توسعه اسکلت خارجی: بهبود راه رفتن و دویدن

اسکلت های خارجی برای تقویت راه رفتن و دویدن انسان: پیش بینی های قبلی و نقاط عطف اخیر

روزی که مردم با کمک اسکلت های خارجی رباتیک در جوامع خود حرکت می کنند به سرعت نزدیک است. یک دهه پیش، فریس پیش‌بینی کرد که این روز تا سال 2024 اتفاق می‌افتد و هیر آینده‌ای را پیش‌بینی می‌کرد که در آن افرادی که از اسکلت خارجی برای حرکت در زمین‌های طبیعی استفاده می‌کردند، رایج‌تر از رانندگی خودرو در جاده‌های بتنی خواهند بود. به طرز چشمگیری، فریس و هیر این دیدگاه ها را قبل از رسیدن به هدف مورد نظر یعنی ایجاد یک اسکلت خارجی که «سد هزینه متابولیک» را می شکند، مطرح کردند. هنگامی که هدف کاهش تلاش است، هزینه متابولیک استاندارد طلایی برای ارزیابی عملکرد اسکلت خارجی اندام تحتانی است زیرا معیاری عینی و آسان برای تلاش است و با عملکرد کلی در یک حالت راه رفتن ارتباط نزدیک دارد. علاوه بر این، بهبود عملکرد راه رفتن اغلب با بهبود کیفیت زندگی مرتبط است. برای تقویت عملکرد راه رفتن و دویدن انسان، محققان به طور جدی تلاش برای شکستن سد هزینه متابولیک با استفاده از اسکلت خارجی را در دهه اول این قرن آغاز کردند. در سال 2013 یک اسکلت خارجی سد هزینه متابولیک را شکست.

در آن سال، مالکوم و همکارانش اولین کسانی بودند که با ایجاد یک اسکلت خارجی فعال مچ پا هزینه متابولیک شرکت کنندگان را در طول راه رفتن تا 6 درصد کاهش داد. در 2 سال بعد، هر دو اسکلت خارجی مچ پا فعال و غیرفعال مستقل ظاهر شدند که راه رفتن انسان را نیز بهبود بخشید.

مدت کوتاهی پس از آن نقاط عطف، لی و همکارانش با استفاده از یک اسکلت خارجی فعال لگن که دویدن شرکت کنندگان را تا 5 درصد بهبود بخشید، سد هزینه متابولیک دویدن را شکستند. از آن زمان، محققان همچنین اسکلت‌های خارجی فعال و غیرفعال مستقلی را توسعه دادند که دویدن انسان را بهبود می‌بخشد.
 

 

رویکردها و فناوری های پیشرو برای پیشرفت اسکلت های بیرونی

بسترهای آزمایش اسکلت خارجی، مطالعات سیستماتیک و توان عملیاتی بالا را روی پاسخ فیزیولوژیکی انسان امکان پذیر می نمایند.

بسترهای آزمایش اسکلت خارجی متصل، کمک به تسریع به توسعه دستگاه نموده اند. در دهه اول قرن بیست و یکم، اکثر اسکلت های بیرونی قابل حمل بودند، اما حرکت طبیعی انسان دست و پا گیر و محدود بودند. علاوه بر این، این دستگاه‌ها معمولاً برای تحقیقات سیستماتیک و با کارایی بالا طراحی نشده ‌اند.

هنگامی که محققان شروع به تمرکز بر مطالعاتی کردند که هدف آن ها درک پاسخ فیزیولوژیکی کاربر به کمک اسکلت خارجی بود، یک نوآوری کلیدی به نام بستر آزمایش اسکلت خارجی مبتنی بر آزمایشگاه پدید آم.. به جای قرار دادن محرک‌ها بر انتهای اسکلت خارجی، محققان شروع به قرار دادن آن‌ ها خارج از صفحه کردند و آن ها را از طریق اتصالات (به عنوان مثال، شیلنگ‌های هوا و کابل‌های Bowden) به اسکلت خارجی موثر متصل نمودند.

این رویکرد محققان را قادر می سازد تا مطالعات سیستماتیک با توان عملیاتی بالا را در طول راه رفتن و دویدن روی تردمیل برای تعیین پارامترهای بهینه کمک اسکلت خارجی (به عنوان مثال، زمان و میزان تحویل نیروی مکانیکی) برای بهبود هزینه متابولیکی راه رفتن و دویدن انجام دهند. علاوه بر این، موتورهای با کارایی بالا در بسترهای آزمایشی اسکلت خارجی متصل شده اخیر دارای پهنای باند کنترل گشتاور نسبتا بالایی هستند که می‌توان از آن برای ارائه پویایی مفاهیم طراحی موجود یا جدید استفاده نمود. آزمایش چندین مفهوم قبل از توسعه دستگاه نهایی می تواند محققان را قادر سازد تا به سرعت اثرات مستقل پارامترهای طراحی را بر محصولات فعلی تشخیص دهند و ایده های جدید را آزمایش کنند.

