بدلة خارجية ناعمة يمكنها التكيف تلقائيًا مع احتياجات المشي
تتغير طريقة مشينا باستمرار. نغير سرعتنا ونتكيف مع المنحدرات دون أن نفكر في ذلك. وبسبب هذا التغير يصعب إعادة إنتاج المشي باستخدام الهياكل الخارجية. مع ذلك، طوّر باحثون من كلية هارفارد للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) نهجًا يضبط الهيكل الخارجي الناعم تلقائيًا وفق طريقة مشي الشخص.
عادةً، يتطلب ضبط الهياكل الخارجية وفق طريقة المشي عدة ساعات من الضبط اليدوي أو الآلي. وقد تكون هذه العملية صعبة على الشخص السليم، وأحيانًا شبه مستحيلة على كبار السن أو المرضى السريريين.
يتبع باحثو SEAS نهجًا فريدًا في تطوير الهيكل الخارجي الخاص بهم. فبدلًا من التركيز على الحركات الديناميكية للأطراف لدى المستخدم، ابتكروا استراتيجية مساعدة تعتمد على العضلات.
«سجّلنا ديناميكيات العضلة الباسطة للكعب لدى الأشخاص باستخدام الموجات فوق الصوتية، عند سرعات مشي ومنحدرات مختلفة. وبناءً على هذه الصور المسجلة مسبقًا، قدّرنا القوة التي تولدها العضلة الباسطة للكعب من خلال الانقباض المركزي غير الفعال، وطورنا ملف مساعدة للبدلة الخارجية يتناسب طرديًا مع هذه القوة المقدّرة. وقيّمنا هذا النهج باستخدام بدلة خارجية ثنائية الجانب للكاحل في كل مهمة مشي تم قياسها»، قال الباحثون.
من خلال هذه الاستراتيجية، يُجري نظام الموجات فوق الصوتية المحمول قياسات بالموجات فوق الصوتية للعضلات الربلية. وتتيح هذه القياسات تقدير القوة التي تولّدها هذه العضلات. وباستخدام القياسات، يطوّر الباحثون ملف مساعدة مخصصًا. ثم تحدد البدلة الخارجية تلقائيًا مقدار المساعدة اللازم لسرعات المشي والمنحدرات المختلفة. وتوفر البدلة الخارجية قوة مساعدة أصغر لمساعدة الشخص على المشي.
«استخدمنا الموجات فوق الصوتية للنظر تحت الجلد، وقسنا مباشرةً ما تفعله عضلات المستخدم خلال عدة مهام للمشي. عضلاتنا وأوتارنا مرنة، وهذا يعني أنه لا يوجد بالضرورة تطابق مباشر بين حركة الأطراف وحركة العضلات الرئيسية التي تتحكم في حركتها»
ما يميز هذه الطريقة عن السابقة هو قدرة الهيكل الخارجي على تحديد المساعدة التي يحتاجها الشخص تلقائيًا عند المشي بسرعات ومنحدرات مختلفة. ولا تحتاج البدلة الخارجية إلا إلى بضع ثوانٍ من المشي لتسجيل ملف العضلة.
وفقًا للباحثين، يمكن لهذه البدلة الخارجية أن تتكيف بسرعة مع الظروف الواقعية. وعندما قاس العلماء الطاقة الأيضية المستخدمة مع البدلة ومن دونها، وجدوا أن البدلة تقلل بشكل ملحوظ كمية الطاقة الأيضية المستخدمة.
قال طالب الدراسات العليا في SEAS والمؤلف المشارك في البحث سانجون لي: «من خلال قياس العضلات مباشرةً، يمكننا العمل مع الشخص الذي يرتدي البدلة الخارجية بقدر أكبر من الحدس. وبهذا النهج، لا تُثقل البدلة الخارجية كاهل مرتديها، بل تعمل معه».
جاء هذا البحث نتيجة تعاون بين مختبر هارفارد للروبوتات الحيوية ومختبر هارفارد للتصميم الحيوي، بقيادة كونور ج. والش، أستاذ الهندسة والعلوم التطبيقية في SEAS. ويخطط باحثو SEAS للمضي قدمًا، من خلال اختبار كيفية عمل النظام مع تعديلات مستمرة في الوقت الفعلي.
«يعتمد تباين مشية الإنسان على الفسيولوجيا الفردية والبيئة ومهمة المشي. ولذلك، هناك حاجة واضحة في مجال الروبوتات القابلة للارتداء إلى ضبط المساعدة وفق المستخدم والمهمة. وهنا طوّرنا استراتيجية مساعدة تعتمد على العضلات، حيث استُمدت مساعدة البدلة الخارجية من قياسات مباشرة لديناميكيات عضلات الإنسان أثناء تنفيذ مهام محددة»، جاء في الدراسة.
في الاختبارات الواقعية، تمكنت البدلة الخارجية من التكيف بسرعة مع التغيرات في سرعة المشي والمنحدرات.
«يمكن لهذا النهج أن يسهم في تبني الروبوتات القابلة للارتداء في المواقف الديناميكية الواقعية، من خلال توفير مساعدة مريحة ومتكيفة»
تعمل كلية جون أ. بولسون لهندسة وعلوم التطبيقات بجامعة هارفارد كحلقة وصل ومنسق للأنشطة التعليمية والبحثية في مجالات الهندسة والعلوم التطبيقية والتقنية داخل جامعة هارفارد. ومن خلال التعاون مع باحثين من جميع أقسام هارفارد، والجامعات الأخرى، والشركاء من القطاع الخاص والمؤسسات الأساسية، يقدم العلماء اكتشافات وابتكارات تهدف مباشرةً إلى تحسين حياة الناس والمجتمع.
يستخدم معهد وايس للهندسة الحيوية بجامعة هارفارد مبادئ التصميم الطبيعي لتطوير مواد وأجهزة قائمة على الكيمياء الحيوية، ستُحدث ثورة في الطب وتخلق عالمًا أكثر استدامة.
يطور باحثو وايس حلولًا هندسية مبتكرة جديدة للرعاية الصحية والطاقة والعمارة والروبوتات والتصنيع، تتحول إلى منتجات تجارية وعلاجات بفضل التعاون مع الباحثين السريريين والتحالفات المؤسسية وإنشاء شركات ناشئة جديدة.
يحقق المعهد اختراقات تكنولوجية ثورية من خلال المشاركة في أبحاث عالية المخاطر وتجاوز الحواجز التخصصية والمؤسسية، ويعمل كتحالف يضم كليات هارفارد للطب والهندسة والفنون والعلوم والتصميم، وبالشراكة مع العديد من المؤسسات الطبية والجامعات الأخرى.
