قطعاً یکی از تأثیر گذارترین شخصیتها در زمینه فناوریهای ارتز، پروتز و اسکلتهای بیرونی Hugh Herr است. کسی که در ۱۷ سالگی هر دو پای خود را هنگام صخره نوردی از دست داد. اما پس از آن با پاهای مصنوعی که خودش می‌ساخت صخره نوردی را ادامه داد. سپس استاد MIT شد و اکنون پیشرفته ترین پروتز های جهان را می‌سازد.

در این قسمت از مجموعه پادکست‌های Robots، اودرو نش (Audrow Nash) با Hugh Herr مدیر گروه بیومکاترونیک دانشگاه MIT گفت‌وگو می‌کند. آقای Herr در مورد حادثه‌ای که منجر به قطع هر دو پای وی شده و اینکه چگونه این حادثه صخره‌نوردی و دوره دانشگاهی او را تحت تأثیر قرار داده صحبت می‌کند. او راجع به ارتز و اسکلت‌های بیرونی توسعه یافته توسط گروه پژوهشی خود و همچنین آینده فناوری زیستی نیز توضیحاتی ارائه می‌دهد.

در بین موضوعات مورد بحث به اسکلت بیرونی پایین تنه زیر نیز اشاره‌ای می‌شود. این اسکلت بیرونی نخستین اسکلت بیرونی پایین تنه برای کاهش مصرف انرژی کاربر هنگام راه رفتن است (مصرف انرژی به کمک اندازه‌گیری مصرف اکسیژن مشخص می‌شود). این کار با کمک عضلات ساق پا و با استفاده از مفاصل بدن به جای مفاصل سنگین مکانیکی انجام می‌شود. آقای Herr می‌گوید: «کاربران زمانی که اسکلت بیرونی را در می‌آورند احساس می‌کنند که پاهای خودشان سنگین‌تر است».

در سخنرانی TED در سال ۲۰۱۴ آقای Herr معلولیت را به عنوان شکست فناوری توصیف می‌کند. سپس طراحی پروتز و پژوهش‌های آزمایشگاهی خود را مورد بحث قرار می‌دهد.

Hugh Herr

هدف برنامه‌های پژوهشی وی پیشبرد فناوری‌‌هایی است که موجب سرعت بخشیدن ادغام بدن و ماشین می‌شود؛ از جمله این فناوری‌ها می‌توان به معماری دستگاه‌هایی اشاره کرد که شبیه طرح عضلانی بدن است، فناوری‌های محرک که مانند عضلات رفتار می‌کنند و روش‌های کنترلی که اصول جنبش زیستی را استخراج می‌کند. روش او شامل مجموعه‌ای متنوع از رشته‌های علمی و فناوری، از علم بیومکانیک و کنترل جنبش‌های زیستی تا طراحی دستگاه‌های پزشکی برای درمان ناتوانی جسمی انسان است.

دستاوردهای پژوهشی وی در علم و فناوری در حال حاضر تأثیر قابل توجهی روی زندگی افراد دچار مشکلات جسمی داشته است از جمله پروتز زانو Transfemoral Quasipassive که توسط Össur تجاری شده و در حال حاضر در دسترس معلولان است. او در سال ۲۰۰۶ شرکت iWalk را تأسیس کرد تا پروتز فعال مچ پا/زانو و سایر دستگاه‌های مصنوعی پا را تجاری کند. پروفسور Herr در تعدادی از جوامع دانشگاهی نیز فعالیت داشته است. او در کنفرانس‌ها و سخنرانی‌های بین‌المللی بیشماری از جمله چهارمین کنگره جهانی بیومکانیک و کنفرانس بین‌المللی پروتز پیشرفته شرکت کرده است. وی در مجلات و رسانه‌های ملی و بین‌المللی گوناگونی نیز فعالیت دارد.

پیوندها

• Download mp3 (18.3 MB)
• Link to the Biomechatronics Group’s webpage
• Subscribe to Robots using iTunes
• Subscribe to Robots using RSS

بخشی از گفت‌وگوی Audrow Nash و Hugh Herr درباره پژوهشهای وی درباره پروتزهای معلولان و اسکلتهای بیرونی آینده

لطفاً کمی در مورد خودتان و حادثه‌ای که موجب قطع پاهایتان شد صحبت کنید.

نام من Hugh Herr است و استاد دانشگاه MIT هستم. من همکاری مستقیمی با مرکز Extreme Bionics دارم. همچنین بنیانگذار شرکت فناوری‌های پزشکی BionX هستم.