بنابراین، ما استدلال می‌کنیم که بسترهای آزمایش اسکلت خارجی، فناوری اسکلت خارجی را با امکان بهینه‌سازی تعداد زیادی از پارامترهای دستگاه، آزمایش ایده‌های جدید و سپس تکرار طرح‌ها بدون نیاز به ساخت نمونه‌های اولیه، پیشرفت داده اند.
 

تعبیه «مکانیک هوشمند» در اسکلت‌های بیرونی غیرفعال، جایگزینی برای طرح‌هایی با قدرت کامل را فراهم می‌کند.

اسکلت های بیرونی مبتنی بر آزمایشگاه از طریق استفاده از منابع انرژی کوچک و قابل حمل و/یا با برداشت انرژی مکانیکی برای تامین انرژی دستگاه به دنیای واقعی راه پیدا می نمایند. اسکلت های بیرونی غیرفعال با ذخیره و متعاقباً بازگرداندن انرژی مکانیکی به کاربر بدون تزریق کار مکانیکی مثبت خالص، به کاربر کمک کرده اند.

اسکلت‌های بیرونی غیرفعال معمولاً ارزان‌تر و سبک‌تر از دستگاه‌های فعال هستند (به عنوان مثال، اسکلت خارجی مچ پا کالینز و همکاران 400 گرم است) و مانند دستگاه‌های فعال، فرض بر این است که در درجه اول هزینه راه رفتن و دویدن را با کاهش حجم ماهیچه‌های فعال بهبود می‌بخشند.

با این حال، به دلیل طراحی ساده‌ آن ها، اسکلت ‌های بیرونی غیرفعال از جهاتی کمتر از دستگاه‌ های برقی سازگار هستند. دستگاه‌ های غیرفعال فقط می‌توانند ویژگی‌ های مکانیکی ثابتی را ارائه دهند که در بهترین حالت فقط بین مسابقات حرکتی قابل تعویض هستند. بنابراین، در حالیکه سیستم ‌های غیرفعال ممکن است برای ارائه کمک در طول کارهای حرکتی کلیشه‌ای مانند دویدن در مسیر یا پیاده‌روی در سراشیبی با سرعت ثابت کافی باشند، ممکن است نتوانند شرایط متغیر را مدیریت کنند.

از سوی دیگر، دستگاه‌های فعال این فرصت را برای اعمال هر گونه مشخصات عمومی گشتاور-زمان ارائه می‌دهند، اما به موتورهای حجیم و/یا چرخ دنده‌هایی نیاز دارند که برای انجام این کار به منبع قابل توجهی نیرو نیاز دارند. بنابراین، ترکیب ویژگی‌های اسکلت خارجی فعال و غیرفعال برای ایجاد کلاس جدیدی از دستگاه‌های شبه غیرفعال (یا نیمه فعال) ممکن است، آینده امیدوارکننده‌ای را برای فناوری اسکلت خارجی به همراه داشته باشد.

برای مثال، به جای تعدیل مداوم مشخصات گشتاور کمکی، یک دستگاه شبه غیرفعال ممکن است مقادیر کمی نیرو برای تغییر خواص مکانیکی یک سازه غیرفعال زیرین در طول دوره‌هایی که بارگیری می‌شود، تزریق کند. رویکرد شبه غیرفعال احتمالاً از طراحی ساختاری ساده (مثلاً موتورهای کوچک) و سازگاری که فقط به مقدار کمی انرژی ورودی نیاز دارد (مثلاً باتری‌های کوچک) سود می‌برد.
 

