VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Инновационный Бионический протез кисти руки “АНО МИР”
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Моя научно-исследовательская работа является инновационной разработкой создания, напечатанного на 3D принтере продвинутого протеза кисти.
Протезирование представляет собой важный этап процесса социально-трудовой реабилитации человека, утратившего конечности, или страдающего заболеваниями опорно-двигательного аппарата.
В современном мире одним из распространённых видов создания протезов является аддитивное производство. Это обусловлено возможностью изменить конструкцию протеза для конкретного пользователя, простотой производства на 3D принтере и значительно более низкой стоимости 3D протезирования, делают его гораздо более привлекательным вариантом.
Цель и задачи
Целью моей работы является создание устройства с использованием инновационных технологий для замены утраченных или необратимо повреждённых конечностей руки человека, напечатанное на 3D принтере.
Для достижения были поставлены следующие задачи:
Изучить возможности применения принципов организации и функционирования живо материи при создании технических систем и устройств.
Изучить закономерность структур и функций отдельных частей организма человека.
Изучить биоэнергетику для создания экономичных двигателей, подобных мышцам.
Исследовать принципы, позволяющие достичь высокие надежности биологических систем и функций организма человека, способной к адаптации.
На основе изученного создать трёхмерную модель протеза кисти руки и напечатать её на 3D принтере.
Оборудовать протез сервоприводами и контроллером Arduino.
Провести ряд испытаний, в ходе которых протез будет удерживать предметы разной формы.
1. Принцип действия протеза
После травмы или в ходе болезни конечность ампутируют. Оставшаяся часть состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик, установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса участвует сложная компьютерная программа.
Поэтому бионический протез может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны. Но на этом прогресс не останавливается.
2. Процесс создания и печати 3д модели
В первую очередь создается трехмерная модель.
Чтобы создать трёхмерное тело нужно построить 3D модель с помощью программы для 3D моделирования или САПР.
3D печать — это процесс создания твердотельных, трехмерных объектов из цифровых файлов.
Окончательная модель загружается в 3D принтер, и он выращивает объект последовательно слой за слоем.
Расплавленный пластик выдавливается через сопло в виде тонкой нити. Один слой за один раз. Так последовательно вырастает физический объект пока он не будет создан. Слои между собой так плотно слиты, что тяжело различимы человеческим глазом. Потом были удалены поддержки и произведена обработка всего пластика ацетоном для упрочнения слоёв.
3. Создание бионического протеза кисти руки «АНО МИР»
3D печать существенно упростит процедуру протезирования.
Я хочу представить напечатанный на 3D принтере, продвинутый протез кисти – в модели использованы инновационные механизмы, которые упростят важный этап процесса социально-трудовой реабилитации человека, утратившего кисть руки. Напечатанная на 3D принтере рука оборудована сервоприводами и контроллером Arduino.
Для печати использовался пластик ABS. Фаланги пальцев печатались с помощью поддержек.
Выбор аддитивного производства обусловлен возможностью изменить конструкцию протеза для конкретного пользователя. Конструкция механизма позволяет пальцам удерживать предметы максимально естественным образом.
Проведён ряд испытаний, в ходе которых с помощью протеза удалось удерживать предметы разной формы. Благодаря усовершенствованной конструкции протез позволил успешно поднять большинство предметов с ровной поверхности.
4. Компьютерная программа для прошивки контроллера Arduino
Среда разработки Arduino написана на Java. В неё входит простой редактор кода, обработчик компилятора и процедура обновления прошивки микроконтроллеров. IDE замечательно подойдёт начинающим программистам, владеющим С и С++.
5. Достоинства протеза кисти руки напечатанного на 3D принтере
Стоимость
Коммерческое производство протезов обычно стоит от 200 000 до 3 000 000 рублей. Это означает, что огромное число уникальных людей во всем мире не могут позволить себе протезирование и 3D печать позволит значительно повысить их качество жизни, т.к. стоимость протезов, напечатанных на 3D принтере составляет от 5 000 до 15 000 рублей.
Скорость
Произведенный по обычной технологии протез, обычно может быть сделан только один раз и это обычно занимает несколько недель или даже месяцев, чтобы произвести калибровку и подгонку для каждого человека. Создание протеза на 3D принтере может занять от 1 дня до недели.
Универсальность
Протез, изготовленный на 3D принтере можно легко настроить и подогнать под каждого человека. Дизайнерские, укрепленные, цветные, со своим рисунком и надписью.
3D печать позволяет создавать сложные и разнообразные конструкции за считанные часы. Конструкция может быть разработана с учетом индивидуального использования, в том числе активного отдыха, вроде езды на велосипеде и альпинизма. С учетом традиционных методов производства, это будет стоить целое состояние и 5 000 – 15 000 тысяч рублей при производстве на 3D принтере.
Рост
Учитывая тот факт, что дети растут, физически уникальный ребенок будет очень быстро перерастать протез. Замена конечности, пока ребёнок не достигнет зрелости может быть довольно дорогим процессом.
Это на самом деле оказывается не так просто для семей, вынужденных выплачивать по 500 000 тысяч рублей каждый год.
Простота производства на 3D принтере и значительно более низкая стоимость 3D протезирования, делают его гораздо более привлекательным вариантом.
Комфорт
Производство протезов при помощи 3D принтера позволяют подогнать механизм индивидуально под каждого пользователя и заменить его в течении короткого времени, а такая технология как 3D сканирование передадут в конструкции каждый индивидуальный элемент конечности.
6. Заключение
Результаты научно-исследовательской работы:
Я изучила:
возможности применения принципов организации и функционирования живо материи при создании технических систем и устройств.
закономерность структур и функций отдельных частей организма человека.
биоэнергетику для создания экономичных двигателей, подобных мышцам.
Исследовала принципы, позволяющие достичь высокие надежности биологических систем и функций организма человека, способной к адаптации.
Мне удалось на основе изученного материала создать трёхмерную модель протеза кисти руки и напечатать её на 3D принтере, оборудовать протез сервоприводами и контроллером Arduino, провести ряд испытаний, в ходе которых протез удерживал предметы разной формы.
Данный проект возможно реализовывать на кружках в объединениях технического моделирования и проектирования.
Используемые источники информации
Айзман, Лысова. «Возрастная анатомия и физиология. Учебное пособие»
Борис Моносов. «Фаербол 1»
Петров В.Г., Замиладский Ю.И., Буров Г.Н., Курдыбайло С.Ф. «Технология изготовления протезов верхних конечностей»
Программа на компьютер для прошивки контроллера Arduino https://all-arduino.ru/arduino-ide/
Протезирование https://ru.wikipedia.org/wiki/Протезирование