Micheal McClellan با سرعت گرفتن روی سه‌چرخۀ خوابیده انگشت شصت خود را بالا گرفته و تکان می‌دهد و در حالی که به سختی نفس می‌کشد از پشت عینک آفتابی تیره لبخند می‌زند. او در طول مسیری هموار دورتادور پارکی در Cleveland پدال می‌زند و در یک روز گرم ماه ژوئن از کنار کارمندان اداری که از ناهار خود در هوای آزاد لذت می‌برند عبور می‌کند. آنها بدون توجه به مرد سه‌چرخه سوار در حال جویدن ساندویج‌هایشان هستند. آنها نمی‌دانند که McClellan از کمر به پایین فلج است و  در حال تماشای اتفاقی فوق‌العاده هستند. این جلسه‌ای آموزشی برای یکی از نخستین دوچرخه‌سواران رقابت‌های جهانی سایبورگ است.

McClellan برای نخستین بازی‌های المپیک سایبورگ با نام Cybathlon که در استادیومی در زوریخ در اکتبر ۲۰۱۶ برگزار خواهد شد آماه می‌شود. در این بازی‌ها، رقبا فناوری‌های پیشرفته را برای جبران معلولیت‌هایشان همچون فلج بودن یا قطع عضو بکار خواهند گرفت. برای مثال، در مسابقۀ دوچرخه‌سواری رقبای فلج سامانه‌های تحریک الکتریکی را بکار خواهند گرفت تا پاهایشان را به حرکت در آورند. الکترود‌ها و ماهیچه‌ها با یکدیگر کار خواهند کرد تا دوچرخۀ آنها را به جلو حرکت دهند.

بله، پارا المپیک همین حالا نیز بستری را در اختیار ورزشکاران معلول قرار می‌دهد تا استعدادهایشان را نمایش دهند. ولی قوانین و اهداف Cybathlon متفاوت است. پارالمپیک بکارگیری تجهیزات موتوری را ممنوع می‌کند ولی Cybathlon از آنها استقبال می‌کند.

Robert Riener استاد موسسۀ فناوری فدرال سوئیس در زوریخ توضیح می‌دهد: «این رقابتها بیش از آن که دربارۀ سرعت و نیرو باشد، دربارۀ کنترل بدن و دستگاه است. به جای ستودن حرکت بدن انسان با قدرت خودش، بازی‌های سایبورگ قدرت و نبوغ همکاری ماشین و انسان را می‌ستاید. به همین دلیل است که رقبا در Cybathlon به جای ورزشکار، راهبر نامیده می‌شوند. هر تیم، از گروه فناوری و یک راهبر تشکیل شده است و در صورت کسب مدال، این افتخار متعلق به هردو گروه خواهد بود».

Riener که در آزمایشگاه سامانه‌های حسی حرکتی موسسۀ فناوری فدرال سوئیس (ETH Zurich)، سامانه‌های توانبخشی رباتیک را توسعه می‌دهد می‌گوید رقابت‌های Cybathlon از ناامیدی او از فناوری‌های کمکی موجود برای افراد معلول نشأت گرفته است. او می‌گوید: «بیشتر آنها برای بیمار مفید نیستند». برای نمونه، تنها یک چهارم افراد با بازوی قطع شده از پروتزها استفاده می‌کنند چرا که این دستگاه‌ها نمی‌توانند با وظایف روزمرۀ زندگی سازگار شوند.

Riener امیدوار است با دعوت از مهندسین دانشگاه و صنعت برای ساخت فناوری‌های تازه و آموزش راهبر‌ها برای Cybathlon به نوآوری در این زمینه شتاب دهد. و برای اینکه اطمینان حاصل شود تجهیزات ساخته شده در خارج از ورزشگاه نیز مفید هستند، رقابت‌های Cybathlon شامل کارهای معمولی از زندگی روزانه افراد خواهد بود. در مسابقۀ افراد مجهز به پای مصنوعی برقی، راهبران از پله‌ها بالا خواهند رفت و از مسیرهایی سنگلاخ عبور خواهند کرد. از جملۀ موانع برای راهبران با بازوی مصنوعی برقی، بریدن قرص‌های نان و باز کردن در شیشۀ مرباست. آداب و رسوم صبحانۀ معمولی که انجام آن با یک دست طاقت‌فرسا است.

