مرد آهنین را فراموش کنید: لباس‌های چسبان، آینده‌ی اسکلت‌های خارجی روباتیک هستند

تصویر: سوپر لباس -  Shutterstock
 
به تازگی به کودکان مبتلا به یک نوع بیماری عصبی نادر، این فرصت داده شد که برای اولین بار قدم بر دارند. این دستگاه‌ها - که در اصل لباس‌های روباتیک هستند و باعث اِعمال تحرک مصنوعی به اندامهای کاربر می‌شوند - قرار است به نحوی روز افزون تبدیل شوند به وسیله‌ای معمول برای کمک به افرادی که قدرت استفاده از پاهای خود را برای پیاده روی از دست داده‌اند. اما در حالی که پوشش‌های خارجی اسکتی امروزی عمدتاً بد ترکیب و زمخت هستند، فناوری جدید می‌تواند با ایجاد پوستی روباتیک، استفاده از آنها را آسان‌تر و طبیعی‌تر کند.
 
اسکلت‌های خارجی از دهه هزار و نهصد و شصت میلادی در حال توسعه بوده‌اند. اولین نمونه آن، مجموعه‌ای بزرگ از پاها و دستکش‌های پنجه‌ای مانند، یاد آور ابر قهرمان، مرد آهنین، بود که برای استفاده از نیروی هیدرولیک برای کمک به کارگران صنعتی برای بالا بردن صدها کیلوگرم وزن طراحی شده بود. این وسیله کار نکرد، اما از آن زمان به بعد از طرح‌های دیگر برای قسمت فوقانی و قسمت تحتانی بدن، برای افزایش قدرت افراد، به نحوی موفقیت آمیز، استفاده شد، و کمک کرد که به افراد آموزش داده ‌شود که دو باره از اندام خود استفاده کنند، یا حتی به عنوان راهی برای تعامل با رایانه ها با استفاده از لمس یا "haptic" از آن استفاده استفاده کنند.
 
این دستگاه‌ها معمولاً شامل زنجیره‌ای از پیوندها و اتصالات برقی هستند که با استخوان و مفاصل خود کاربر هماهنگ هستند. پیوندها به راحتی به اندامهای کاربر بسته می‌شوند و وقتی اتصالات برق فعال می‌شوند باعث می‌شوند اتصالات آنها خم شود. کنترل اسکلت خارجی را می‌توان با کامپیوتر انجام داد - به عنوان مثال اگر روال فیزیوتراپی را انجام می‌دهد – یا می‌توان این کار را با نظارت بر فعالیت‌های الکتریکی در عضلات کاربر و سپس تقویت نیرویی که ایجاد می‌کنند انجام داد.
 

سنگین و دردناک

اما علیرغم نیم قرن تحقیق، هنوز از اسکلت خارجی به نحوی گسترده استفاده نمی‌شود. این امر عمدتاً به این دلیل است که معمولاً لباس پوشیدن برای مدتی طولانی بسیار ناراحت کننده است، زیرا بدن افراد با ساختار یکنواخت لباس متفاوت است. اسکلت‌های خارجی در حال حاضر به صورت تجاری به فروش می‌رسند و احتمالاً در سالهای آینده تعداد بیشتری از آنها را خواهیم دید. در سال 2012، خانمی فلج به نام کلر لوما حتی ماراتن لندن را با پوشیدن یک لباس کامل از این نوع به پایان رساند. برخی از اسکلت‌های خارجی طوری تنظیم شده‌اند که بتوانند بهتر با بدن کاربر جفت شوند، اما اگر اتصالات روباتیک و مفاصل واقعی کاربر دقیقاً در همان حالت چرخش نکنند، می تواند حرکتی غیر طبیعی ایجاد کنند و باعث ناراحتی یا درد شوند. این امر با سختی هر قسمت از لباس استفاده کننده بدتر می‌شود.
 
یکی دیگر از مشکلات، به خصوص در رابطه با اسکلت خارجی مربوط به قسمت فوقانی بدن، این است که سنگینی آنها چقدر است، که این سنگینی معمولاً به دلیل لزوم استفاده از مواد قوی لازم برای تحمل وزن بدن و محرک‌های قدرتمندی است که باعث حرکت مفاصل می‌شوند. لباس‌های فعلی همچنین برای مقابله با تغییرات دما یا باران طراحی نشده‌اند، که این امر استفاده از آنها را در دنیای واقعی دشوار می‌کند. و ظاهر آنها، که تاکنون دغدغه اصلی طراحان نبوده است، می‌تواند مردم را از استفاده از انها منصرف کند.  
تصویر: نمونه اولیه دستکش اسکلت نرم اسکلت خارجی. استیو دیویس ، نویسنده ارائه داد
 
برای ساختن اسکلت‌های خارجی عملی و جذابتر، ما به نو آوری‌هایی نیاز داریم تا آنها را بیشتر به "پوست دوم" تبدیل کنیم تا یک لباس روباتیک غول پیکر. اسکلت‌های خارجی به طور معمول از موتورهای برقی سنگین استفاده می‌کنند، اما اکنون محرک‌های سبک مانند عضلات پنوماتیک مورد توجه قرار گرفته‌اند. اینها می‌توانند نیروهای مشابه موتورهای الکتریکی اما با داشتن کسری از وزن آنها تولید کنند. ماهیچه ها از یک کیسه‌ لاستیکی تشکیل شده‌اند که توسط یک آستین بافته شده احاطه شده است. در هنگام فشار آوردن، قطر آنها افزایش می‌یابد و طول آنها کاهش پیدا می‌کند، و مفصل را می‌کشند. آنها از مواد سبکی ساخته شده‌اند اما می‌توانند نیروی لازم برای بلند کردن صدها کیلو گرم را تولید کنند.
 

روباتیک نرم

با این حال، حتی این محرک‌های سبک هنوز باید به ساختار مکانیکی سفت و سخت نصب شده بر روی بدن کاربر متصل شوند. خودم و همکاران من در مرکز سیستم‌های خود مختار و روباتیک دانشگاه سالفورد در حال توسعه جایگزین دیگری هستیم: روباتیک نرم. این فناوری از مواد پیشرفته فیزیکی نرم برای انجام کارهای مشابه با دستگاههای روباتیک سفت و سخت استفاده می‌کند. آنها به خصوص در تعامل با انسان مناسب هستند زیرا به طور معمول سبک وزن هستند، به این معنی که در صورتی که با شخصی بر خورد کنند احتمال کمی وجود دارد که باعث ایراد صدمه بر او شوند.
 
ما اخیراً یک "محرک پیوستار نرم" جدید ایجاد کرده‌ایم، که مفصلی است که مانند تنه یک فیل خم می‌شود. برخلاف یک اتصال روباتی سفت و سخت سنتی، اگر در یک قسمت از بدن خود با مقاومت رو به رو شود، باز هم خم می‌شود اما در مکانی متفاوت در جای دیگری که در امتداد طول آن قرار دارد. با تجهیز این محرک‌ها به یک لباس از جنس چسبان، می توانیم یک اسکلت خارجی نرم ایجاد کنیم که در محل دقیق اتصالات پوشنده خم شود. این بدان معنی است که لباس بدون نیاز به تنظیم مکانیکی یا کالیبراسیون، در ابعاد طیف وسیعی از کاربران قرار خواهد گرفت. به علاوه، این سیستم سبک وزن است و می تواند مانند لباس پوشیده شود نه مانند یک قاب مکانیکی بزرگ.
 
اسکلت‌های خارجی در حال حاضر به صورت تجاری به فروش می‌رسند و احتمالاً در سالهای آینده تعداد بیشتری از آنها را خواهیم دید. در سال 2012، خانمی فلج به نام کلر لوما حتی ماراتن لندن را با پوشیدن یک لباس کامل از این نوع به پایان رساند. اما هنوز چالش‌های مهندسی قابل توجهی وجود دارد که باید قبل از استفاده گسترده از این سیستم‌ها مورد بررسی قرار گیرند. حداقل برای غلبه بر یکی از این چالش‌ها، ما به راهی نیاز داریم که افراد بدون نیاز به وصل کردن هر نیم ساعت یک بار لباس خود به برق برای لباسشان نیرو تأمین کنند.
 
منبع: استیو دِیویس - University of Salford