یکی از چالش‌های ساخت اسکلت بیرونی، تهیه کردن قطعات آن در کمترین زمان است. در کنار امکانات و ابزارهای دیگر، فناوری چاپ سه‌بعدی در مرحله ارزیابی و تغییر دادن سریع قطعات می‌تواند کمک بزرگی به پژوهشگران کند. چشم‌انداز نهایی برای این اسکلت بیرونی فعال امکان کنترل اسکلت توسط خود کاربر است به‌گونه‌ای که به جای کنترل اسکلت با جوی استیک یا کلیدها و عملگرهای خارجی، کاربر با استفاده از ذهن خود دستور جلورفتن و یا عقب رفتن ایستادن و نشستن به اسکلت بدهد.
با کنار هم قرار گرفتن اسکلت بیرونی کنترل‌شونده با مغز و مفاصل مکانیکی، افراد پاراپلژیک قادر به راه‌رفتن خواهند شد.
خوزه کنترراس-ویدال (Jose Contreras-Vidal) مدیر آزمایشگاه پژوهشی دانشگاه هوستون عقیده دارد: «در صورتی که بتوانیم امکانات راه رفتن دوباره افراد پاراپلژیک را فراهم کنیم تاثیر اجتماعی بالای آن را خواهیم دید.» ایالات متحده آمریکا در حدود شش میلیون فرد پاراپلژیک دارد. تخمین زده شده است که هزینه مراقبت مادام‌العمر از یک فرد ۲۵ ساله که به خاطر آسیب نخاعی ناتوان شده است نزدیک به سه میلیون دلار خواهد بود. کنترراس-ویدال می‌گوید: «با توانبخشی افراد پاراپلژیک، این افراد می‌توانند دوباره کار کنند و توانایی آنها نسبت به قبل افزایش می‌یابد. فرد دارای احساس بهتر و شادتر خواهد شد و در پی آن خانواده و خویشاوندان و همکاران او نیز احساس بهتری خواهند داشت.»
یک گروه پژوهشی چند رشته‌ای شامل مهندسان، دانشمندان اعصاب، متخصصان بهداشت و دانشجویان آزمایشگاه سامانه‌های رابط مغز-رایانه غیرتهاجمی دانشگاه هوستون با کمک شرکت Proto Labs در ساخت یک اسکلت بیرونی فعال با یکدیگر همکاری می‌کنند.
شرکت Labs Proto قطعات آلومینیومی موردنیاز مفاصل این اسکلت بیرونی فعال را فراهم می‌کند.
یکی از چالش‌های ساخت اسکلت بیرونی، تهیه کردن قطعات آن در کمترین زمان است. در کنار امکانات و ابزارهای دیگر، فناوری چاپ سه‌بعدی در مرحله ارزیابی و تغییر دادن سریع قطعات می‌تواند کمک بزرگی به پژوهشگران کند. چشم‌انداز نهایی برای این اسکلت بیرونی فعال امکان کنترل اسکلت توسط خود کاربر است به‌گونه‌ای که به جای کنترل اسکلت با جوی استیک یا کلیدها و عملگرهای خارجی، کاربر با استفاده از ذهن خود دستور جلورفتن و یا عقب رفتن ایستادن و نشستن به اسکلت بدهد.
با این‌که آزمایشگاه هوستون در سامانه‌های رابط مغز-رایانه تجربه زیادی دارد ولی طراحی ربات اسکلت بیرونی فعال همراه با سخت‌افزار آن نخستین تجربه آنها به شمار می‌آید. در ابتدا هدف گروه پژوهشی آماده کردن اسکلت بیرونی فعال برای شرکت در رقابت بین‌المللی Cybathlon در ماه اکتبر بود. در این رقابت افراد ناتوان می‌توانستند آخرین فناوری‌های کمکی را امتحان کنند. بسیاری از گروه‌های شرکت‌کننده با شرکتهای تجاری با تجربه رقابت می‌کردند. گروه پژوهشی زیر نظر کنترراس-ویدال باید در کمتر از ده ماه اسکلت بیرونی را برای رقابت آماده می‌کرد. این در حالی است که اسکلت بیرونی که به تازگی مجوز سازمان غذا و داروی آمریکا را دریافت کرده نتیجه نزدیک به ده سال پژوهش و تلاش پیوسته بوده است.
سامانه‌های با پلتفرم بسته، توسعه رابط مغز-رایانه را با محدودیت روبرو می‌کنند.
کنترراس-ویدال می‌گوید: «آزمایشگاه رابط مغز-رایانه بر مطالعه دستگاه‌هایی تمرکز دارد که دستور را از مغز می‌شنوند و مفهوم آن را استخراج می‌کنند و پس از آن سیگنال‌های مغزی را برای کنترل ربات‌های پوشیدنی به کار می‌گیرند.»
در آزمایش‌ها، از رابط‌های مغز-رایانه برای کنترل اسکلت‌های بیرونی بالاتنه و پایین تنه استفاده می‌شود. فرایند «شنیدن» با کمک کلاه الکتروانسفالوگرام (EEG) اجرا می‌شود. این کلاه شامل الکترودهایی است که فعالیت‌های الکتریکی مغز را آشکار می‌کند.
