پژوهشگران دانشگاه استنفورد در تست‌های آزمایشگاهی دریافتند اسکلت بیرونی مچ پا سرعت راه رفتن شرکت کنندگان را در مقایسه با سرعت معمول آنها حدود ۴۰ درصد افزایش میدهد. پژوهشگران امیدوارند این اسکلت بیرونی بتواند به بازیابی سرعت راه رفتن در افراد مسن کمک کند. با مجله فناوریهای توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.
ناتوانی در راه رفتن سریع می‌تواند ناامیدکننده و مشکل‌ساز باشد، اما این یک مسئله معمول است، به ویژه با افزایش سن افراد. مهندسان دانشگاه استنفورد با اشاره به فراگیر بودن راه رفتن آهسته‌تر از حد مطلوب، آزمایش کرده‌اند که چگونه یک نمونه اولیه اسکلت بیرونی به بهبود سرعت راه رفتن افراد کمک می‌کند. این اسکلت بیرونی به ساق پا و درون کفشی که فرد می‌پوشد متصل میشود.
این اسکلت بیرونی توسط موتورها تغذیه و با یک الگوریتم کنترل میشود. هنگامی که پژوهشگران آن را برای حرکت سریع بهینه کردند، شرکت کنندگان به طور متوسط ۴۲ درصد سریعتر از زمانی که کفش معمولی و بدون اسکلت بیرونی پوشیده بودند راه می‌رفتند. نتایج این مطالعه ۲۰ آوریل در IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. منتشر شد.
اسکلت بیرونی مچ پا و افزایش چشمگیر سرعت راه رفتن
استیو کالینز، استادیار مهندسی مکانیک در استنفورد و نویسنده ارشد این مقاله، گفت: «ما امیدوار بودیم که بتوانیم با کمک اسکلت بیرونی سرعت راه رفتن را افزایش دهیم، اما واقعاً متعجب شدیم که به چنین پیشرفت بزرگی دست پیدا کردیم. چهل درصد بسیار زیاد است».
برای آزمایش‌های اولیه، شرکت کنندگان بزرگسالان جوان و سالم بودند. با توجه به نتایج چشمگیر آنها، پژوهشگران قصد دارند آزمایش‌های آینده را با بزرگسالان مسن‌تر انجام دهند و راه‌های دیگر برای بهبود طراحی اسکلت بیرونی را بررسی کنند. آنها همچنین امیدوارند که در نهایت بتوانند یک اسکلت بیرونی ایجاد کنند که در خارج از آزمایشگاه کار کند.
سونگمون سونگ، فوق دکترای مهندسی مکانیک و از نویسندگان مقاله، گفت: «مأموریت من درک علم بیومکانیک و کنترل حرکتی انسان و استفاده از آن برای افزایش عملکرد فیزیکی انسان در زندگی روزمره است. من معتقدم اسکلت‌های بیرونی ابزاری بسیار امیدوار کننده هستند که می‌توانند به بهبود کیفیت فیزیکی کمک کنند».
شبیه ساز اسکلت بیرونی
سامانه اسکلت بیرونی مچ پا که در این پژوهش آزمایش شده است، یک شبیه‌ساز تجربی است که به عنوان یک بستر برای آزمایش طرح‌های مختلف عمل می‌کند. این اسکلت بیرونی قابی دارد که به دور ساق پا پیچیده میشود و در یک کفش که شرکت کننده می‌پوشد متصل میشود. این سامانه به موتورهای بزرگی متصل است که در کنار سطح تردمیل قرار دارند و یک بند متصل به پشت اسکلت بیرونی را می‌کشند. این بند که توسط یک الگوریتم کنترل میشود، پاشنه پا را به سمت بالا می‌کشد و به آنها کمک می‌کند تا انگشت خود را به زمین فشار دهند و از زمین جدا شوند.
برای این مطالعه، ۱۰ شرکت کننده با پنج حالت مختلف راه رفتند. آنها با کفش معمولی بدون اسکلت بیرونی، با اسکلت بیرونی خاموش و با اسکلت بیرونی روشن با سه حالت مختلف راه می‌رفتند: بهینه سازی شده برای سرعت بیشتر، بهینه سازی شده برای مصرف انرژی کمتر و حالت تسکین دهنده برای راه رفتن با سرعت کمتر. در همه آزمایش‌ها، شرکت کنندگان روی تردمیل راه می‌رفتند که با سرعت آنها سازگار بود.
راه رفتن در حلقه
حالت بهینه کننده سرعت، که منجر به افزایش ۴۲ درصدی سرعت راه رفتن شد، از طریق یک فرآیند انسان در حلقه ایجاد شد. یک الگوریتم حین راه رفتن کاربر مرتباً تنظیمات اسکلت بیرونی را تغییر میدهد، با این هدف که با هر بار تنظیم، سرعت کاربر را بهبود بخشد. یافتن حالت بهینه سرعت حدود ۱۵۰ دور تنظیم و دو ساعت برای هر نفر به طول انجامید.
افزون بر افزایش سرعت راه رفتن، حالت بهینه کننده سرعت موجب کاهش مصرف انرژی، حدود ۲ درصد در هر متر شد. با این حال، این نتیجه از فردی به فرد دیگر متفاوت بود، که تا حدودی قابل انتظار است.
سونگ گفت: «این مطالعه برای پاسخگویی ویژه به افزایش سرعت راه رفتن طراحی شده است. ما به سایر اقدامات عملکردی مانند راحتی یا انرژی اهمیت نمی‌دادیم. با این حال، از هر ۱۰ شرکت کننده هفت نفر نه تنها سریعتر راه می‌رفتند بلکه انرژی کمتری نیز مصرف می‌کردند. این نشان میدهد که اسکلت‌های بیرونی کمکی بالقوه برای افراد است».
تنظیماتی که به طور ویژه برای استفاده از انرژی بهینه‌سازی شده‌اند، از یک آزمایش قبلی گرفته شده‌اند. در مطالعه حاضر، این حالت بیش از تنظیمات بهینه کننده سرعت، موجب کاهش مصرف انرژی میشود اما سرعت را آنچنان افزایش نمی‌دهد. همانطور که در نظر گرفته شده است، حالت تسکین دهنده هم سرعت شرکت کنندگان را کاهش داده و هم موجب کاهش مصرف انرژی آنها شده است.
بهتر، سریعتر، قوی‌تر
اکنون که پژوهشگران به چنین سرعت قابل توجهی دست یافته‌اند، قصد دارند نسخه‌های بعدی اسکلت بیرونی مچ پا را بر کاهش مصرف انرژی و در عین حال راحتی بیشتر متمرکز کنند.
کالینز و آزمایشگاه وی با در نظر گرفتن بزرگسالان مسن‌تر، بررسی می‌کنند که آیا طراحی‌های آینده می‌تواند درد ناشی از وزن روی مفاصل را کاهش دهد یا تعادل را بهبود بخشد. آنها قصد دارند آزمایش‌های مشابه را با بزرگسالان مسن‌تر انجام دهند و امیدوارند که به نتایج دلگرم کننده‌ای دست یابند.
بیشتر بخوانیم:
>> با سیگنال های عصبی هدایت پروتزها و اسکلت های بیرونی آسان تر میشود
>> اسکلت بیرونی استنفورد سرعت دویدن را ۱۰ درصد افزایش میدهد
منبع: news.stanford.edu
«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»
