برای سال‌ها، آزمایشگاه بیومکاترونیک استنفورد با شبیه‌سازهای اسکلت بیرونی تخیل را به تصویر می‌کشید. این شبیه‌سازها دستگاه‌های رباتیک مبتنی بر آزمایشگاه هستند که به کاربران کمک می‌کنند سریع‌تر و با تلاش کمتر راه بروند و بدوند. اکنون، این پژوهشگران از نخستین اسکلت بیرونی خود برای دنیای واقعی رونمایی کردند. با مجله فناوریهای توان‌افزا وپوشیدنی همراه باشید.
استیو کالینز، دانشیار مهندسی مکانیک که رهبری آزمایشگاه بیومکاترونیک استنفورد را بر عهده دارد، می‌گوید: «این اسکلت بیرونی کمک را شخصی‌سازی می‌کند و موجب بهبودهای استثنایی در سرعت راه رفتن و صرفه جویی در مصرف انرژی می‌شود».
این “چکمه رباتیک” دارای موتوری است که با ماهیچه‌های ساق پا کار می‌کند و در گام برداشتن به کاربر کمک می‌کند. اما، برخلاف دیگر اسکلت‌های بیرونی موجود، این کمک به لطف یک مدل یادگیری ماشینی شخصی‌سازی شده است؛ مدلی که طی سال‌ها کار با استفاده از شبیه‌سازها آموزش دیده.
Patrick Slade که روی این اسکلت بیرونی کار می‌کرد، می‌گوید: «روی تردمیل، دستگاه ما دو برابر اسکلت‌های بیرونی پیشین در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند. در دنیای واقعی، این به معنای صرفه‌جویی قابل توجه در انرژی و بهبود سرعت راه رفتن است».
هدف نهایی این است که به افراد مبتلا به اختلالات حرکتی، به ویژه افراد مسن کمک کنیم تا هر طور که دوست دارند حرکت کنند. این گروه پژوهشی معتقد است که این فناوری برای تجاری‌سازی در چند سال آینده آماده است.
Ava Lakmazaheri، دانشجوی فارغ‌التحصیل آزمایشگاه بیومکاترونیک که در آزمایش‌ها این اسکلت بیرونی را پوشید، می‌گوید: «هنگام راه رفتن با اسکلت بیرونی احساس می‌کنید که یک فنر اضافی در پای خود دارید و این گام بعدی را بسیار آسان‌تر می‌کند».
اسکلت بیرونی برای دنیای واقعی
مانع اصلی برای یک اسکلت بیرونی مؤثر در گذشته شخصی‌سازی بود. کالینز توضیح داد: «بیشتر اسکلت‌های بیرونی با استفاده از ترکیبی از شهود یا بیومیمیک طراحی شده‌اند، اما افراد بسیار پیچیده و متنوع هستند و این نمی‌تواند به خوبی کار کند.»
برای حل این مشکل، گروه به شبیه‌سازهای اسکلت بیرونی خود تکیه کرد؛ مجموعه‌های آزمایشگاهی بزرگ، بی‌حرکت و گران‌قیمتی که می‌توانند به سرعت بهترین شیوه کمک به افراد و طرح‌های اولیه دستگاه‌های قابل حمل و مؤثر را برای استفاده در خارج از آزمایشگاه آزمایش کنند. با اتصال دانشجویان و داوطلبان به شبیه‌سازها، پژوهشگران داده‌های مربوط به حرکت و هزینه انرژی را جمع‌آوری کردند تا بفهمند شیوه راه رفتن یک فرد با اسکلت بیرونی چگونه با میزان انرژی مصرف شده مرتبط است.
این داده‌ها مزایای نسبی انواع مختلف کمک ارائه شده توسط شبیه‌ساز را نشان میدهد. همچنین به ساخت یک مدل یادگیری ماشینی برای انطباق اسکلت بیرونی دنیای واقعی با هر کاربر کمک می‌کند. برخلاف شبیه‌ساز، اسکلت بیرونی واقعی می‌تواند بر حرکت تنها با استفاده از حسگرهای پوشیدنی ارزان قیمت که در چکمه تعبیه شده است، نظارت کند.