من مشتاق کوهنوردی بودم و از هفت سالگی کوهنوردی را آغاز کردم. در اوایل نوجوانی به عنوان یک نابغه در بالا رفتن از کوه معرفی شدم. وقتی که هفده ساله بودم با دوستانم کوهنوردی می‌کردم. هدف ما بالا رفتن از کوه واشنگتن در زمستان و صعود از دره هانتینگتون بود که حدود هشتصد پا ارتفاع و دیوار یخی با شیب تندی دارد. ما بسیار سریع به دیوار هشتصد پایی صعود کردیم و پس از آن تصمیم گرفتیم به سمت قله راه خود را ادامه دهیم. شرایط آب و هوایی بد و بدتر می‌شد. درحالی که ما تنها پنج دقیقه بالای دیوار دره هانتینگتون بودیم قادر به ردیابی و پایین آمدن از کوه نبودیم.

ما در آن نقطه گیر کرده بودیم. رفتن به سمت قله انتخاب عاقلانه‌ای نبود. در آن نقطه سرعت باد به قدری زیاد است که قادر به ایستادن نیستید. ما مجبور به پایین آمدن از دره شدیم. آن ناحیه را با نام خلیج بزرگ می‌شناسند. این سمت، سمت خالی از سکنه کوه واشنگتن است و جایی بود که ما هفت روز را در بدترین شرایطی که می‌توان تصور کرد به سر بردیم. عمق برف تا کمر ما بود. گاهی اوقات به قفسه سینه هم می‌رسید. ما به سادگی در یک ماز سفید به دام افتاده بودیم.

در طول روز راه می‌رفتیم و زمانی که از خستگی قادر به حرکت نبودیم در بین برف‌ها پناهگاهی می‌ساختیم. ما حدود دو مایل حرکت کرده بودیم و به دلیل یخ زدگی شدید قادر به راه رفتن نبودیم. بعد ما را پیدا و با هلیکوپتر منتقل کردند و به دلیل یخ‌زدگی شدید تحت درمان قرار گرفتیم.

پس به دلیل یخ زدگی شدید شما هر دو پای خود را از زانو به پایین از دست دادید؟

درست است. پس از چند ماه تلاش توسط تیم پزشکی برای حفظ اندام زیستی من، آنها قطع شدند. ما اواخر ماه ژانویه در کوه بودیم، پاهای من اواسط ماه مارس قطع شد.

پس از آن شما دوباره صخره نوردی کردید؟

بله، من نمی‌دانستم با بدن جدیدم چه کاری قادرم انجام دهم. پدرم گفت: «اگر می‌خواهی صعود کنی باید صعود کنی». من واقعاً هیچ پیش زمینه‌ای از زندگی با اندام مصنوعی نداشتم. اندام من قطع شده بود و پس از حدود یک تا دو ماه معالجه، من نخستین اندام مصنوعی خود را دریافت کردم. در ابتدا من از عدم پیچیدگی آن شوکه شده بودم. من بدون عصا نمیتوانستم از آنها استفاده کنم چون ممکن بود بشکنند. نخستین تعطیلات آخر هفته که من از مرکز توانبخشی به خانه رفتم آنها به من اجازه ندادند که پاهای مصنوعی را با خود ببرم. اما آخر هفته بعدی آنها اجازه دادند و من با برادرم تونی به کوهنوردی رفتم.

چگونه شما اندام‌های‌ مصنوعی خود را برای صعود و اهداف گوناگون وفق دادید؟

من روی عملکرد اندام مصنوعی تمرکز کردم و با خود فکر کردم چگونه می‌توان یک اندام مصنوعی بهینه برای صخره و یخ‌نوردی طراحی کرد. تنها دوازده ماه پس از قطع پاهایم توانستم پروتزی طراحی کنم که بهتر از اندام‌های مصنوعی که دیده بودم برای بالا رفتن به من کمک کند.

چگونه توانستید به دانشگاه راه پیدا کنید و چرا این هدف و راه را انتخاب کردید؟

مردان خانواده من، پدر، برادران و پدربزرگ من در شغل ساخت و ساز بودند. من قبل از این حادثه قصد داشتم بهترین کوهنورد دنیا باشم و هیچ تصمیمی برای رفتن به دانشگاه نداشتم. بعد از آن حادثه نیز با توجه به اندام مصنوعی ناراحت کننده‌ای که در آن زمان داشتم شغل ساخت و ساز بسیار مشکل بود. پس به دانشگاه رفتم و در دوره‌های علوم رایانه و ریاضی شرکت کردم. من شور و شوق فوق العاده‌ای برای دانستن موضوعات گوناگون داشتم و نمی‌توانستم مطالعه را متوقف کنم. شوق مطالعه جایگزین شور و شوق من برای کوهنوردی شد.

