Разумов А.Н., Саморуков А.Е., Головин В.Ф.
Российский научный центр восстановительной медицины и курортологии,
Московский Государственный Индустриальный Университет, Москва
Среди множества направлений медицинской техники определённое место занимает управляемая механика, когда исполнительная часть системы - эффектор выполняет движение по управляемой траектории. Управление движением эффектора может быть автоматическим по заданной программе, адаптивным с самонастройкой в зависимости от не полностью определённых параметров среды функционирования, интеллектуальным с элементами искусственного интеллекта.
В настоящее время в России и за рубежом известны разнообразные средства управляемой механики в хирургии, восстановительной медицине и реабилитации. В качестве примеров назовём некоторые из них.
Ортопедический аппарат автоматизированного остеосинтеза на основе аппарата Г.А.Илизарова.
Имплантированная система вспомогательного кровообращения.
Механотерапевтическая кушетка, выполняющая растяжение позвоночника в комбинации с массажем патологических зон.
Вибропоясы, косметические и антицеллюлитные вибраторы, тонусные тренажёры - качалки и кресла.
Биоэлектрические протезы для замены конечностей и экзоскелетные протезы для усиления ослабленных мышц.
Медицинские роботы. Прецизионные - для выполнения резекций, пункций в нейрохирургии, глазной хирургии. Минироботы, управляемые капсулы для полостной диагностики и хирургии. Сервисные мобильные роботы - няньки для ухода за больными. Роботы для выполнения техник массажа и мануальной терапии.
Общей особенностью систем в приведенных примерах является использование механического движения, наиболее естественного для контакта с человеком. Управляемыми параметрами являются характеристики движения - пространственные перемещения, скорости, ускорения, силы, моменты.
Эффективным развитием механики в настоящее время в различных областях науки и техники является мехатроника. Как наука мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электромеханическими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.
В данном определении подчёркивается синергетический характер интеграции элементов в мехатронных системах. Причём составляющие части не просто дополняют друг друга, но интегрируются таким образом, что образованная в соответствии с принципами нелинейной динамики система обладает качественно новыми свойствами не присущими составляющим частям.
Мехатроника представляет новый методологический подход - парадигму в построении систем с качественно новыми свойствами. Этот подход является весьма универсальным и применяется для систем различного назначения.
Взаимодействие техники с человеком вызывает необходимость развития определённого интерфейса со стороны психологии (эргономика) и физиологии человека. Для управления, в том числе автоматического в масштабе реального времени, начинают использоваться измеряемые биомедицинские параметры. Новые технологии, в том числе нанотехнология, позволяют интегрировать малого размера биокомпоненты с механическими, электронными, компьютерными. Развивается биоморфное машиностроение, использующее решения биомеханики и биокибернетики.
Также как при появлении мехатроники возникает необходимость синергетической интеграции указанных компонент под концепцией биомехатроники.
Поскольку биокомпоненты интегрируются не только с механическими как в биомеханике, а также с электронными (биоэлектроника) и компьютерными, то биомехатроника должна представляться четырьмя пересекающимися множествами - биология, механика, электроника, информатика, а с учётом прагматической направленности - внутри оболочки из трёх областей - производства, менеджмента, требований рынка.
С одной стороны биомехатроника использует свойства своих компонент. Так, например, одним из принципов кибернетики является единство методов управления в технических и биологических системах. С другой стороны биомехатроника приводит к появлению систем с совершенно новыми свойствами. Качественно новые системы появляются при развитии в биосистемах фундаментального принципа кибернетики - принципа обратной связи. Рука Эрнста, рука Кобринского, созданная в ИМАШ в России явились предвестниками, создаваемых в настоящее время, биоэлектрических протезов, не только заменяющими, но и усиливающими возможности человека.
Понижение порогов восприятия окружающего мира человеком обязано появлению биороботов, создаваемых с использованием биогибридных технологий.
Поэтому биомехатроника как методологический подход повышает оптимизм в плане открытия новых медицинских устройств и методик в том числе в области протезирования и медицинской робототехники.
Компании SNR и NTN уже долгие годы являются новаторами в сфере мехатроники. Сегодня их производственные технологии, ресурсы и научно-исследовательские центры объединены в единое целое. В новой совместной Группе SNR-NTN мехатронике, отрасли, где переплетаются механика, электроника и информатика, придается огромное стратегическое значение. Первым мехатронным продуктом SNR можно считать подшипник ASB, на который французская компания подала заявку в 1984 г. Со своей стороны, NTN Corp. начала работать над мехатроникой в начале 1990 г. В 1996 г. был выпущен первый мехатронный подшипник SNR, который вскоре стал мировым стандартом. В начале 2008 года производство подшипников ASB перешло символический рубеж - выпуск стомиллионного подшипника. В активе SNR уже подшипники второго поколения с технологией измерения угла поворота рулевого колеса и третьего, с датчиком сцепления колес с дорогой.
Во Франции штаб-квартира производителя подшипниов SNR расположена в департоменте Верхний Савой, который считается "центром европейской мехатроники". Этот регион является побратимом по техническому развитию с Университетом Кагава, расположенным неподалеку от г.Осака, где размещен главный офис NTN Corp. В настоящее время Группой уже реализуются многочисленные проекты, сочетающие в себе различные технические направления: датчик абсолютного угла с началом измерения с момента появления давления, датчик нагрузки, позволяющий улучшить стабильность шасси, подшипник с функцией диагностики и т.д. Примером взаимодополняемости и сотрудничества компаний внутри группы стал "подшипник с вращающимся датчиком высокого разрешения", который имеет очень компактную конфигурацию по сравнению с аналогами. Измерительные возможности датчика возросли в 40 раз. Одним из назначений прибора является повышение разрешения цветных принтеров, при одновременном снижении затрат на функционирование вращающегося оборудования.
Потенциал мехатроники огромен и сейчас разработаны варианты применения мехатронных приборов не только в автомобильной промышленности, но и в других отраслях. Группа SNR-NTN, объединившая опыт двух компаний, находится "на передовой" и играет значительную роль во всех новых исследованиях.
| Mехатроника - B. Eng. | ||
| Залогом успешного решения комплексных конструкторских задач является владение межотраслевыми знаниями. Данная тенденция была учтена при разработке учебной программы по мехатронике, учебной дисциплины, которая объединяет в себе традиционные инженерные науки: машиностроение, электротехнику, инфомационные и производственные технологии, делая при этом мехатронику наукой качественно новой. В рамках программы межотраслевого обучения студенты получают отличное образование и готовы к осуществлению комплексных межотраслевых промышленных проектов. Мехатроника охватывает все области техники, в которых находят взаимодействие электротехнические, механические и информационные компоненты. В первую очередь, это относится к медицинской и информационной технике, технике телекоммуникаций, автоматизированной, автомобильной и микросистемной технике. | ||