 

ایجاد راحتی در رابط انسان و اسکلت خارجی

صرف نظر از طراحی اسکلت خارجی فعال یا غیرفعال، محققان تلاش می کنند تا به طور موثر و راحت اسکلت های بیرونی را با بدن انسان پیوند دهند. این موصوع در درجه اول به این دلیل است که بدن انسان دارای درجات مختلف آزادی، تغییر شکل بافت ها و نقاط حساس فشار است. بر این اساس، بسیاری از محققان از تکنیک‌های ساخت ارتوتیک سفارشی (ارتوتیک به شاخه پزشکی اطلاق می شود که به طراحی و ساخت دستگاه ها و کفش های مورد استفاده برای کمک به افراد مبتلا به مشکلات پا می پردازد) و/یا منسوجات چکش‌خوار (چکش خواری به این معنا ست که با ضربه چکش نمی شکنند اما شکل می گیرند) برای مقابله با این چالش استفاده می‌کنند. اسکلت‌های بیرونی مبتنی بر نساجی ممکن است به دلیل جرم کمتر، راحتی بهبود یافته و محدودیت‌های سینماتیکی کمتر نسبت به اسکلت‌های خارجی سنتی برتر باشند. با تأیید مجدد فناوری نرم، اسکلت خارجی متصل که به بهترین نحو هزینه راه رفتن را در مقایسه با عدم استفاده از دستگاه بهبود می بخشد، در حال حاضر یک اسکلت خارجی با رابط کاربر-دستگاه، نرم و انعطاف پذیر است.
 

 

کنترل‌کننده‌های اسکلت خارجی با استفاده از هوش مصنوعی و بهینه‌ سازی آنلاین و کمک به انطباق کاربر با محیط، ممکن است انتقال تکنولوژی را به «دنیای واقعی» تسهیل کنند.

محققان همچنین در حال توسعه کنترل‌کننده ‌های هوشمندی هستند که به طور مداوم ویژگی ‌های اسکلت خارجی را برای بهینه‌سازی هزینه پیاده‌روی و دویدن کاربر به روز می‌کنند. ژانگ و همکارانش نشان دادند که کنترل‌کننده‌ای را توسعه دادند که به سرعت پروفایل‌های متابولیک را تخمین می‌زند و مشخصات گشتاور اسکلت خارجی مچ پا را برای بهینه‌سازی هزینه راه رفتن و دویدن انسان تنظیم می‌کند. ما کنترل‌کننده‌ های هوشمندی را پیش‌بینی می‌کنیم که اسکلت ‌های بیرونی را قادر می‌سازند فراتر از پارامترهای کمک ثابت معمولی حرکت کنند و فیزیولوژی کاربر را در یک حلقه بسته با دستگاه هدایت می‌کنند تا دستگاه کمکی بهینه اسکلت خارجی را در همه شرایط حفظ کنند.

از آنجایی که اندازه‌گیری هزینه متابولیک در طول زندگی روزمره غیرواقعی است، اسکلت ‌های بیرونی آینده ممکن است حسگرهای پوشیدنی تعبیه ‌شده (به عنوان مثال، الکترودهای سطح الکترومیوگرافی، واحدهای پالس اکسیمتری و/یا پروب‌های اولتراسونوگرافی) را در خود جای دهند که کنترل‌کننده را از وضعیت فیزیولوژیکی فعلی کاربر مطلع و در نتیجه بهینه سازی مداوم دستگاه کمکی برای به حداقل رساندن هزینه متابولیک تخمینی کاربررا فعال می‌کند. در سطح بالایی از کنترل، محققان از تکنیک هایی برای شناسایی هدف کاربر، پارامترهای محیطی و بهینه سازی  دستگاه کمکی اسکلت خارجی در چندین کار استفاده می کنند. نسخه اولیه این پارادایم تکنیک، اجرای کنترل میوالکتریک متناسب در اسکلت های بیرونی بود.

این استراتژی مستقیماً گشتاور اسکلت خارجی را بر اساس زمان و میزان فعالیت عضله مورد نظر تعدیل می‌کند که می‌تواند دستگاه را با تغییر بیومکانیک کاربران تطبیق دهد. با این حال، این استراتژی نتایج متفاوتی را به همراه داشته است و به دلیل تطبیق ‌های سریعی که برای انجام وظایف مختلف و همچنین تغییرات آهسته‌تر به دلیل یادگیری دستگاه رخ می‌دهد، استفاده مؤثر آن چالش برانگیز است.

دانشمندان با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین و هوش مصنوعی برای ترکیب کردن اطلاعات از هر دو حسگر روی کاربر و دستگاه برای ادغام بهتر کاربر و اسکلت خارجی، پیشرفت‌های هیجان‌انگیزی داشته‌اند، اما این تکنیک‌ ها هنوز به صورت تجاری به فناوری اسکلت خارجی تبدیل نشده‌اند. این استراتژی‌ ها این پتانسیل را دارند که اسکلت‌ های بیرونی بتوانند حالت ‌های حرکتی کاربر (مانند دویدن، راه رفتن، پایین آمدن از سطح شیب‌دار و بالا رفتن از پله‌ها) را تشخیص دهند و پارامترهای دستگاه را برای برآورده کردن نیازهای وظایف مربوطه تغییر دهند.
 

