاد می‌کند. در کنار مدل ماهیچه‌ای نیز یک مدل تاندن-عضله عمل راه رفتن را کامل می‌کند.

• دویدن انسان

تیم تحقیقاتی بیومکاترونیک از یک روش داده محور برای مطالعه‌ی مکانیک و کنترل دویدن انسان بهره می‌‌گیرد تا بتواند از نتایج به دست آمده در سخت افزار کنترل استفاده کند. در دویدن، حرکت نوسانی فنرمانند ماهیچه بسیار مشهور است. محققین بیومکاترونیک چگونگی تعادل به هنگان دویدن را مطالعه می ‌کنند. عقب افتادگی نوسان ِپا یک مدل کنترلی ساده برای دویدن متعادل می‌باشد. بررسی انرژی و مکانیک دویدن انسان به سختی عضلات بستگی دارد. برای مثال زنان عضلات نرم‌تری نسبت به مردان دارند. درحالی که در دویدن مکانیک مشابهی با مردان دارند.

• دویدن چهارپایان

تحقیق در باب بیومکانیک دویدن چهارپایان یک چهارچوبی برای فهم جنبه‌هایی از کنترل گرفته تا انرژی دویدن را فراهم می‌سازد. محققین بیومکاترونیک یک مدل محاسباتی برای مطالعه‌ی مکانیک، کنترل و انرژی حیوانات را توسعه بخشند. این مدل شبیه‌سازی دینامیکی و فیزیکی شش گونه از پستانداران از سایز یک میمون تا یک اسب را شامل می‌شود.

کنترل و بیومکانیک عضله‌ی اسکلتی

• دستگاه تست عضله

از موضوعات تحقیق بیومکاترونیک، ساخت دستگاه تست عضله است تا شدنی بودن رباتیک ِماهیچه‌ی تحریک شده را تشخیص دهد. هدف این سیستم ایجاد نمونه‌ی تجربی برای پیاده‌سازی مطالعات شناسایی و کنترل گونه‌های مختلفی از عضله می‌باشد که اصول پایه برای تحقیق مکانیک، انرژی، تحریک‌های الکتریکی و خستگی را فراهم می‌سازد. این دستگاه تست قابلیت اعمال انواع شرایط مرزی را بر بافت ماهیچه همانند شبیه‌سازی واقعی دارا می‌باشد.

• کنترل سیستم‌های تحریک الکتریکی ماهیچه‌

از دیگر زمینه‌های تحقیقاتی بیومکاترونیک، مطالعه‌ی اثرات تحریک‌های الکتریکی بر نیروی تولید شده توسط ماهیچه‌ی زنده می‌باشد تا از این اصول در کاربرد عضلان بعنوان تحریک کننده در ربات‌های پوشیدنی استفاده شود. مطالعات اولیه بر این تمرکز دارد که سیستم عصبی مرکزی چگونه امپدانس مکانیکی ماهیچه را تنظیم می‌کند تا حرکت و استقرار را ایجاد و متعادل سازد.

تحقیقات بالینی

• پروتزهای مچ پای طراحی شده

از مطالعات تحقیقاتی بیومکاترونیک میتوان به بررسی اثرات بالینی پروتزهای طراحی شده در گام برداشتن اشاره کرد. پروتزهای بیونیکی مچ پا راه رفتن را برای افراد دچار نقص عضو راحت‌تر می‌سازد. در طی زمان پروتزهای عضو پا در طراحی پیشرفت چشمگیری داشته اند؛ اما با این وجود، در هنگام تطبیق یافتن با سرعت‌های مختلف راه رفتن در مقایسه با یک پای واقعی، ناتوان هستند.

• پروتزهای مچ پای طراحی شده برای دویدن

مطالعه‌ی اثرات پروتزها بر دویدن، به ما این امکان را می‌دهد که درک کنیم تکنولوژی در حال پیشرفت چگونه بر روی استفاده کنندگان اثر می‌گذارد؛ علی الخصوص قهرمانان دو سرعت. پروتزهای مخصوص دویدن به گونه‌ای طراحی شده‌اند که رفتار فنرگونه‌ی عضلات طبیعی را به هنگام دویدن تکرار کنند. محققین بیومکاترونیک از یک مدل ساده‌ جرم-فنر اسفاده کرده‌اند تا مکانیک دویدن را در طی سرعت‌های مختلف آزمایش کنند. با این حال هنوز مشخص نیست این پروتز ها چگونه بر مشخصه‌ی سختی پا یا دینامیک دویدن در طی سرعت‌های مختلف تاثیر می‌گذارند.

زمینه‌های فنی و تکنولوژیکی مهندسی بیومکاترونیک

طراحی پروتزها

• پروتزهای پایین زانو
• پروتزهای  بالای زانو
• پروتزهای نیمه منفعل بالای زانو
• کنترل عصبی
• سیستم‌های تشخیص نوع سطح زمین
• ایمپلنت‌های عصبی
• (SEA) تحریک متوالی-منعطف
• انطباق کنترلی زمان واقعی
• بیومکانیک ابزار سنجش بافت عضو
• پوشش بیونیکی
• ابزارهای رباتیکی پوشیدنی

طراحی اُرتوتیک و اسکلتی 

• شبیه‌ساز ربات‌های پوشیدنی برای تقویت بدن
• اسکلت‌های خارجی برای تقویت دویدن
• اسکلت‌های خارجی برای راه رفتن
• اسکلت‌های خارجی برای تقویت استقامت
• ارتزهای مچ-پا