Бионические и экзосколеты

Что такое бионика?
Бионика –это совокупность прикладных наук, которые ставят целью объединение биологии и техники.

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные - бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Что такое бионика?

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.
Что такое бионика?

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:
1. Изучение нервной системы человека и животных, а также моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
Бионика
Трёхмерная модель нервной системы нематоды

2. Исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения, изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
Бионика
Бионический глаз “Аргус”

3. Исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
Бионика
Экзоскелет
Бионическая архитектура

Бионическая архитектура
Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надёжности. Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений.

Протезы
Бионические протезы и импланты - одно из направлений, в котором ведутся исследования, связанные с бионикой; одно из самых важных.
Основная особенность бионических протезов - их способность брать на себя функции утраченных органов и конечностей.

Протезы
Протезы
Пассивные
Активные
С обратной связью
Без обратной связи

Биоэлектрические протезы рук
Биоэлектрические (бионические, миоэлектрические протезы) — это протезы с внешним источником энергии (по классификации Минтруда РФ). Управление осуществляется за счёт сигналов, возникающих при сокращении мышц.
В культеприёмную гильзу встроены миодатчики, улавливающие изменение электрического потенциала. Эта информация передаётся на микропроцессор кисти, и в результате протез выполняет определённый жест или хват:

Биоэлектрические протезы рук
Бионические протезы бывают обычными и высокофункциональными. Высокофункциональными считаются протезы, умеющие делать различные хваты, тогда как обычные бионические протезы делают одно основное движение — хват в щепоть.

Биоэлектрические протезы ног

Биоэлектрические глаза
Бионический глаз — искусственная зрительная система для восстановления потерянного зрения при некоторых формах слепоты. В глаз с повреждённой сетчаткой, например, при скотоме, вживляют имплантант — протез сетчатки глаза, дополняя сетчатку c оставшимися в ней неповреждёнными нейронами искусственными фоторецепторами.

Экзоскелеты

Применение экзоскелетов

Типы экзоскелетов
Экзоскелеты
Лёгкий экзоскелет
(Медицинское и
реабилитационное
применение)
Тип А
(С костылями)
Тип Б (Без костылей)
Средний экзоскелет
(Промышленность,
сельское хозяйство и МЧС)
Тяжёлый экзоскелет
(Военное и
охранное применение)

Медицинский (лёгкий) экзоскелет

Силовой (средний) экзоскелет

Защитный (тяжёлый) экзоскелет

Медицинский экзоскелет
Одна из модификаций экзоскелета - медицинская. Предназначен такой экзоскелет для использования его людьми с ограниченными физическими возможностями, а именно инвалидами или пациентами с парализованными или повреждёнными нижними конечностями для самостоятельного перемещения или адаптации.

Медицинский экзоскелет
А
облегчённый вариант для задач
реабилитации клиентов клиник;
управление с помощью наклона
тела и вспомогательных костылей;
для эксплуатации не требуется
обучение;

Медицинский экзоскелет
Б
полноценно реабилитирующий
медицинский экзоскелет;
ручное управление;
больший вес из-за отсутствия
костылей;
цена в ~5 раз больше, чем у моделей А ;

Медицинский экзоскелет
В России данное направление представлено 2 проектами: Экзоатлет, Экзолайт. Оба проекта уже предлагают свою продукцию.

Медицинский экзоскелет

Рынок медицинских экзоскелетов
Количество потенциальных
пользователей медицинских экзоскелетов в России составляет около одного миллиона человек.
Частные и государственные центры реабилитации людей с нарушениями
опорно-двигательного аппарата.
Прогнозируемый объём
роста мирового рынка
медицинских экзоскелетов

Промышленный экзоскелет
Средний экзоскелет. Вариант, предназначенный для промышленного применения, а также для использования в системе МЧС

Промышленный экзоскелет
Средний экзоскелет. Вариант, предназначенный для промышленного применения, а также для использования в системе МЧС.

Промышленный экзоскелет
Промышленные экзоскелеты уже применяются на автомобильных заводах BMW и на многих других в Европе. Получили распространение и в южной Корее. В России пока не применяются.

Принципы работы экзоскелетов
1. Сервоприводные экзоскелеты.
Сервопривод – привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик положения, скорости, усилия и т. п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике согласно заданному внешнему сигналу.

Принципы работы экзоскелетов
2. Гидравлические экзоскелеты.
Гидроприводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости, находящейся под давлением, с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости движения выходного звена гидродвигателя.

Принципы работы экзоскелетов
3. Пневматические экзоскелеты.
Принцип работы пневмомускулы состоит в следующем - при попадании внутрь пневмомускулы сжатого воздуха внутренняя трубка начинает попеременно растягиваться и расширяться. Поскольку ее объем ограничен, она начинает давить на стенки защитной оболочки, которая также начинает расширяться. Из-за особенностей плетения внешней решетки при расширении в поперечном сечении она уменьшается в длине и создает тягу.

Перспективы
Улучшение обратной связи.
Удешевление и распространение.
Улучшение алгоритмов работы и комбинация мио- и нейроуправления.
Новые органы для протезирования.

Перспективы
Уменьшение веса и улучшение эргономичности.
Удешевление и распространение.
Развитие нейротехнологий.
Наиболее эффективно будут развиваться медицинские экзоскелеты.

Перспективы
Уменьшение веса и улучшение эргономичности.
Удешевление и распространение.

Перспективы в РФ
В России же из-за недофинансирования и недоразвитости технологий всё пошло по иному пути. Силами энтузиастов создаётся своя полноценная отрасль. Со своими технологиями, направлениями развития и в перспективе кооперациями и рынками.