هزینه اسکلت بیرونی انسان چقدر است؟

در حال حاضر، پذیرش گسترده‌تر فناوری اسکلت خارجی هنوز به دلیل تعدادی از عوامل از جمله ظرفیت باتری، محدوده حرکت محدود و هزینه متوقف شده است. آقای اسپراگ از Accenture می گوید: «هزینه متوسط [اسکلت خارجی تمام بدن] حدود 45000 دلار است.
 

جمع بندی

بر اساس چشم انداز آینده فناوری اسکلت خارجی در کوتاه‌مدت، پیش‌بینی می‌کنیم که گسترش اسکلت خارجی، محققان را از سطح آزمایشگاهی خارج کند. بنابراین، می توانند مستقیماً به چگونگی تأثیر کمک اسکلت خارجی بر عملکرد پیاده‌روی و دویدن در دنیای واقعی بدون تکیه بر یافته‌های مبتنی بر آزمایشگاهی بپردازند. با خروج از آزمایشگاه، انتظار داریم که فناوری اسکلت خارجی فراتر از بهبود هزینه راه رفتن و دویدن انسان در دهه آینده گسترش یابد و سایر جنبه‌های عملکرد حرکتی را که بر تحرک روزانه در محیط ‌های طبیعی تأثیر می‌گذارند، آغاز کند. برای فهرست کردن چند چالش بزرگ، اسکلت های بیرونی ممکن است شروع به تقویت ثبات، چابکی و استحکام راه رفتن کاربر کنند. به عنوان مثال، اسکلت های بیرونی ممکن است باعث شوند کاربران:
 
* چابک تر و سریع تر با افزایش ظرفیت نیروی نسبی عضلات خود حرکت کنند.
* استحکام برای جلوگیری از آسیب در حین فعالیت های خطرناک مانند مانورهای برش سریع یا سقوط از ارتفاعات زیاد داشته باشند.
 
برای انجام این جهش‌ها، مهندسان باید به بهبود فناوری اسکلت خارجی ادامه دهند، فیزیولوژیست‌ها باید ارزیابی عملکرد انسان را اصلاح کنند، پزشکان باید در نظر بگیرند که چگونه اسکلت ‌های بیرونی می‌توانند مداخلات توانبخشی بیشتری را انجام دهند، روانشناسان باید درک بهتری از نحوه تعامل و تجسم کاربر با آن داشته باشند. طراحان باید اسکلت‌های بیرونی را در برنامه‌ریزی فضایی در نظر بگیرند و متخصصان مراقبت‌های بهداشتی ممکن است نیاز داشته باشند توصیه‌های ورزشی خود را برای توضیح استفاده از اسکلت‌های بیرونی به‌روزرسانی کنند.

در مجموع، این تلاش ها به ایجاد یک «پروژه» کمک می کند که می تواند به طور مداوم به روز شود تا به حرکت در تعامل بین انسان، ماشین و محیط کمک کند. چنین دستورالعمل‌هایی زمینه را برای اسکلت‌های بیرونی که در همزیستی با کاربر عمل می‌کنند، فراهم می‌کند تا خطوط بین انسان و ماشین را محو کند. ایجاد حلقه بین سخت افزار اسکلت خارجی، نرم افزار و سیستم های بیولوژیکی کاربر (به عنوان مثال، هر دو بافت عضلانی اسکلتی و عصبی) دسته جدیدی از دستگاه ها را قادر می سازد که ساختار و عملکرد عصبی مکانیکی انسان را در هر دو مقیاس زمانی کوتاه و طولانی در طول راه رفتن و دویدن هدایت کنند. تا آن زمان، ما توجه خود را بر توانایی اسکلت های بیرونی برای بهبود اقتصاد راه رفتن و دویدن انسان متمرکز می کنیم.

تا کنون، 17 مطالعه گزارش کرده اند که اسکلت های بیرونی هزینه راه رفتن و دویدن طبیعی انسان را بهبود می بخشد. همانطور که این دستگاه‌ها تکامل می‌یابند و برای استفاده عمومی در دسترس قرار می‌گیرند، نه تنها به بهبود هزینه راه رفتن و دویدن در بزرگسالان جوان ادامه می‌دهند و عملکرد ورزشکاران نخبه را نیز افزایش می‌دهند، بلکه به بزرگسالان مسن اجازه می‌دهند تا با همنوعان خود همگام شوند و افراد دارای معلولیت را قادر می‌سازند تا از همتایان خود پیشی بگیرند و کاوشگران را به عمق بیابان ببرند.
 
منبع: گریگوری ساویکی، Georgia Institute of Technology,