Họ sử dụng những công nghệ hiện đại nhất
để biến Steve Austin thành một siêu nhân theo đúng nghĩa đen. Trong phim
viễn tưởng thì là vậy, nhưng trên thực tế thì sao? Hiện nay các nhà
khoa học vẫn đang phát triển những thiết bị robot hiện đại để tiến đến
viễn cảnh như trong bộ phim trên, tất cả liên quan tới lĩnh vực có tên
Biomechatronics – cơ sinh học.
Biomechatronics là sự kết hợp giữa con người và máy móc – giống như
các cyborg trong film viễn tưởng vậy. Nó liên quan tới nhiều chuyên
ngành khác, như sinh học, thần kinh học, cơ học, điện học và robot. Các
nhà khoa học nghiên cứu về Biomechatronic để tạo các thiết bị có khả
năng tương tác với cơ, xương hay hệ thống thần kinh của cơ thể với mục
đích trợ giúp hoặc nâng cao khả năng hoạt động của con người, nhất là ở
những người khuyết tật do chấn thương, bệnh lý hay dị tật bẩm sinh.
Giả sử, hãy xem xem những gì xảy ra khi bạn nhấc chân lên để bước đi:
1. Trung tâm vận động tại não sẽ gửi tín hiệu đến cơ tại vùng đùi
cẳng bàn chân. Những cơ ở vùng này sẽ bắt đầu co, phối hợp nhịp nhàng
với nhau để tạo nên cử động và nhấc chân bạn lên.
2. Các tế bào thần kinh tại chân cảm nhận bề mặt mặt đất và gửi tín
hiệu lại tới não để điều chỉnh lực và các khối cơ khác giúp bạn đi qua
khu vực đó. Ví dụ, cách bạn bước đi trên một sàn gỗ sẽ khác cách bạn
bước đi qua một vùng đầy tuyết hoặc bùn lầy...
3. Những tế bào thần kinh sẽ cảm nhận vị trí của chân so với sàn
nhà bạn đang đứng rồi gửi về não. Bạn sẽ không cần phải nhìn xuống chân
để xem vị trí của chân như thế nào.
4. Khi bạn nhấc chân để bước đi, não bộ sẽ gửi những tín hiệu thích hợp tới chân và bàn chân để thực hiện cử động hạ chân xuống.
Hệ thống này bao gồm cảm biến – sensors (tế bào thần kinh, cơ), bộ truyền động – actuators (cơ) và bộ điều khiển – controller
(não bộ/tuỷ sống). Trong bài viết này, chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu
về cách hoạt động của các thiết bị biomechatronics, lợi ích của chúng,
và các nghiên cứu đang được tiến hành xung quanh các thiết bị như vậy.
Các thành phần của một thiết bị Biomechatronic
Mỗi hệ thống biomechatronics đều có những thành phần như sau:
Cảm biến sinh học – Biosensor
Biosensor giúp nhận ra « mục đích » của người sử dụng. Tuỳ theo tổn
thương ở cơ quan nào và loại thiết bị được sử dụng, các cảm biến sẽ lấy
thông tin từ sợi thần kinh hoặc hệ thống cơ. Cảm biến sẽ gửi các thông
tin này về hệ thống điều khiển của thiết bị, từ đó tạo ra các cử động
thích hợp. Các cảm biến cũng phản hồi thông tin từ chân tay và hệ thống
truyền động (ví dụ như vị trí hay lực sử dụng) và đưa thông tin này về
hệ thống điều khiển hoặc hệ thần kinh/cơ của người sử dụng.
Các cảm biến sinh học có thể là hệ thống dây giúp phát hiện điện
thế hoạt động như galvanic detectors (loại máy dò dòng điện sinh ra bởi
các chất hoá học) gắn trên da, các điện cực được cấy trực tiếp vào cơ,
và/hoặc một lưới các điện cực bán dẫn xung quanh sợi thần kinh.
Cảm biến cơ học – Mechanical Sensors
Cảm biến cơ học cho biết những thông tin về thiết bị (ví dụ như vị
trí các chi, lực tác động cũng như tải trọng) rồi gửi tới cảm biến sinh
học và/hoặc bộ điều khiển. Có nhiều thiết bị cơ học được sử dụng, ví dụ
như lực kế và máy gia tốc kế.