پژوهشگران کار روی ربات پوشیدنی با شش مفصل فعال را آغاز کردند. پوشش مفاصل مکانیکی و عضله‌ها از جنس آلومینیوم هستند و توسط شرکت Labs Proto فراهم شده‌اند.
رابط مغز-رایانه امواج مغزی کاربر را هنگام انجام حرکات با اسکلت بیرونی اندازه‌گیری می‌کند. سامانه رابط مغز-رایانه از الگوریتم‌های پیشرفته‌ای برای ترسیم نقشه امواج مغزی کاربر با هدف شناسایی نوع حرکت بهره می‌برد. همچنین این رابط یاد می‌گیرد که سیگنال‌های مغزی منطبق با نوع حرکت مشخص را تفسیر کند تا برای مثال بفهمد کاربر تصمیم دارد راه برود یا بایستد. کاربر نیز باید آموزش ببیند حالت‌های ذهنی داشته باشد که رابط بتواند آنها را به‌درستی تفسیر کند. آزمایشگاه از انواع روش‌های یادگیری ماشینی برای آموزش رابط مغز-رایانه با هدف کنترل اسکلت بیرونی پایین‌تنه استفاده می‌کند.
کنترراس-ویدال خاطر نشان می‌کند:« ما نخستین گروهی هستیم که رابط مغز-رایانه غیرتهاجمی را برای فرمان دادن به اسکلت بیرونی افراد پاراپلژیک استفاده کرده‌ایم.»
تلاش برای بهبود سامانه رابط مغز-رایانه ادامه دارد. البته موانعی در این راه وجود دارد. اکثر شرکتهای سازنده اسکلت بیرونی اجازه نمی‌دهند رابط مغز-رایانه طراحی شده بر اسکلت بیرونی آنها آزمایش شود و در واقع سامانه اسکلت بیرونی آنها دارای پلتفرم بسته است. شرکت نیوزیلندی Rex Bionics به گروه پژوهشی دانشگاه هوستون اجازه داد که رابط مغز-رایانه خود را برای کنترل اسکلت بیرونی آنها به کار گیرند. برای حل مشکل، کنترراس-ویدال تصمیم گرفت که سخت‌افزار اسکلت بیرونی خود را بعنوان نخستین پلتفرم باز بسازد و سامانه‌های کنترلی در حال توسعه را بر روی آن آزمایش کند.
فراهم شدن سریع قطعات مکانیکی به پیشرفت فناوری اسکلت بیرونی کمک می‌کند.
گروه پژوهشی ربات پوشیدنی را با شش مفصل فعال ران و زانو و مچ پا طراحی کرد. پوشش مفاصل اسکلت از جنس آلومینیوم است. چون بخش کنترلی اسکلت بیرونی فقط با وجود سخت‌افزار اسکلت قابل آزمایش است، سرعت آماده شدن قطعات موضوع مهمی برای پیشرفت پروژه است. در این پروژه شرکت Proto Labs این قطعات را برای آزمایشگاه تهیه کرده است. جفری ژرژ (Jeffrey Gorges) تکنسین ارشد آزمایشگاه هوستون توضیح می‌دهد که چگونه تولید و تغییر سریع قطعات نمونه‌سازی وقطعات نهایی بر پیشرفت سریع سامانه رابط مغز-رایانه تاثیر داشت.
گروه با کمک چاپگر سه‌بعدی خود نسخه اول بدنه را برای ارزیابی مونتاژ و محل قرارگیری اجزای داخل اسکلت بیرونی ساخت. همچنین از چاپ سه‌بعدی برای تولید محفظه‌های مختص بخش الکترونیکی و اتصالات کربن-فیبر استفاده کرد. کالج پزشکی بیلور (Baylor) در هوستون مسئولیت ساخت اتصالات فیبر کربنی را برعهده داشت. با این حال پژوهشگران نمی‌توانستند برای آزمون‌های بارگذاری اسکلت از نمونه چاپ سه‌بعدی استفاده کنند. برای همین شرکت Proto Labs یک نمونه اسکلت تک مفصل آماده کرد. برای وزن کمتر و مقاومت بیشتر جنس قطعات مربوط به تحمل بار از آلومینیوم ۷۰۷۵ مخصوص بدنه هواپیما انتخاب شد. مهم‌ترین پارامترها برای انتخاب جنس بدنه اسکلت، کاهش وزن و اندازه و درعین حال قیمت منطقی است.
ثبت اختراع، تایید قانونی FDA و شرکت در رقابت Cybathlon
هم‌اکنون اسکلت بیرونی و رابط مغز-رایانه دارای مدرک ثبت اختراع است. همچنین گروه پژوهشی در تلاش است پس از آماده شدن نمونه نخست اسکلت بیرونی، بتوانند مجوز سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) را دریافت کنند. توسعه اسکلت بیرونی و آموزش رابط مغز-رایانه و کاربر با هدف شرکت در رقابت Cybathlon ادامه دارد. گروه همچنین نگاهی به تجاری‌سازی اسکلت بیرونی دارد تا آن را برای افراد پاراپلژیک آماده کند.
درباره رابط‌های مغز-رایانه بیشتر بخوانید:
>> نقش جدید رابط‌های مغز و رایانه در توانبخشی درمانگاهی
منبع: Makepartsfast