پس از آن شما هر آنچه را آموخته بودید برای ساخت پروتز خود بکار گرفتید. چه زمانی شما این کار را آغاز کردید؟

هدف من ادامه طراحی پروتز بود. تجربه طراحی پا برای صخره‌نوردی فراتر از انتظار همه از جمله خود من و بسیار الهام بخش بود. من متوجه شدم که قدرت فناوری برای درمان، توانبخشی و حتی گسترش توانایی انسان فراتر از قابلیت‌های ذاتی است که آن نیز انگیزه‌ای برای کسب دانش بود. نخستین ثبت اختراع من زمانی که در مقطع کارشناسی در رشته فیزیک فارغ‌التحصیل شدم بدست آمد.

می‌توانید کمی در مورد پروتزهایی که پوشیده‌اید صحبت کنید؟

من دو پای مصنوعی پوشیده‌ام. هر دو پا سه ریزپردازنده و دوازده حسگر دارند. ریزپردازنده کنترل کننده است و یک محرک شبیه عضلات، مچ پای مصنوعی را حرکت می‌دهد. حسگرها موقعیت، سرعت، شتاب، نیرو، دما و همچنین موقعیت و سرعت مفصل‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.

این پروتز چه تفاوتی با سایر پروتزها دارد؟

همه پروتز‌های پا/مچ پای دیگری که موجود است با انرژی انسان حرکت می‌کنند. به این معنی که کنترل وحرکت آنها وابسته به انرژی انسان است. پاهایی که من پوشیدم زیستی هستند. آنها انرژی مکانیکی را به گام  فرد هنگام راه رفتن تزریق می‌کنند که شبیه به آن چیزی است که عضلات برای انجام این کار استفاده می‌کنند.

چگونه این پروتز به اندام باقی مانده متصل می‌شود؟

در MIT من یک گروه داشتم که در مورد این اتصال فکر می‌کردند. انتهای اندام باقی‌مانده وارد یک دستگاه شبیه فنجان می‌شود که وزن من را حمایت می‌کند. ما از طریق ریاضیات شکل را بدست آوردیم و با کمک فناوری چاپ سه بعدی ساختار را ایجاد کردیم.

برای طراحی این پروتز با چه چالش‌هایی روبه‌رو بودید؟

رابط. اگر شما از هزار نفر معلول بپرسید که چه مشکلی با اندام مصنوعی دارند احتمالاً همه هزار نفر خواهند گفت: رابط مکانیکی، چون بسیار ناراحت کننده است. این یک مشکل بسیار مهم و پیچیده‌ای است. ما به دنبال ساخت سوکت‌هایی راحت با هزینه کم و سریع هستیم.

چگونه اندام باقی مانده را مدل می‌کنید و قسمت‌های چاپ سه بعدی را می‌سازید؟

ما یک تصویر MRI از اندام تهیه می‌کنیم این تصویر شکل استخوان‌ها، پوست و عضلات را به ما نشان می‌دهد. پس از آن ما با استفاده از ابزار لمس رباتیک بافت را فشرده می‌کنیم و سرعت و نیروی جابجایی بافت که ثابت‌های بنیادی بافت را مشخص می‌کنند، اندازه‌گیری می‌کنیم. سپس یک مدل مکانیکی می‌سازیم. اگر شما یک توصیف ریاضی از بخش‌های زیستی داشته باشید می‌توان فشار را اعمال کرد. مدل به شما خواهد گفت که چگونه بافت تغییر شکل می‌دهد و تغییر شکل بافت را معین می‌کنیم.

شرکت شما چه نقشی در توسعه فناوری دارد؟

در دانشگاه ما به دنبال علم، انجام پژوهش‌ها و نشر آنها هستیم. در دانشگاه فرضیه‌ها را آزمایش می‌کنیم و چیزهایی که قبلاً هرگز انجام نشده را آزمایش می‌کنیم. در این شرکت ما اساساً نمونه‌های اولیه‌ِی خام که در دانشگاه ساخته شده را تجاری می‌کنیم. این بدان معناست که آنها را به اندازه کافی سبک، قوی، با دوام و قابل ساخت می‌کنیم و به قیمت مناسب می‌رسانیم. سپس آنها را با خدمات بالینی لازم در سطح جهانی توزیع می‌کنیم.

