Миорестлинг
КЕЙС
Кейс-лонгрид для наставников образовательных организаций в рамках проведения мероприятия «Педагогическая мастерская» Всероссийской ярмарки технологических проектов «Павильон инженерных идей»
Проверь силу мыщц с помощью нейротехнологий!
с использованием датчиков ЭМГ и светодиодной индикации
О ЧЁМ КЕЙС?
Представляем Вам простую игру "Миорестлинг", в которой два игрока соревнуются в силе мышц. Каждый игрок подключает датчик электромиограммы (ЭМГ) к мышце через электроды. Сигналы с датчиков поступают на Arduino, которое сравнивает уровни мышечного напряжения и определяет победителя. Результат отображается с помощью трех светодиодов:

Зеленый светодиод: Победа первого игрока.
Желтый светодиод: Победа второго игрока.
Красный светодиод: Ничья.
КОМУ ПОЛЕЗЕН КЕЙС?
Данный кейс будет особенно полезен для тех, кто интересуется медициной и нейротехнологиями. Он имеет межпредметные связи с биологическими науками, физикой и информатикой (программированием), что способствует повышению интереса к электронике и программированию.
В рамках данного кейса рассматривается метод функциональной диагностики «электромиография» и его применение в различных проектах. Кейс позволяет применять теоретические знания на практике, работая с микроконтроллерами, датчиками и программированием. Кейс помогает развить навыки сборки электронных схем, программирования на языке C/C++ и работы с медицинскими датчиками.
Вам и Вашим ученикам предоставляется возможность творчески модифицировать и улучшать проект, добавляя новые функции и компоненты.
ТРЕНДЫ И ИННОВАЦИИ
В настоящее время в России существует рынок НТИ Нейронет, который включает инструменты для человеко-машинных коммуникаций. Эти инструменты основаны на современных разработках в области нейротехнологий и направлены на повышение эффективности человеко-машинных систем, а также на улучшение психических и мыслительных процессов.

Актуальность изучения нейротехнологий, лишь небольшую часть которых охватывает данный кейс, объясняется недостаточной изученностью нейронных процессов, наличием множества связанных с ними заболеваний, а также необходимостью совершенствования и укрепления когнитивных и физиологических способностей человека.
КАК ВЫ МОЖЕТЕ ПОМОЧЬ ШКОЛЬНИКАМ ВКЛЮЧИТЬСЯ?
Учащиеся, заинтересованные в данном направлении, могут принять участие в Национальной технологической олимпиаде по профилю «Нейротехнологии и когнитивные науки».
Информация о других мероприятиях для детей и для педагогов по нейротехнологиям доступна на сайте компании BiTronics в разделе «Академия».
СТРУКТУРА КЕЙСА
Кейс включает описание базовых элементов современной схемотехники и электроники на основе Arduino и Iskra (российский аналог Arduino), а также проект «Миорестлинг». В нем представлены этапы выполнения с иллюстрациями и дополнительные материалы.
ДЛЯ РАБОТЫ НАД КЕЙСОМ ПОНАДОБИТСЯ
ЛИКБЕЗ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ
ХОД РАБОТЫ
1
Схема подключения:
  1. Подключите VCC датчиков ЭМГ к 5V на Arduino.
  2. Подключите GND датчиков ЭМГ к GND на Arduino.
  3. Подключите выводы сигнала датчиков ЭМГ к аналоговым выводам A0 и A1 на Arduino.
  4. Подключите анод (длинная ножка) каждого светодиода к цифровым выводам Arduino через резисторы 220 Ом.
  5. Подключите катод (короткая ножка) каждого светодиода к GND на Arduino.
Пример подключения:
  • Зеленый светодиод: 220 Ом резистор между цифровым выводом 11 и анодом, катод к GND.
  • Желтый светодиод: 220 Ом резистор между цифровым выводом 9 и анодом, катод к GND.
  • Красный светодиод: 220 Ом резистор между цифровым выводом 10 и анодом, катод к GND.
2
На компьютере откройте среду разработки Arduino IDE и напишите следующий скетч. Обратите внимание на комментарии в программе.
// Определяем выводы для светодиодов
#define LED_GREEN 11
#define LED_YELLOW 9
#define LED_RED 10

// Определяем аналоговые выводы для датчиков ЭМГ
#define EMG1_PIN A0
#define EMG2_PIN A1

void setup() {
// Настройка выводов светодиодов как выходы
pinMode(LED_GREEN, OUTPUT);
pinMode(LED_YELLOW, OUTPUT);
pinMode(LED_RED, OUTPUT);

// Инициализация последовательного порта для отладки
Serial.begin(9600);
}

void loop() {
// Уведомляем участников о том, что через три секунды старт, включив все светодиоды
digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);
digitalWrite(LED_YELLOW, HIGH);
digitalWrite(LED_RED, HIGH);
delay(3000);
// Участники начинают соревнование, светодиоды отключатся на две секунды
digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
digitalWrite(LED_YELLOW, LOW);
digitalWrite(LED_RED, LOW);
delay(2000);

// Считываем значения с датчиков ЭМГ
int emg1Value = analogRead(EMG1_PIN);
int emg2Value = analogRead(EMG2_PIN);

// Выводим значения датчиков в последовательный порт
Serial.print("EMG1: ");
Serial.print(emg1Value);
Serial.print(" EMG2: ");
Serial.println(emg2Value);

