لباس بیرونی رباتیک جدیدی که در مؤسسه Wyss در دانشگاه هاروارد توسعه یافته است، می‌تواند بر محدودیت‌های عملکرد انسان غلبه و منجر به فناوری‌های پوشیدنی جدید برای ورزشکاران و دیگر مصرف کنندگان شود. با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

چه می‌شود اگر ۲۶٫۲ مایل از یک ماراتن را بدوید و احساس کنید که تنها ۲۴٫۹ مایل دویده‌اید؟ یا چه می‌شود اگر شما بتوانید به طور متوسط ​​سرعت دویدن خود را از ۹:۱۴ دقیقه/ مایل به ۸:۴۹ دقیقه/مایل بهبود بخشید بدون نیاز به هفته‌ها آموزش؟ پژوهشگران در مؤسسه Wyss دانشگاه هاروارد و دانشکده مهندسی و علوم کاربردی John A. Paulson در دانشگاه هاروارد (SEAS) نشان دادند که لباس بیرونی نرم می‌تواند هزینه سوخت و ساز بدن در هنگام دویدن بر روی تردمیل را ۵٫۴ درصد نسبت به حالت نپوشیدن این لباس بیرونی کاهش دهد. این پژوهشگران رؤیای کارایی و عملکرد بالا را به واقعیت نزدیک‌تر کردند.

فیلیپ مالکوم، دکتری، Postdoctoral Research Fellow پیشین در مؤسسه Wyss و SEAS و در حال حاضر استادیار در دانشگاه نبراسکا، اوماها، که همچنان به همکاری در این پژوهش ادامه می‌دهد، گفت: «انسان امروزی (Homo sapiens) تکامل یافته است و برای دویدن بسیار خوب است اما نتایج ما نشان می‌دهد که امکان بهبود بیشتری وجود دارد».

کاهش هزینه دویدن

دویدن به طور طبیعی حرکتی پرهزینه‌تر از راه رفتن است، به طوری که هر گونه تلاش برای کاهش فشار آن بر بدن باید کمترین بار اضافی را تحمیل کند. فناوری لباس بیرونی نرم که در آزمایشگاه Wyss Core Faculty بخش دکتر Conor Walsh توسعه یافته است، نشان دهنده یک چارچوب ایده‌آل برای کمک به دویدن است. طراحی مبتنی بر پارچه این فناوری بسیار سبک وزن است و همراه با بدن حرکت می‌کند.

یک گروه از دانشمندان در آزمایشگاه Walsh به رهبری Wyss Postdoctoral Fellow، Giuk Lee، پژوهشی با یک لباس بیرونی انجام دادند که قابلیت انعطاف‌پذیری اتصالات سیمی را با قلاب‌های پشت ران و کمربند و با یک واحد تحریک خارجی ترکیب می‌کند. افرادی که لباس بیرونی را پوشیده‌اند زمانی که بر روی تردمیل می‌دوند، واحد تحریک سیم‌ها را می‌کشد که به عنوان زوج دوم عضلات مفصل ران عمل می‌کند و نیرو را به پاهایی که با هر گام کشیده می‌شوند، اعمال می‌کند. هزینه سوخت و ساز بدن با تجزیه و تحلیل اکسیژن مصرفی و دی اکسید کربن تولید شده توسط فرد در حال دویدن اندازه‌گیری شد.

دو الگوی مختلف کشیده شدن سیم

این گروه دو نوع مختلف الگوی کشیدن سیم را آزمایش کردند: یکی بر اساس زیست شناسی انسان که اعمال نیروی مستقیم به نقطه‌ای است که بیشترین کشیدگی مفصل ران در حالت دویدن طبیعی مشاهده شده است. و دیگری بر اساس یک شبیه‌سازی از اسکلت بیرونی کمکی هنگام دویدن است. این شبیه‌سازی کار یک گروه در دانشگاه استنفورد است که نیرو را به آهستگی به گام‌ها در دویدن اعمال می‌کند و نقطه بهینه برای اعمال نیروی کمکی که ممکن است همان نقطه به دست آمده از زیست شناسی انسان باشد را نشان می‌دهد. Lee و همکارانش دریافتند که نمای مبتنی بر شبیه‌سازی نسبت به نمای مبتنی بر زیست شناسی در کاهش هزینه سوخت و ساز بدن حدود دو برابر بهتر عمل می‌کند. نویسندگان این مقاله تذکر دادند:

«یافته‌های ما تأیید کردند که لزوماً درک و فهم ما از زیست شناسی همیشه مطلوب نیست»

برای روشن شدن اینکه چرا استفاده از نیروی اعمال شده به روش دوم در گام‌ها هنگام دویدن هزینه سوخت و ساز بدن را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد، گروه آنچه برای مفاصل دیگر فرد اتفاق می‌افتد را زمانی که به مفاصل ران توسط سیم‌های محرک کمک می‌شود، مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. آنها دریافتند که نمای مبتنی بر شبیه‌سازی، مفصل زانو و نیروهای بین پا و زمین را تحت تأثیر قرار می‌دهد، در حالی که نمای مبتنی بر زیست شناسی اینگونه نیست.