می‌خواهم در مورد اسکلت بیرونی صحبت کنیم. نخست بگویید تعریف شما از اسکلت بیرونی چیست و چگونه آن را به اندام‌های مصنوعی مرتبط می‌دانید؟

تعریف من از اسکلت بیرونی یک دستگاه است که متصل و نزدیک به بدن است و موجب تقویت فیزیکی می‌شود. منظور من از تقویت این است که انسان را قادر می‌سازد تا کاری فراتر از توانایی طبیعی بدن سالم انجام دهد. کلمه ارتز یک اصطلاح پزشکی برای یک رباتی است که به بدن متصل می‌شود و فرد معلول را قادر می‌سازد تا به صورت طبیعی حرکت کند. اسکلت بیرونی رباتی پوشیدنی است که موجب تقویت می‌شود.

می‌توانید کمی در مورد هزینه سوخت و ساز بدن به عنوان یک پارامتر برای طراحی اسکلت بیرونی بگویید؟

هدف از طراحی اسکلت بیرونی تقویت انسان است. یک معیار بسیار عالی، ارزیابی مقدار انرژی مصرفی فرد هنگام استفاده از اسکلت بیرونی و بدون استفاده از آن است. چرا؟ نظر من این است که اگر اسکلت بیرونی سطح انرژی انسان را افزایش دهد، فرد از آن استفاده نخواهد کرد. این معیار بسیار مهمی برای ارزیابی است.

شما چگونه این را اندازه‌گیری کردید؟

به طور معمول برای ورزش‌های هوازی آن را با نظارت بر مقدار اکسیژنی که فرد تنفس می‌کند و مقدار دی اکسید کربن خارج شده اندازه‌گیری می‌کنند. با این دو نرخ می‌توان کالری‌های سوزانده شده در واحد زمان را محاسبه کرد.

در حال حاضر  افرادی که از ساختار مصنوعی استفاده می‌کنند چه احساسی دارند؟

بدن انسان شگفت‌آور است. زمانی که یک فرد شروع به استفاده از آنها می‌کند، در ابتدا بسیار سریع انرژی که فراهم شده را احساس می‌کند و بدن انسان به استفاده از آن عادت می‌کند. سپس زمانی که آن را درمی‌آورید تلو تلو می‌خورید و احساس می‌کنید که پاهای شما سنگین هستند. این به ما می‌گوید که پوشیدن ساختارهای مصنوعی امری عادی در آینده خواهد بود.

فکر می‌کنید اسکلت بیرونی در آینده چه کاربردهای دیگری خواهد داشت؟

نوع دیگری از تقویت حفظ استقلال فیزیکی سن است. جهانی را تصور کنید که بهترین زمان دویدن شما در یک ماراتن در شصت سالگی باشد و از سن پانزده سالگی در ماراتن‌ها دویده باشید. چرا؟ چون شما یک ورزشکار ماهرتر شده‌اید. با افزایش سن، فناوری تأثیر انحطاط وابسته به سن را از بین می‌برد حال توسط ایمپلنت‌های عصبی، توسط پزشکی احیاکننده، اسکلت بیرونی و یا اشکال مختلفی از تقویت. این یک شکل بسیار قابل لمس از تقویت است.

چه تنگناهایی در زمینه اسکلت بیرونی وجود دارد؟

من مطمئن هستم که تنگناهای فنی وجود ندارد و تا حد زیادی اجزای کافی وجود دارد. مشکل واقعی با طراحی و معماری است. تعامل انسان و ماشین چیزی است که ناشناخته است، بنابراین قراردادن یک ساختار مصنوعی در انسان و تطبیق کنترل آن با بهینه‌سازی‌های انسان و ماشین انتقادی به آینده این بخش از طراحی است. تصور کنید شما را در یک دستگاه قرار دهند و شما تنها شروع به راه رفتن و دویدن کنید و دستگاه رفتارش برای بهینه‌سازی عملکرد خود با شما را در یک تلاش مشترک تنظیم کند.

اهداف کوتاه مدت شما چه هستند؟

در درجه اول می‌خواهم سه چیز را انجام دهم. نخست پیشبرد محرک‌های  عضلانی، محرک‌هایی که بهتر از نوع زیستی باشند. می‌خواهم رابط الکتریکی بین سیستم محیطی عصبی انسان و دستگاه را درک کنم. همچنین می‌خواهم یک روش راحت برای اتصال دستگاه به بدن را پیدا کنم. این سه نوآوری تعریف علم فرآیند زیستی در این قرن است.

برای شنیدن گفتگوی کامل پروفسور Herr بر روی لینک پادکست بالای صفحه کلیک کنید.

منبع: robohub.org