طراحی یک دست رباتیک بادی ارزان و سبک

برای بیش از ۵ میلیون نفر در جهان که دچار قطع عضو اندام فوقانی هستند، پروتزها راه طولانی را طی کرده‌اند. تعداد بی‌شماری از پروتزهای عصبی و اندام‌های بیونیک تجاری وجود دارد که برای حس کردن سیگنال‌ها از عضلات باقی‌مانده و شبیه‌سازی حرکت موردنظر کاربر طراحی شده است. اما این مهارت و فناوری بهای بالایی دارد. پروتزهای عصبی ده‌ها هزار دلار قیمت دارند و با وجود موتورهای الکتریکی سنگین و سخت هستند. با مجله فناری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

طراحی یک دست رباتیک بادی ارزان و سبک

مهندسان MIT و دانشگاه جیائو تنگ شانگهای یک پروتز عصبی نرم، سبک وزن و کم هزینه طراحی کرده‌اند. افراد قطع عضوی که این اندام مصنوعی را آزمایش کردند، فعالیت‌های روزمره مانند بستن چمدان، لمس گل و نوازش گربه را به خوبی و در مواردی بهتر از پروتزهای تجاری انجام دادند. این پروتز که با سامانه بازخورد لمسی طراحی شده است، احساس اولیه را در اندام باقیمانده داوطلب بازسازی می‌کند. طراحی جدید به طرز شگفت‌آوری بادوام است و حتی پس از آسیب، برای نمونه برخورد با چکش، به سرعت ترمیم می‌شود. این پروتز هوشمند دست، نرم و کشسان است و حدود نیم پوند وزن و مجموع اجزای آن حدود ۵۰۰ دلار هزینه دارد.

Xuanhe Zhao، استاد مهندسی مکانیک و مهندسی عمران در MIT می‌گوید: «این فناوری هنوز یک محصول نیست اما عملکرد آن مشابه یا برتر از پروتزهای عصبی موجود است. پتانسیل عظیمی وجود دارد که این پروتز نرم را برای خانواده‌های کم درآمد که از قطع عضو رنج می‌برند، هزینه بسیار پایینی داشته باشد».

دست قهرمان بزرگ

طراحی جدید و منعطف این گروه شباهت شگفت‌انگیزی به یک ربات بادی ویژه در فیلم «قهرمان بزرگ ۶» دارد. این دست مصنوعی از مواد نرم و کشسان ساخته شده است، در این مورد الاستومر تجاری EcoFlex. این پروتز شامل پنج انگشت است که هر کدام با قطعاتی از فیبر، شبیه استخوان‌ها و مفصل‌های در انگشتان واقعی ساخته شده است. انگشت‌ها به یک کف دست چاپ سه بعدی متصل می‌شوند که شبیه دست انسان است.

به جای کنترل هر انگشت با استفاده از موتورهای الکتریکی، همانطور که بیشتر پروتزهای عصبی طراحی می‌شوند، پژوهشگران از یک سامانه پنوماتیک ساده برای باد کردن دقیق انگشتان دست و خم کردن آنها در موقعیت‌های موردنظر استفاده کردند. این سامانه شامل یک پمپ کوچک و سوپاپ‌هایی است که روی قسمت کمر پوشیده می‌شود و وزن پروتز را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

پژوهشگران یک مدل رایانه‌ای ایجاد کردند تا موقعیت مورد نظر انگشت را با فشار متناظر یک پمپ برای دستیابی به آن موقعیت مرتبط کند. سپس گروه کنترل کننده‌ای را ایجاد کرد که سامانه پنوماتیک را جهت باد کردن انگشتان هدایت می‌کند.

سامانه پنوماتیک سیگنال‌هایی را از حسگرهای الکترومیوگرام (EMG) دریافت می‌کند. حسگرهای الکترومیوگرافی سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط نورون‌های حرکتی برای کنترل ماهیچه‌ها را اندازه می‌گیرد. حسگرها در دهانه پروتز نصب شده‌اند، جایی که به اندام کاربر متصل می‌شوند. به این ترتیب، حسگرها می‌توانند سیگنال‌هایی را از اندام باقی مانده دریافت کنند.