// Сравниваем значения датчиков и определяем победителя
if (emg1Value > emg2Value) {
// Победа первого игрока
digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);
digitalWrite(LED_YELLOW, LOW);
digitalWrite(LED_RED, LOW);
} else if (emg2Value > emg1Value) {
// Победа второго игрока
digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
digitalWrite(LED_YELLOW, HIGH);
digitalWrite(LED_RED, LOW);
} else {
// Ничья
digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
digitalWrite(LED_YELLOW, LOW);
digitalWrite(LED_RED, HIGH);
}

// Задержка для фиксации показаний
delay(10000);
}
3
С помощью кабеля USB подключите Arduino к компьютеру. Загрузите скетч на плату с помощью кнопки
4
Закрепите одноразовые электроды на участнике Миорестлинга: опорный электрод (отличается цветом) на предплечье участок, где нет мышц, два сигнальных электрода расположите на внутренней поверхности предплечья ближе к локтевой ямке так, как показано на рисунке.
ИТОГОВЫЙ ПРОДУКТ
Готовое устройство передачи сигнала SOS будет выглядеть так
«ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ»
Внутри своей команды проведите турнир по миореслингу. Закрепите электроды на всех участников.
Откройте файл «Турнир Мио – личный зачет», по очереди проведите турнирные испытания (каждый участник против каждого соперника). Результаты впишите в таблицу, обратите внимание на инструкцию в таблице.



Кроме того, можно провести турнир между командами:
Пригласите команду, которая выполняла этот же кейс для соревнования. Выберите по 3 человека от команды для участия в турнире. Закрепите электроды на всех участников.
Откройте файл «Турнир Мио», по очереди проведите турнирные испытания (каждый участник первой команды против каждого участника второй команды). Результаты впишите в таблицу, обратите внимание на инструкцию в таблице.

ВОПРОСЫ ДЛЯ РЕФЛЕКСИИ
Рекомендуем Вам проверить себя с помощью вопросов, направленных на дальнейшее развитие продуктового результата. Вы также можете использовать данные вопросы для проведения рефлексии со своими учащимися по итогам выполнения кейса. Для Вашего удобства вопросы систематизированы по 6 уровням академических результатов по Б.Блуму
ЧТО ДАЛЬШЕ?
На основе метода электромиографии мы можем создавать различные системы исследования мышечных сокращений, тренажеры с биологической обратной связью, позволяющие тренировать способность управлять мышечным напряжением и расслаблением.
Это применимо в различных сферах: медицина, спорт, физиология животных.

БАНК ИДЕЙ
Предлагаем Вам познакомиться с другим вариантами кейсов, которые можно выполнить с тем же или несколько измененным (дополненным) набором электронных комплектующих:
Идея для кейса № 1. Измерение электровозбудимости мышц
Цель: Анализ и понимание работы мышц при помощи модуль ЭМГ.

Описание: Школьники используют модуль ЭМГ для измерения электрической активности мышц при выполнении различных упражнений. Данные отображаются на экране, и учащиеся могут наблюдать, как изменяется активность.
Идея для кейса № 2. Мониторинг сердечного ритма
Цель: Изучение работы сердечно-сосудистой системы с использованием модуля Пульса.

Описание: Создание системы для отслеживания пульса. Школьники учатся анализировать данные, определять нормальные и аномальные значения пульса при различных условиях (например, в состоянии покоя и после физической активности).
Идея для кейса № 3.Анализ мозговой активности с помощью ЭЭГ
Цель: Исследование основы психофизиологии, используя модуль ЭЭГ.

Описание: Проведение экспериментов с использованием ободка ЭЭГ для записи активности мозга во время различных задач (например, концентрация, релаксация). Анализ данных на предмет различий в мозговой активности.
Идея для кейса № 4. Изучение реакции на визуальные стимулы
Цель: Связь между визуальными стимулами и реакцией мозга.

Описание: Школьники могут показывать разные визуальные изображения и фиксировать реакцию мозга с помощью ЭЭГ. Сравнение данных и изучение, как различные стимулы влияют на активность мозга.
Идея для кейса № 5. Контроль за дыхательной активностью
Цель: Понимание физиологии дыхания с помощью электродов КГР.

Описание: Использование электрода для контроля и анализа дыхательной активности. Школьники смогут собирать данные о частоте дыхания и глубине вдоха при различных активностях (например, во время физической нагрузки).
Идея для кейса № 6. Чтение эмоций по анализу ЭЭГ
Цель: Исследование связи между эмоциями и мозговой активностью.

Описание: Проведение эксперимента для измерения эмоциональной реакции на музыку или видеозаписи с использованием ЭЭГ. Анализ полученных данных для выявления закономерностей.
Идея для кейса № 7. Изучение взаимодействия между сердечным ритмом и уровнем стресса
Цель: Исследование взаимосвязи между эмоциями и сердечным ритмом.

Описание: Наблюдение за изменениями пульса при выполнении заданий на внимание или во время стресса (например, публичное выступление). Анализ полученных данных.
Идея для кейса № 8. Создание простого интерфейса для управления техникой
Цель: Разработка интерфейса с использованием нейротехнологий.

Описание: Создание системы, в которой пользователи могут управлять простыми устройствами (например, светодиодами) с помощью сигналов, получаемых от ЭЭГ. Исследовать возможности взаимодействия с компьютерными играми или другими приложениями.
Идея для кейса № 9. Ознакомление с принципами ЭКГ
Цель: Изучение работы сердца с использованием модуля ЭКГ.

Описание: Проведение экспериментов на определение сердечного ритма и выявление аномалий, а также понимание принципов работы кардиосистемы.
ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ И РЕСУРСЫ
АВТОР КЕЙСА
Пушкарев Михаил Сергеевич

учитель информатики
МАОУ СОШ №19 г. Томска, ассистент кафедры медицинской и биологической кибернетики СибГМУ

Illustration by Icons 8 from Ouch!