Biomechanik (eBook)

Die Wissenschaft von Bewegung und Kraft in Robotersystemen

Fouad Sabry (Autor)

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2025 | 1. Auflage
285 Seiten
Eine Milliarde Sachkundig [German] (Verlag)
978-0-00-069332-7 (ISBN)

Infos

In der sich entwickelnden Welt der Robotik ist die Biomechanik eine entscheidende Schnittstelle zwischen Ingenieurwesen, Biologie und Technologie. Fouad Sabrys 'Biomechanik', Teil der Reihe 'Robotics Science', bietet eine umfassende Untersuchung der biomechanischen Prinzipien, die die Innovation in der Robotik vorantreiben. Von den Grundlagen der menschlichen Bewegung bis hin zu modernsten Anwendungen in der Biomedizintechnik und Gewebetechnik ist dieses Buch eine unverzichtbare Ressource für Fachleute, Studenten und Enthusiasten gleichermaßen.

Kurzübersicht der Kapitel:

Biomechanik-Einführung in das Studium von Bewegung, Kraft und mechanischem Verhalten in biologischen Systemen.

Biomedizintechnik-Untersuchung von Ingenieurprinzipien, die auf biologische Systeme und Gesundheitstechnologien angewendet werden.

Skelett-Eine detaillierte Untersuchung des menschlichen Skelettsystems und seiner Rolle in der Biomechanik und im Roboterdesign.

Antrieb-Untersuchung, wie Organismen Bewegung erzeugen und ihre Anwendung in Roboterantriebssystemen.

Gewebe (Biologie)-Untersucht die mechanischen Eigenschaften biologischen Gewebes und ihre Rolle in der biomechanischen Forschung.

Gewebetechnik-Konzentriert sich auf die Entwicklung biologischen Gewebes für medizinische und robotische Anwendungen.

Ultrastruktur-Analyse der mikroskopischen Struktur von Zellen und Geweben, um ihre mechanischen Funktionen zu verstehen.

Motilität-Untersucht die Zellbewegung und ihre Auswirkungen auf robotische Systeme, die biologische Organismen nachahmen.

Neuronale Technik-Erforscht die Integration neuronaler Systeme in die Technik, um die Robotersteuerung und -funktion zu verbessern.

Angewandte Mechanik-Erörtert, wie mechanische Prinzipien angewendet werden, um reale biomechanische Herausforderungen zu lösen.

Biologisches System-Ein Blick auf die komplexen Wechselwirkungen innerhalb biologischer Systeme und ihre mechanischen Eigenschaften.

Biotechnik-Untersucht die Anwendung von Technikprinzipien auf biologische Systeme für Innovationen in Medizin und Robotik.

Biomaterial-Konzentriert sich auf Materialien aus biologischen Quellen, die in der Biomechanik und Robotik verwendet werden.

Iatrophysik-Untersucht die Physik medizinischer Anwendungen und verbindet biologische Systeme mit technischen Lösungen.

Biomechanisches Engineering-Integriert Biomechanik mit technischem Design, um fortschrittliche Robotersysteme zu entwickeln.

Nanobiomechanik-Analysiert die Mechanik im Nanomaßstab, um biologische und Robotersysteme auf molekularer Ebene zu verstehen.

Biofluiddynamik-Untersucht das Verhalten biologischer Flüssigkeiten und ihre Rolle in mechanischen Systemen.

Zellbiomechanik-Befasst sich mit der Biomechanik von Zellen und ihrer Anwendung in der Robotik und Medizintechnik.

Neuronaler Darwinismus-Erforscht die Theorie der neuronalen Selektion und ihre möglichen Auswirkungen auf Robotik und künstliche Intelligenz.

Physiologie-Untersucht die mechanischen und funktionellen Aspekte biologischer Systeme aus physiologischer Perspektive.

Zoologie-Das Studium tierischer Systeme und ihrer biomechanischen Prinzipien als Inspiration für das Roboterdesign.