سپس گروه از یک الگوریتم موجود استفاده کرد تا سیگنال‌های عضلات را رمزگشایی کند. آنها از این الگوریتم برای برنامه‌ریزی کنترل کننده سامانه پنوماتیک خود استفاده کردند. هنگامی که یک فرد قطع عضو تصور می‌کند، برای نمونه یک لیوان آب در دست دارد، حسگرها سیگنال‌ها را از ماهیچه‌ها باقی مانده دریافت می‌کنند، سپس کنترل کننده این سیگنال‌ها را به فشارهای مربوطه تبدیل می‌کند. پمپ آن فشارها را وارد می‌کند تا هر انگشت را باد کرده و دست حرکت مورد نظر را انجام دهد.

پژوهشگران به دنبال بازخورد لمسی بودند. این ویژگی در بیشتر پروتزهای عصبی تجاری گنجانده نشده است. برای انجام این کار، آنها به نوک هر انگشت یک حسگر فشار متصل کردند که در صورت لمس یا فشار، سیگنال الکتریکی متناسب با فشار حس شده تولید می‌کند. هر حسگر به محل مشخصی در اندام باقیمانده سیم‌کشی می‌شود، بنابراین کاربر می‌تواند هنگام فشار دادن انگشت شست و اشاره به یکدیگر این فشار را حس کند.

نتایج آزمایش‌ها

پژوهشگران برای آزمایش دست بادی، دو داوطلب را انتخاب کردند که هرکدام دچار قطع اندام فوقانی بودند. از داوطلبان خواسته شد تا تعدادی آزمون استاندارد برای نشان دادن قدرت و مهارت پروتز دست انجام دهند. این وظایف شامل ورق زدن صفحات یک کتاب، نوشتن با قلم، بلند کردن توپ‌های سنگین و برداشتن اشیا ظریف مانند توت فرنگی و نان بود. آنها آزمایش‌های مشابهی را با استفاده از یک دست بیونیک تجاری و سخت انجام دادند و دریافتند که پروتز بادی در مقایسه با نمونه سخت و محکم آن در بیشتر وظایف بهتر عمل می‌کند.

همچنین یکی از داوطلبان توانست از این پروتز نرم در فعالیت‌های روزمره استفاده کند. برای نمونه برای غذا خوردن، خوردن کیک و سیب و دست زدن به اشیا و ابزارهایی مانند لپ‌تاپ، بطری، چکش و انبردست. این داوطلب همچنین می‌تواند با خیال راحت از این پروتز برای دست دادن با دیگر افراد، لمس گل و نوازش گربه استفاده کند.

در یک تمرین بسیار هیجان انگیز، پژوهشگران چشم داوطلب را بسته و متوجه شدند او می‌تواند تشخیص دهد که آنها کدام انگشت مصنوعی را فشار داده‌اند. او همچنین توانست بطری‌هایی با اندازه‌های مختلف را که در دست مصنوعی گذاشته شده بود احساس کند و در پاسخ آنها را بلند کرد. گروه آزمایش‌ها را نشانه‌ای امیدوارکننده می‌داند که افراد قطع عضو می‌توانند با دست بادی نوعی احساس و کنترل در لحظه را به دست آورند.

برای بهبود این طرح می‌توان از فناوری رمزگشایی بهتر، آرایه‌های میوالکتریک با چگالی بیشتر و پمپ جمع و جورتری که بر روی مچ دست قرار می‌گیرد، استفاده کرد.


بیشتر بخوانیم:

>> با فریب مغز پروتزها سبکتر از آنچه هستند احساس میشوند

>> پروتزها بخشی از بدن میشوند


منبع: news.mit.edu

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

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *