الميكاترونيات الحيوية

تستشعر المستشعرات الحيوية ما يرغب المستخدم في فعله أو نواياه وحركاته. في بعض الأجهزة، تُنقل المعلومات عبر الجهاز العصبي أو العضلي للمستخدم . ثم تُرسل هذه المعلومات من المستشعر الحيوي إلى وحدة تحكم ، قد تكون موجودة داخل الجهاز البيوميكاترونيكي أو خارجه. بالإضافة إلى ذلك، تستقبل المستشعرات الحيوية معلومات حول وضعية الطرف وقوة الضغط عليه من الطرف والمُشغِّل . وتأتي المستشعرات الحيوية بأشكال متنوعة، منها أسلاك تستشعر النشاط الكهربائي ، وأقطاب إبرية تُزرع في العضلات ، ومصفوفات أقطاب كهربائية تنمو من خلالها الأعصاب .

تتمثل وظيفة المستشعرات الميكانيكية في قياس معلومات حول الجهاز البيوميكاترونيكي وربط هذه المعلومات بالمستشعر الحيوي أو وحدة التحكم. إضافةً إلى ذلك، تُستخدم العديد من المستشعرات في الجامعات، مثل جامعة كيس ويسترن ريزيرف، وجامعة بيتسبرغ، وجامعة جونز هوبكنز، وغيرها، بهدف تسجيل المحفزات الفيزيائية وتحويلها إلى إشارات عصبية، وذلك في مجال فرعي من البيوميكاترونيك يُسمى الميكاترونيك العصبي.

يقوم جهاز التحكم في الجهاز البيوميكاتروني بنقل نوايا المستخدم إلى المحركات. كما يقوم بتفسير معلومات التغذية الراجعة الواردة من أجهزة الاستشعار الحيوية والميكانيكية. وتتمثل الوظيفة الأخرى لجهاز التحكم في حركات الجهاز البيوميكاتروني.

قد يكون المحرك عضلة اصطناعية، أو أي جزء من النظام يُحدث تأثيرًا خارجيًا بناءً على مدخلات التحكم. بالنسبة للمحرك الميكانيكي، تتمثل وظيفته في توليد القوة والحركة. وبحسب ما إذا كان الجهاز تقويميًا أو طرفًا صناعيًا، فقد يكون المحرك عبارة عن محرك يساعد أو يحل محل العضلة الأصلية للمستخدم. في الواقع، تتضمن العديد من هذه الأنظمة محركات متعددة.

يتطلب تحليل الحركة البشرية قدراً كبيراً من الدراسات نظراً لتعقيدها الشديد. ويعمل كل من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة توينتي على تحليل هذه الحركات، وذلك باستخدام مزيج من النماذج الحاسوبية وأنظمة الكاميرات وتخطيط كهربية العضلات .

تتيح تقنية الربط البيني لأجهزة الميكاترونيك الحيوية الاتصال بالجهاز العضلي والعصبي للمستخدم لإرسال واستقبال المعلومات منه. هذه التقنية غير متوفرة في أجهزة تقويم العظام والأطراف الصناعية التقليدية. وتحرز فرق بحثية في جامعتي توينتي ومالايا تقدماً ملحوظاً في هذا المجال. فقد طور العلماء هناك جهازاً يُساعد في علاج مرضى الشلل والسكتة الدماغية الذين لا يستطيعون التحكم في أقدامهم أثناء المشي. كما يقترب الباحثون من تحقيق إنجاز علمي يُتيح للشخص مبتور الساق التحكم في ساقه الصناعية باستخدام عضلات الطرف المبتور.

طوّر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أداةً تُسمى نظام MYO-AMI ^{[ 2 ]} ، تُتيح التغذية الراجعة الحسية (استشعار الوضع) في الطرف السفلي (الساقين، أسفل الركبة). ويركّز باحثون آخرون على التفاعل مع الطرف العلوي (مختبر التفاعل العصبي الوظيفي، جامعة كيس ويسترن ريزيرف). وتوجد مناهجٌ تُعنى بالجهاز العصبي المركزي والمحيطي، وتنقسم بدورها إلى تقنياتٍ تُعنى بالدماغ، والحبل الشوكي، والعقدة الجذرية الظهرية، والأعصاب الشوكية/القحفية، والطرف النهائي، بالإضافة إلى بعض التقنيات الجراحية البحتة التي لا تعتمد على أي أجهزة (انظر: إعادة تعصيب العضلات المستهدفة).

يُعدّ هيو هير العالم الرائد في مجال الهندسة الحيوية الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ويعمل هير وفريقه البحثي على تطوير قطب كهربائي متكامل على شكل غربال ، بالإضافة إلى أجهزة تعويضية تقترب من محاكاة الحركة البشرية الطبيعية. وسيتحكم الجهازان التعويضيان قيد التطوير حاليًا في حركة الركبة، بينما سيتحكم الجهاز الثالث في صلابة مفصل الكاحل.

يستخدم فنانو الوسائط الجديدة في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو تقنية الميكاترونيات الحيوية في أعمال فنية أدائية، مثل Technesexual ( مزيد من المعلومات والصور والفيديو )، وهو عرض يستخدم أجهزة استشعار حيوية لربط أجساد المؤدين الحقيقية بصورهم الرمزية في Second Life، و Slapshock ( مزيد من المعلومات والصور والفيديو ) ، حيث تُستخدم وحدات TENS الطبية لاستكشاف التكافل بين الذوات في العلاقات الحميمة.