Lee می‌گوید: «نمای بیولوژیکی تنها مقدار گشتاور در مفصل ران را محاسبه می‌کند، اما بدن انسان یک سری از قطعات نیست که به طور مستقل عمل کنند. بلکه بدن انسان پر از ماهیچه‌هایی است که در چند مفصل برای حرکت هماهنگ عمل می‌کنند. استفاده از نیرو برای ران بر کل سیستم بدن تأثیر می‌گذارد و ما به منظور ارائه بهترین کمک باید آنها را در نظر بگیریم». در حالی که نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که دخالت بیومکانیکی مبتنی بر شبیه‌سازی برای کاهش هزینه سوخت و ساز بدن باید افزایش یابد اما تجزیه و تحلیل بیومکانیکی بیشتری برای تأیید این یافته‌ها مورد نیاز است.

آینده لباس بیرونی نرم مؤسسه Wyss

این گروه امیدوار است این پژوهش را به منظور کاهش هزینه سوخت و ساز بدن در حال دویدن و حتی بیشتر از آن، ادامه دهد. مالکوم می‌گوید: «ما تنها دو مشخصه تحریک را در این مطالعه مورد آزمایش قرار دادیم. پس از آن جالب خواهد بود که ببینیم چقدر هزینه سوخت و ساز دویدن را می‌توان با بهینه‌سازی بیشتر سامانه کاهش داد». Lee می‌افزاید: «هدف ما توسعه یک سامانه قابل حمل با نسبت قدرت به وزن بالا است به طوری که کاربر استفاده کننده از این لباس تا حد زیادی هزینه‌های پوشیدن لباس را جبران کند. ما اعتقاد داریم که این فناوری می‌تواند عملکرد ورزشکاران تفریحی را تقویت و یا به بازیابی پس از آسیب کمک کند».

لباس بیرونی فعال با باتری برای دوندگان با عملکرد بالا هنوز هم فراتر از افق است، همانطور که واحد محرک (از جمله موتور، لوازم الکترونیکی و منبع تغذیه) در این پژوهش بیرون از لباس قرار دارد. اما به گفته نویسندگان، فناوری در حال حرکت به سمت ساخت یک لباس بیرونی بدون محدودیت در آینده نزدیک است. Walsh می‌گوید: این پژوهش یک نمونه عالی است که چگونه گروه ما می‌تواند تجربه و تخصص خود را در فناوری‌های پوشیدنی و بیومکانیک به کار ببرد و نشان دهد که چگونه عملکرد انسان را می توان در زمینه‌های کاربردی جدید بهبود داد».

Donald Ingber، مدیر و مؤسس Wyss و استاد زیست شناسی در دانشکده پزشکی هاروارد و زیست شناس عروقی در بیمارستان کودکان بوستون و همچنین استاد مهندسی زیستی در SEAS هاروارد می‌گوید: «کار ما در Wyss الهام گرفته از بیولوژیک است و همانطور که پیشرفت‌های گروه Conor نشان داده است، گاهی اوقات ما یاد میگیریم که یک نقطه نظر بیولوژیکی معمولی از یک مکانیسم نشان دهنده این نیست که چگونه سامانه‌های زنده کار می‌کنند. ما باید اجزاء منحصر به فرد (در این مورد یک مفصل ران انسان) را در رابطه با کل اجزا در نظر بگیریم. هنگامی که ما این کار را به درستی انجام دهیم، فناوری‌های جدید دگرگون شده ظاهر می‌شوند. این چنین پژوهش‌هایی، نمونه‌ای از قدرت فکر کردن فراتر از محدودیت‌هایی است که طبیعت به ما واگذار کرده و این پرسش است که آیا ما می‌توانیم بهتر از آن را انجام دهیم؟».

این مطالعه تحت حمایت برنامه DARPA Warrior Web وزارت دفاع، بنیاد ملی علوم، سامسونگ، مؤسسه Wyss و SEAS قرار دارد.

در مورد لباس بیرونی نرم بیشتر بخوانید:

>>لباس بیرونی نرم Wyss و کاهش میزان سوخت و ساز بدن

>>همکاری موسسۀ Wyss و شرکت ReWalk Robotics : آیا روند جدیدی در حال شکل‌گیری است؟

>>پادکست: رباتیک پوشیدنی الهام گرفته از طبیعت در موسسۀ Wyss

منبع: wyss.harvard.edu

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»