Bộ điều khiển – Controller
Bộ điều khiển chính là cầu nối giữa hệ thần kinh hoặc hệ thống cơ
với thiết bị. Nó phân tích các thông tin, mục đích của người dùng rồi
gửi tới bộ truyền động của thiết bị. Nó cũng phân tích các thông tin
phản hồi từ các cảm biến cơ học và cảm biến sinh học. Bộ điều khiển cũng
theo dõi và điều khiển các cử động của thiết bị biomechatronic.
Bộ truyền động – Actuator
Hệ thống truyền động giống như những khối cơ nhân tạo vậy, nó giúp
tạo nên lực và chuyển động. Bộ truyền động có thể là một mô-tơ hỗ trợ
hoặc thay thế các khối cơ của cơ thể, tuỳ theo mục đích thiết bị này
dùng để hỗ trợ hay là để thay thế các bộ phận của cơ thể.
Các nghiên cứu về Biomechatronics
Rất nhiều phòng nghiên cứu trên khắp thế giới đang tập trung nghiên
cứu về Biomechatronics, bao gồm MIT, Đại học Twente (Hà Lan), và Đại
học California tại Berkeley. Những nghiên cứu hiện tại tập trung vào ba
mảng lớn:
1. Phân tích chức năng vận động của cơ thể, từ đó có thể thiết kế ra các thiết bị biomechatronic.
2. Nghiên cứu cách các thiết bị điện tử có thể tương tác với hệ
thần kinh (cấy những điện cực vào não và cơ, dán những điện cực galvanic
trên da...).
3. Thử nghiệm dùng các khối cơ của cơ thể làm bộ truyền động cho các thiết bị điện tử.
Phân tích chức năng vận động của cơ thể. Sự hoạt động của cơ
thể rất phức tạp. Chúng ta cần phải hiểu rõ về chức năng hoạt động để
có thể thiết kế các thiết bị biomechatronics một cách hoàn hảo.
Tiến sĩ Peter Veltink cùng cộng sự tại trường Đại học Twente phân
tích hành động bước đi của cơ thể bằng cách đo đạc qua hệ thống máy
quay, phân tích phản lực từ đất bằng lực kế, và phân tích hoạt động của
cơ với electromyograms (ghi lại hoạt động điện sinh ra do sự co cơ).
Phân tích sự khác nhau giữa người thường và người khuyết tật giúp chúng
ta hiểu hơn về cơ chế vận động khi đi lại và giúp chẩn đoán chính xác
hơn những vấn đề liên quan tới dáng đi ở bệnh nhân khuyết tật. Nhóm của
Veltink tương tự cũng đánh giá sự thăng bằng của cơ thể khi đi lại cũng
như khi đứng yên.
Nhóm của Tiến sĩ Hugh Herr tại MIT sử dụng máy tính và các camera
để phân tích cử động để nghiên cứu về thăng bằng, sự co rút chân trong
khi chạy, và sự bảo toàn momen động lượng khi bước đi.
Sự tương tác giữa các thiết bị với cơ thể con người. Một
phần quan trọng hợn ở đây, là khả năng kết nối thiết bị với hệ thống
thần kinh và cơ của cơ thể để người sử dụng có thể gửi và nhận các tín
hiệu và thông tin từ thiết bị.
Nhóm của Peter Veltink tại Netherlands sử dụng các điện cực được
cấy trực tiếp để kích thích các khối cơ. Họ đang nghiên cứu phát triển
các phương thức cảm giác và điều khiển các khối cơ phía sau chân, có tác
dụng nâng chân lên khi đi lại. Điều này sẽ giúp điều trị những bệnh
nhân bị liệt và đột quỵ không có khả năng điều khiển đôi chân của mình.
Hai thành viên trong nhóm, Hermie Hermens và Laura Kallenberg đã sử
dụng các điện cực đặt trên da được nối với màn hình để theo dõi hoạt
động điện của khối cơ phía dưới (electromyography) chứ không dùng những
điện cực cấy trực tiếp vào cơ. Cách này giúp giảm bớt đau đớn và bất
tiện cho bệnh nhân.
Nhóm của Veltink cũng sử dụng cách đo điện cơ đồ electromyogram để
tạo phản hồi và điều khiển chiếc cẳng chân giả. Khi ghép chân giả, góc
hoạt động của đầu gối được xác định và thông tin sẽ được truyền đi tới
khối cơ ở phía trên đùi ở bên chân bị cắt cụt. Bệnh nhân có thể cảm nhận
được các hoạt động và học cách phân tích chúng. Ngoài ra hoạt động điện
của khối cơ phía trên được sử dụng để điều khiển cẳng chân giả phía
dưới.
Tiếp theo, hãy tìm hiểu nghiên cứu của các nhà khoa học đến từ MIT.
Hugh Herr và thiết bị biomechatronics của MIT
Nhóm của Hugh Herr tại MIT đang phát triển một loại điện cực vi
mạch (sieve integrated circuit electrode – một loại vi mạch chứa những
con chip plastic cực nhỏ cùng với các mạch điện). Trong cấu trúc này,
hai gốc thần kinh sẽ được nối với nhau qua một kênh điều khiển (guidance
channel – một ống nhỏ giúp giữ các đầu sợi thần kinh gần lại nhau).
Kênh này chứa một cái sàng nhỏ với các lỗ được nối với một điện cực trên
bảng vi mạch. Khi các sợi thần kinh phát triển và đi qua các lỗ này,
chúng sẽ đồng thời tiếp xúc với các điện cực.
Các thiết bị chỉnh hình và lắp ghép cao cấp. Nhóm của Hugh Herr cũng đang nghiên cứu để tạo nên những bộ phận giả với những cử động giống người thường:
- Đầu gối giả có thể cảm nhận được lực, momen xoắn, vị trí cũng như
điều chỉnh độ đung đưa và di động của gối so với cơ thể người. Trong
thiết bị này là một loại dịch lưu biến từ - magnetorheologic fluid, gồm
có dầu chứa rất nhiều những hạt sắt siêu nhỏ (đường kính khoảng 0.1-10
microns). Một điện từ trường xung quanh thiết bị có thể thay đổi độ nhớt
của khối dịch do các hạt sắt khi đặt trong điện từ trường chúng sẽ xếp
thành hàng tương ứng với các đường sức từ. Khi bước đi, bộ điều khiển sẽ
điều chỉnh cường độ điện từ trường sao cho chất lỏng có độ nhớt thích
hợp, từ đó bệnh nhân có thể đi lại một cách bình thường nhất. Được
thương mại hoá, đây là một sản phẩm được sản xuất bởi Ossur có tên
Rheo-KneeTM.
- Đề điều trị chứng “chân rớt” (drop foot – mũi chân bị rủ xuống
khi nhấc chân lên do tổn thương thần kinh mác chung hoặc tổn thương các
cơ gấp bàn chân), một thiết bị chỉnh hình được phát triển để điều khiển
khớp cổ chân khi bệnh nhân bước đi. Thiết bị này giúp bệnh nhân có được
những bước đi dễ dàng hơn so với những thiết bị hiện có.
Hiện tại và tương lai của các thiết bị Biomechatronics
Hầu hết các bộ truyền động sử dụng trong chỉnh hình và ghép các bộ
phận đều là những mô-tơ điện hoặc các dây điện có khả năng co lại khi có
dòng điện chạy qua. Các thiết bị ấy chỉ có khả năng tạo nên lực co, nó
không thể giúp bệnh nhân phản xạ tốt và không kết nối với các mô cơ của
cơ thể. Vậy nếu có thể tạo ra được những bộ truyền động bằng chính những
khối cơ của cơ thể thì sao? Tại phòng thí nghiệm của Hugh Herr tại MIT,
họ đã thử nghiệm một con cá robot có thể bơi được nhờ lắp mô cơ của
chân ếch. Con cá robot đó có những thành phần sau:
- Một cái phao bằng nhựa giúp con cá nổi.
- Hệ thống dây điện.
- Đuôi bằng silicon giúp tạo lực bơi.
- Pin lithium để cung cấp năng lượng.
- Bộ điều khiển nhỏ.
- Cảm biến hồng ngoại giúp kết nối bộ điều khiển với một thiết bị điều khiển cầm tay.
- Một đơn vị kích thích điện để kích thích cơ co.
Những mô cơ của chân ếch được gắn vào hai bên của chiếc đuôi và
thân nó, các điện cực dùng để kích thích được gắn lên các khối cơ. Chúng
được kích thích xen kẽ nhau để tạo nên cử động của đuôi và giúp con cá
bơi được. Người ta đặt con cá vào một bể nước muối với nồng độ thích hợp
để khối cơ vẫn sống được. Con cá có thể bơi tiến, lùi, quay và dừng
lại. Đây là một trong những nguyên mẫu của thiết bị biomechatronics sử
dụng bộ truyền động “sống”.
Với sự tiến bộ của công nghệ làm áo giáp, các binh lính trong chiến
tranh Iraq được bảo vệ tính mạng sau các vụ nổ, tuy nhiên họ phải chịu
các thương tổn ở vùng không được bảo vệ, như cánh tay, tay, đùi cẳng bàn
chân... Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu về thiết bị chỉnh hình và
ghép bộ phận giả tân tiến hơn, giống như thiết bị đã được phát triển
trong phòng thí nghiệm của MIT. Bộ Cựu chiến binh và Bộ Quốc Phòng đã
tài trợ cho rất nhiều nhóm nghiên cứu để có thể giúp đỡ cho những binh
lính bị thương sau chiến tranh.
Gần đây, Claudia Mitchell, một lính thuỷ đánh bộ, đã được thử
nghiệm ghép một cánh tay giả được phát triển bởi Bác sĩ Todd Kuiken tại
Viện Phục hồi chức năng tại Chicago. Phẫu thuật viên, bác sĩ Gregory
Dumainian tại Bệnh viện Northwestern Memorial – Chicago đã hướng các sợi
thần kinh điều khiển cánh tay của cô tới vùng ngực. Các sợi thần kinh
phát triển lại ngay dưới da ngực. Điện cực siêu nhỏ được gắn trên da ghi
lại hoạt động điện của các sợi thần kinh và gửi tín hiệu tới mô-tơ trên
cánh tay giả. Cô đã có thể điều khiển lại cánh tay bằng suy nghĩ của
mình. Thiết bị này không thực sự là một thiết bị biomechatronics vì tín
hiệu chỉ được truyền một chiều – từ Claudia tới cánh tay. Bác sĩ Kuiken
vẫn đang nỗ lực nghiên cứu để có thể tạo ra được phản hồi từ cánh tay về
cơ thể, bao gồm cả các cảm giác như đau hay áp lực.
Cho đến bây giờ, chúng ta mới chỉ biết được làm cách nào mà các
thiết bị biomechatronics có thể giúp đỡ những người bị suy giảm hoặc mất
chức năng vận động. Vậy các thiết bị này có thể giúp gì cho người bình
thường hay không? Chúng có thể giúp con người có sức mạnh phi thường như
Steve Austin trong “Six Million Dollar Man” hay không? Về vấn đề này,
các nhà nghiên cứu tại Đại học California tại Berkeley đã phát triển một
cỗ máy – một bộ khung xương ngoài cơ thể để nâng cao khả năng vận động
của người thường. Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) sử dụng
các khối kim loại vận động bằng các mô-tơ để có thể dễ dàng di chuyển
hơn. Các cảm biến và bộ truyền động của thiết bị gửi thông tin phản hồi
để điều chỉnh các cử động cũng như tải trọng. Bộ điều khiển thiết bị
được gắn và đeo sau lưng. Thiết bị nặng khoảng 100 pounds, ngoài ra nó
có thể giúp chúng ta mang theo 70 pound sau lưng, nhưng sau cùng ta chỉ
cảm giác mình đang mang theo 5 pound thôi vậy.
BLEEX có thể được dùng trong quân đội cũng như với người dân. Với
BLEEX, người lính có thể mang vác được nhiều đồ hơn qua đoạn đường dài
mà không mệt mỏi. Tương tự, các bác sĩ quân đội có thể đưa những người
bị thương ra khỏi chiến trường. Những người lính cứu hoả có thể mang
theo nhiều đồ đạc đi một quãng đường dài tới nơi mà xe không thể vào
được...
Khi được phát triển và đưa vào sử dụng, các thiết bị biomechatronic sẽ được sử dụng với nhiều mục đích:
- Hỗ trợ cho bệnh nhân bị suy giảm hoặc mất chức năng vận động.
- Luyện tập cho bệnh nhân bị suy giảm chức năng vận động (vật lý trị liệu).
- Có thể điều chỉnh cho phù hợp với mỗi bệnh nhân mà không cần dùng các thiết bị khác.
- Nâng cao khả năng của người bình thường.
Hạn chế chính của loại thiết bị này, là khả năng dễ bị nhiễm trùng
(do đây là quá trình cấy ghép các thiết bị khác vào cơ thể), đau và khó
chịu. Dù sao thì, công nghệ mới này cũng là bước tiến mới giúp những
người khuyết tật có khả năng vận động trở lại và có thể, còn tốt và khoẻ
hơn trước đây.
Ý kiến bạn đọc [ 0 ]
Ý kiến của bạn