Dieses Buch bietet einen tiefen Einblick in die wesentlichen Elemente der Biomechanik, die die Robotikwissenschaft prägen. Egal, ob Sie Profi, Student oder Enthusiast sind, 'Biomechanik' wird Ihr Verständnis dafür erweitern, wie die mechanischen Systeme des menschlichen Körpers die Robotertechnologie beeinflussen. Jedes Kapitel behandelt nicht nur ein kritisches Thema, sondern zeigt auch, wie es mit dem umfassenderen Thema der Weiterentwicklung der Robotik in den Bereichen Medizin, Ingenieurwesen und Technologie zusammenhängt. Wenn Sie sich für die Zukunft der Robotik begeistern, ist dieses Buch eine unschätzbare Ergänzung Ihrer Sammlung.

Textauszug

Kapitel 2 : Biomedizinische Technik

Medizintechnik, oft auch als Biomedizinische Technik (BME) bezeichnet, ist die Anwendung von ingenieurtechnischen Ideen und Designkonzepten auf die Bereiche Medizin und Biologie zum Zwecke der Gesundheitsversorgung (z. B. zu diagnostischen oder therapeutischen Zwecken). Wenn es darum geht, die Behandlung im Gesundheitswesen voranzutreiben, einschließlich Diagnose, Überwachung und Therapie, wird BME in der Regel auch als logisch wissenschaftlich angesehen. Biomedizintechnikerinnen und Biomedizintechniker sind für die Verwaltung vorhandener medizinischer Geräte in Krankenhäusern unter Einhaltung der entsprechenden Industriestandards verantwortlich. Diese Verantwortung fällt in den Zuständigkeitsbereich des Berufsstandes der Biomedizintechniker. Im Rahmen dieses Berufs, der auch als Techniker für biomedizinische Geräte (BMET) oder als klinischer Ingenieur bezeichnet wird, ist die Person dafür verantwortlich, Vorschläge zu Geräten zu machen sowie Routineprüfungen, vorbeugende Wartung und Kauf durchzuführen.

In den letzten Jahren hat sich die Biomedizintechnik im Gegensatz zu den meisten anderen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen als eigenständiges Forschungsgebiet herauskristallisiert. Wenn sich ein neues Feld von einer interdisziplinären Spezialisierung unter bereits etablierten Fächern zu einem eigenständigen Feld entwickelt, ist diese Art der Entwicklung ein regelmäßiges Ereignis. Ein wesentlicher Teil der Arbeit im Bereich der Biomedizintechnik besteht aus Forschung und Entwicklung, die eine Vielzahl von Teilgebieten umfasst (siehe unten). Die Entwicklung biokompatibler Prothesen, einer Vielzahl von diagnostischen und therapeutischen Medizinprodukten, die von klinischen Geräten bis hin zu Mikroimplantaten reichen, bildgebende Technologien wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Elektrokardiogramm (EKG), regeneratives Gewebewachstum und die Entwicklung von Arzneimitteln, einschließlich Biopharmazeutika, sind einige der bemerkenswertesten Anwendungen der Biomedizintechnik.

Das Fach Bioinformatik ist ein interdisziplinäres Gebiet, das sich auf die Entwicklung von Softwarewerkzeugen und -verfahren zum Verständnis biologischer Daten konzentriert. Bioinformatik ist ein Studienbereich, der Informatik, Statistik, Mathematik und Ingenieurwesen kombiniert, um biologische Daten zu analysieren und zu verstehen. Es handelt sich um ein interdisziplinäres Wissenschaftsgebiet.

Bioinformatik ist sowohl ein Überbegriff für die biologische Forschung, die Computerprogrammierung als Teil ihrer Technik einsetzt, als auch ein Verweis auf bestimmte Analyse-"Pipelines", die häufig verwendet werden, insbesondere im Bereich der Genomik, und wird als ein Begriff angesehen, der diese beiden Aspekte umfasst. Eine der häufigsten Anwendungen der Bioinformatik ist die Identifizierung von Kandidatengenen und Nukleotiden, die oft als Polymorphismen bezeichnet werden. Es ist gängige Praxis, solche Identifizierungen mit der Absicht vorzunehmen, ein tieferes Verständnis der genetischen Grundlagen von Krankheiten, der charakteristischen Anpassungen, der wünschenswerten Eigenschaften (insbesondere bei landwirtschaftlich genutzten Tieren) oder der Unterscheidungsmerkmale zwischen Populationen zu erlangen. Auf eine weniger formale Art und Weise bemüht sich die Bioinformatik auch, die Organisationsprinzipien zu verstehen, die in den Sequenzen von Nukleinsäuren und Proteinen vorhanden sind.

Die Untersuchung der Struktur und Funktion der mechanischen Eigenschaften biologischer Systeme, auf jeder Ebene, von ganzen Organismen bis hin zu Organen, Zellen und Zellorganellen, unter Verwendung der Werkzeuge der Mechanik wird als Biomechanik bezeichnet. Die Erforschung der Biomechanik kann auf jede Ebene biologischer Systeme angewendet werden.

Jede Substanz, Oberfläche oder Konstruktion, die mit biologischen Systemen interagiert, wird als Biomaterial bezeichnet. Das Gebiet der Biomaterialien gibt es seit rund fünfzig Jahren als wissenschaftliche Disziplin. Das Forschungsgebiet, das als Biomaterialwissenschaft oder Biomaterialtechnik bekannt ist, befasst sich mit der Erforschung von Biomaterialien. Im Laufe seines Bestehens wurde es einer konsequenten und robusten Expansion unterzogen, wobei zahlreiche Unternehmen erhebliche Summen in die Entwicklung revolutionärer neuer Artikel investierten. Eine Reihe von Disziplinen, darunter Medizin, Biologie, Chemie, Tissue Engineering und Materialwissenschaften, sind im Bereich der Biomaterialwissenschaften enthalten.

Die Erforschung der Wechselwirkung zwischen biologischem Gewebe und Licht sowie der Art und Weise, wie diese Wechselwirkung für Sensorik, Bildgebung und Therapie genutzt werden kann, steht im Mittelpunkt der biomedizinischen Optik, die Konzepte aus Physik, Technik und Biologie zusammenführt. Optische Bildgebung, Mikroskopie, Ophthalmoskopie, Spektroskopie und Behandlung sind nur einige der vielen Anwendungen, die mit dieser Technologie durchgeführt werden können. Optische Kohärenztomographie (OCT), Fluoreszenzmikroskopie, konfokale Mikroskopie und photodynamische Behandlung (PDT) sind Beispiele für Techniken und Technologien, die unter das Dach der biomedizinischen Optik fallen. Die optische Kohärenztomographie (OCT) zum Beispiel nutzt Licht, um hochauflösende, dreidimensionale Bilder von innerem Gewebe zu erzeugen. Zu diesen Strukturen gehören die Netzhaut im Auge und die Herzkranzgefäße. Durch den Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen zur Identifizierung bestimmter Moleküle und die anschließende Visualisierung dieser Moleküle durch den Einsatz von Licht ist die Fluoreszenzmikroskopie in der Lage, Einblicke in die Ursachen von Krankheiten und biologischen Prozessen zu geben. In jüngerer Zeit hat die adaptive Optik die Bildgebung verbessert, indem sie Aberrationen in biologischem Gewebe korrigiert. Dies hat es ermöglicht, eine höhere Auflösung der Bildgebung und eine verbesserte Genauigkeit bei Behandlungen wie der Laserchirurgie und der Netzhautbildgebung zu erreichen.

Eines der wichtigsten Teilgebiete der Biotechnologie ist das Tissue Engineering, das ebenso wie die Gentechnik (auf die weiter unten eingegangen wird) eine erhebliche Überschneidung mit dem BME aufweist.

Eines der Ziele des Tissue Engineering ist es, künstliche Organe aus biologischem Material herzustellen, um Menschen, die Organe benötigen, Transplantate zur Verfügung zu stellen. Biomedizintechniker forschen derzeit an verschiedenen Möglichkeiten, solche Organe herzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben Forscher menschliche Stammzellen entnommen und feste Kieferknochen und Luftröhrenstrukturen hergestellt. Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, künstliche Harnblasen effektiv in menschliche Patienten zu transplantieren, nachdem sie in Labors hergestellt wurden. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung sind bioartifizielle Organe, also Organe, die sowohl aus synthetischen als auch aus biologischen Komponenten hergestellt werden. Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung von Leberunterstützungssystemen, die aus Leberzellen in einem künstlichen Bioreaktor konstruiert werden.

Die direkte Manipulation der Gene eines Organismus wird mit einer Reihe verschiedener Namen bezeichnet, darunter Gentechnik, rekombinante DNA-Technologie, genetische Modifikation/Manipulation (GM) und Gen-Spleißen. Im Gegensatz zur konventionellen Züchtung, die eine indirekte Form der genetischen Manipulation darstellt, bedient sich die Gentechnik zeitgemäßer Werkzeuge wie dem molekularen Klonen und der Transformation, um die Struktur und Eigenschaften von Genen, die im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Untersuchung stehen, direkt zu verändern. In zahlreichen Anwendungen ist es gelungen, gentechnisch basierte Ansätze zu nutzen. Beispiele hierfür sind die Entwicklung der Pflanzentechnologie (die keine medizinische Anwendung ist; weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Biological Systems Engineering), die Herstellung von synthetischem Humaninsulin unter Verwendung modifizierter Bakterien, die Produktion von Erythropoietin in Eierstockzellen von Hamstern und die Herstellung neuartiger Versuchsmäuse für Forschungszwecke, wie z. B. der Onkomaus (Krebsmaus). [Zitat erforderlich]

Neural Engineering, das oft als Neuroengineering bezeichnet wird, ist ein Studiengebiet, das ingenieurwissenschaftliche Methoden verwendet, um neuronale Systeme zu verstehen, zu reparieren, zu ersetzen oder zu verbessern. Entwurfsschwierigkeiten, die an der Schnittstelle zwischen lebendem Nervengewebe und nicht-lebenden Konstruktionen auftreten, können Neuroingenieure nur aufgrund ihrer besonderen Qualifikation bewältigen. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, die vom Neural Engineering profitieren können, darunter die Herstellung von Prothesen in der Zukunft. Zur Veranschaulichung: Kognitive neuronale Prothesen (CNP) sind derzeit Gegenstand umfangreicher Forschung. Im Erfolgsfall würde diese Technologie es ermöglichen, dass ein Chip-Implantat Signale liefert, die es Personen, die Prothesen tragen, ermöglichen würden, Hilfsmittel zu bedienen.

Die Bereiche Drug Engineering, New Drug Delivery und Targeting, Pharmazeutische Technologie, Unit Operations of Chemical Engineering und Pharmazeutische Analytik sind alle im Bereich Pharmaceutical Engineering enthalten, das eine interdisziplinäre Wissenschaft ist. Aufgrund der Tatsache, dass es sich auf den Einsatz von Technologie für chemische Wirkstoffe konzentriert, um eine bessere medizinische Behandlung zu ermöglichen, könnte es als Bestandteil des Bereichs der Pharmazie angesehen werden.

Im Kern umfasst diese Kategorie alle Gesundheitsprodukte, die ihren beabsichtigten Nutzen nicht primär durch chemische (z. B. Arzneimittel) oder biologische (z. B. Impfungen) Mittel erzielen und keinen Stoffwechsel...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.1.2025
• Übersetzer: Daniel Hueber
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• ISBN-10: 0-00-069332-4 / 0000693324
• ISBN-13: 978-0-00-069332-7 / 9780000693327