انتظار می‌رود ۸۰ تیم از سراسر جهان برای رقابت‌های Cybathlon در زوریخ گرد هم آیند. BBC و NHK ژاپن و دیگر شبکه‌های خبری بزرگ این رقابت‌ها را پوشش خواهند داد و اگر بازی‌ها مورد توجه قرار گیرد، Cybathlon بعدی می‌تواند در توکیو و همزمان با بازی‌های المپیک تابستانی ۲۰۲۰ برگزار شود.

McClellan در حالی که نفس نفس می‌زند می‌گوید: «من سرعت را دوست دارم به همین خاطر است که روی صندلی چرخدار هستم.»

در سال ۲۰۰۹، هنگامی که McClellan به سرعت روی دوچرخۀ کثیف در حال حرکت بود، نتوانست از چاله‌ای که مسیر را پوشانده بود عبور کند و دچار سانحه شد و در نتیجۀ آن مهره پایینی کمرش شکست و تکه‌های استخوان به نخاع او فشار وارد کردند. پاهای او آسیب ندید ولی فرمان‌های حرکتی صادر شده از مغز او دیگر نمی‌توانند از طریق اعصاب نخاعی آسیب‌دیده به پاها برسند.

از آن پس مرد فلج چگونه می‌توانست در پارک دوچرخه‌سواری کند؟ پاسخ از آزمایشگاهی در مرکز پزشکی Louis Stokes Cleveland VA بدست آمد. Ronald Triolo مهندس عصبی و استاد دانشگاه Case Western Reserve در این مرکز یک فناوری پایه‌ای پیشرفته را توسعه می‌دهد. Triolo روشی موسوم به تحریک الکتریکی عملکردی (FES) را بکار می‌گیرد. در این روش با اعمال پالس الکتریکی اعصاب کنترل‌کنندۀ ماهیچه‌ها در پا فعال می‌شود. این کار سیگنال‌های الکتریکی را که در حالت عادی از مغز و از طریق نخاع به اعصاب محیطی می‌رسند بازسازی می‌کند.

بسیاری از کلینیک‌های توانبخشی دارای سامانۀ سادۀ FES با الکترود‌های سطحی هستند که این الکترودها به پاهای کاربران متصل شده و با انتقال پالس الکتریکی از طریق پوست و گوشت، عصب را به صورت خفیف تحریک می‌کنند. ولی این روش کنترل دقیق را فراهم نمی‌کند بنابراین Triolo در بکارگیری الکترودهای دستبندی که از طریق جراحی کاشته شده و پیرامون عصب را احاطه می‌کنند پیشگام شد.

هر دستبند کوچک ساخته شده از لاستیک سیلیکون، دارای چهار محل تماس جاسازی‌شده از جنس پلاتینیوم است که نقاط گوناگون روی سطحی از عصب‌ها را لمس می‌کنند و اجازه می‌دهد تا رشته‌های عصبی خاص با الگوهای پیچیده‌ای تحریک شوند. جریان الکتریکی از طریق سیم‌های نازک متصل به یک تولید‌کنندۀ پالس که داخل شکم قرار می‌گیرد به الکترودها می‌رسد. Triolo الگوهای تحریک را در رایانۀ خود طراحی می‌کند و فرمان‌ها را به صورت بی‌سیم به تولید کنندۀ پالس می‌فرستد. او توضیح می‌دهد: «تمام تغییرهای زمان‌بندی و الگوهای تحریک در نرم‌افزار انجام می‌شود، بنابراین نیازی به جایگزینی قطعه‌ها نیست. همچنین یک دستگاه خارجی انرژی را از طریق امواج رادیویی برای شارژ تولید کنندۀ پالس می‌فرستد، در نتیجه هیچ گونه باتری وجود ندارد که نیاز به تعویض داشته باشد.

طی دو دهه از آزمایش‌ها، Triolo الگوهای تحریکی را توسعه داده است که افراد پاراپالژیک را قادر می‌سازد پای خود را بلند کنند، از صندلی چرخدار بلند شوند و وزن خود را با پاهایشان تحمل کنند و حتی با حفظ تعادل به کمک واکر قدم‌های کوچکی به جلو بردارند. او اکنون بر روی دستبند‌های عصبی با نقاط تماس اضافی جاسازی شده روی آنها کار می‌کند. و در نهایت می‌خواهد کاری کند افرادی مانند McClellan دوباره به صورت طبیعی راه بروند.