Slade گفت: «ما نیرو و حرکت مچ پا را از طریق ابزارهای پوشیدنی اندازه می‌گیریم تا کمک دقیقی ارائه دهیم. با انجام این کار، می‌توانیم هنگام راه رفتن افراد، دستگاه را با دقت کنترل کنیم و به روشی ایمن و بدون مزاحمت به آنها کمک کنیم.»
بهبود راه رفتن
اسکلت بیرونی راه رفتن را آسان‌تر می‌کند و می‌تواند با اعمال گشتاور در مچ پا، سرعت را افزایش دهد و بخشی از عملکرد ماهیچه ساق پا را جایگزین کند. هنگامی که کاربران گامی برمی‌دارند، درست پیش از اینکه انگشتان پاهایشان از زمین بلند شود، دستگاه به آنها کمک می‌کند تا از زمین جدا شوند.
هنگامی که یک فرد برای نخستین بار از اسکلت بیرونی استفاده می‌کند، هر بار که فرد راه می‌رود، مدل کمک متفاوتی را ارائه میدهد. با اندازه‌گیری حرکت به دست آمده، مدل یادگیری ماشینی تعیین می‌کند که دفعه بعد که فرد راه می‌رود چگونه بهتر به او کمک کند. تنها یک ساعت پیاده‌روی طول می‌کشد تا اسکلت بیرونی برای یک کاربر جدید سفارشی شود. در آزمایش‌ها، پژوهشگران دریافتند که اسکلت بیرونی آنها فراتر از انتظارات آنهاست.
کالینز گفت: «کمک بهینه به مردم این امکان را میدهد تا ۹٪ سریع‌تر و با ۱۷٪ انرژی کمتر راه بروند؛ در مقایسه با راه رفتن با کفش‌های معمولی. این بزرگترین پیشرفت در سرعت و انرژی راه رفتن نسبت به هر اسکلت بیرونی تا به امروز بوده است. در مقایسه مستقیم روی تردمیل، اسکلت بیرونی ما حدود دو برابر دستگاه‌های پیشین مؤثرتر است.»
گام بعدی
گام بعدی برای اسکلت بیرونی این است که ببینیم چه کاری می‌تواند برای جمعیت هدف انجام دهد. جمعیت هدف سالمندان و افرادی هستند که کاهش تحرک به دلیل ناتوانی را تجربه کرده‌اند. پژوهشگران همچنین قصد دارند تغییراتی اعمال کنند تا اسکلت بیرونی تعادل را بهبود بخشد و درد مفاصل را کاهش دهد و با شرکای تجاری برای تبدیل دستگاه به محصول همکاری می‌کنند.
Slade می‌گوید: «این نخستین باری است که می‌بینیم یک اسکلت بیرونی صرفه‌جویی در مصرف انرژی را برای کاربران دنیای واقعی فراهم می‌کند. من معتقدم که در دهه آینده ما شاهد این ایده‌های شخصی‌سازی کمک‌ها و اسکلت‌های بیرونی قابل حمل و مؤثر خواهیم بود که به بسیاری از افراد کمک می‌کند تا بر چالش‌های حرکتی غلبه کنند یا توانایی خود را برای زندگی فعال، مستقل و معنادار حفظ کنند».
کالینز گفت: «ما حدود ۲۰ سال است که برای رسیدن به این هدف کار می‌کنیم و صادقانه بگویم از اینکه بالاخره توانستیم این کار را انجام دهیم، کمی متحیر هستم. من واقعاً فکر می‌کنم این فناوری به افراد بسیاری کمک خواهد کرد».
>> اسکلت بیرونی استنفورد سرعت دویدن را ۱۰ درصد افزایش میدهد
>> اسکلت بیرونی: یک فناوری نوین در خدمت آموزش و توانبخشی
منبع: techxplore
«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»