McClellan در سال ۲۰۱۱ از یک دوست در کلینیک توانبخشی نزدیک خانۀ خود در کالیفرنیا دربارۀ آزمایش‌های Triolo شنید و بلافاصله داوطلب شد. طی یک روند یازده ساعته، جراحان ده الکترود را در پاها و ران‌های او کاشتند. یک دستبند دور هر کدام از دو عصب فمورال که کنترل فیبرهای عضلانی موجود در چهار سر ران را ممکن می‌سازد و هشت الکترود تماسی ساده‌تر که ماهیچه‌های گلوتئال و همسترینگ را فعال می‌کنند. پس از گذشت شش ماه، McClellan به کلیولند بازگشت تا محرک خود را برای نخستین بار روشن کند.

او بلافاصله روی پاهای خود بلند نشد. ابتدا گروهی از فیزیوتراپ‌ها برای هشت هفته او را وادار به انجام تمرین‌های قدرتی خسته‌کننده کردند. او ساعت‌ها روی تخت دراز می‌کشید در حالی که محرک به اعصاب او انرژی وارد کرده و باعث می‌شد پاهایش وزنه‌ای کوچک را بالا ببرد. بنابراین فرمان دادن به ماهیچه‌های McClellan با پالس‌های خارجی به جای مغز او آغاز شد. با این حال نتایج یکسان بود: حجم ماهیچه‌ها افزایش یافته بود. در میان این جلسه‌های تمرینی، مهندسان با اعمال مقادیر گوناگون جریان و زمان‌بندی‌های مختلف پالس، الگوهای تحریک متنوع را آزمایش کردند. سپس آنها یک کنترل‌کنندۀ خارجی کوچک با چند دکمه ساختند و دکمه‌ها را به نحوی برنامه‌ریزی کردند که هر کدام الگوی تحریک برای حرکتی خاص مانند بلند کردن پای چپ یا بلند شدن از صندلی را اجرا کند.

در نهایت، پزشکان و مهندسان پذیرفتند که او برای ایستادن آماده است. هنگامی که تمام گروه در اتاق توانبخشی جمع شده بودند، McClellan دکمه ایستادن را فشار داد و پاهای فلج، او را بلند کردند.

از نظر Triolo، رقابت‌های Cybathlon در اصل ایدۀ بدی است. او سابقا فکر می‌کرد: «آنچه واقعاً به آن نیاز داریم همکاری گروه‌های بین‌المللی و نه یک رقابت است.» ولی بعدها تغییر عقیده داد و به این نتیجه رسید که این رقابت‌ها می‌تواند با جمع کردن پژوهشگران در یک محیط رقابتی دوستانه، باعث پیشرفت فناوری شود. او که مجذوب رقابت‌های دوچرخه‌سواری شده بود، از چند تن از داوطلبان پژوهشش از جمله McClellan پرسید که آیا حاضر هستند به او کمک کنند تا سامانۀ تحریک را برای دوچرخه سواری تطبیق دهند و شروع به کار بر روی الگوهای تحریکی کرد که باعث می‌شود پاهای فلج به پدال دوچرخه فشار وارد کنند.

حال در جلسه‌های تمرینی در پارک کلیولند، سامانه که دوباره تنظیم شده است برای نخستین بار آزمایش می‌شود. مهندسان به همراه McCellan ساعت‌ها در آزمایشگاه و روی یک دوچرخۀ ساکن وقت گذاشته‌اند و الگوهای تحریک را به شکل بهینه تنظیم کرده‌اند. با این حال آنها در پارک محدودیت‌های سیستم خود را خواهند یافت.

Tiolo برنامه‌هایی برای ارتقاء سامانۀ خود دارد و قصد دارد از انقباض‌های عضلانی دوچرخه‌سوار برای تنظیم زمان اعمال پالس‌ها استفاده کند. تا از عدم هماهنگی میان زمان اعمال پالس‌ها توسط دوچرخه‌سوار و حرکت پاها بکاهد.

اگر تمرین‌ها به خوبی پیش رود، در اکتبر پیش رو ماهیچه‌های سالم McClellan او را در یک مسیر ۷۵۰ متری در زوریخ حرکت خواهند داد. اگر بدن و فناوری او با هم کار کنند و او را به عنوان اولین نفر از خط پایان عبور دهند، یک کار دیگر باقی خواهد ماند و آن کار فشردن دکمۀ ایستادن روی کنترل کننده برای دریافت مدال طلا خواهد بود.

>> در همین زمینه بخوانید: یک محک جدی برای سازندگان: برگزاری رقابتهای اسکلتهای بیرونی Cybathlon – اکتبر ۲۰۱۶، زوریخ

منبع: spectrum.ieee.org