ربات توانبخشی Harmony، آزمایشگاه رباتیک ReNeu، دانشگاه تگزاس در Austin

پژوهشگران در آزمایشگاه رباتیک ReNeu از دانشکده مهندسی دانشگاه تگزاس در Asutin، پیشرفت‌های صورت گرفته روی اسکلت خارجی ایستای خود را با نام HARMONY که به منظور توانبخشی ساخته شده است، منتشر کرده‌اند. آزمایشگاه رباتیک ReNeu به صورت تخصصی بر روی تجهیزات رباتیک کمکی برای توانبخشی به بیمارانی کار می‌کند که از معلولیت‌های عصبی و عضلانی ناشی از سکته مغزی و آسیبهای بالاتنه رنج می‌برند. معمولاً این بیمارها ناچار به استفاده از فیزیوتراپی زیاد و اجرای مکرر حرکتهای ورزشی با کمک و همراهی افراد حرفه‌ای هستند.

یک ربات اسکلت بیرونی ایستا همانند HARMONY، به طور بالقوه می‌تواند فواید زیر را در طول تمرینهای توانبخشی به همراه داشته باشد:
• حمایت بالا تنه
• کاهش احتمال صدمه دیدن، با کنترل و محدود کردن بازه تغییرات برای جلوگیری از کشش بیش از حد مفاصل و یا افزایش فشار برروی آنها
• تأمین نیروی کمکی در طول حرکتهای تمرینی که مقدار آن می‌تواند با گذشت زمان کاهش یابد.
• انتقال حرکت مورد نظر با اسکلت بیرونی به یک نمایشگر یا ابزار واقعیت مجازی برای ایجاد امور توانبخشی تعاملی و بازی‌ها
• تامین بازخوردهای دقیق که می‌تواند توسط درمانگر مورد بررسی قرار گیرد.

گروه پروژه HARMONY متشکل از دانشجویان تحصیلات تکمیلی است که توسط پژوهشگر مهندسی پزشکی، Ashish Deshpande، رهبری می‌شود. علاوه بر هدفهایی که پیش از این به آنها اشاره شد، هدف دیگر آنست که اسکلت بیرونی همواره فعال باشد لذا باید کاربر وزن آن را احساس نکند. دستیابی به این هدف طراحی بسیار دشوارتر از سایر هدفهاست. با این حال تا زمانی که نیروی اعمال شده از طرف اسکلت بیرونی با تمرین‌های توانبخشی تداخل نداشته باشد، این مورد آنچنان مهم نخواهد بود. در نهایت اسکلت‌های بیرونی ثابت (متصل به دیوار یا طناب پشتیبان) می‌توانند به بیمار کمک کنند تا قدرت و مهارت‌های حرکتی خود را سریع‌تر، کاراتر و با روش‌های خلاقانه تر بازیابد.

Ashish D. Deshpande

Deshpande، استادیار دانشکده مهندسی پزشکی می‌گوید:  «HARMONY حد اعلی سالها تحقیق و توسعه در آزمایشگاه رباتیک ReNeu است که به صورت اختصاصی برای ارائه درمان‌های سفارشی به منظور دستیابی به کارایی بیشتر طراحی شده است. نه تنها اسکلت بیرونی با توجه به اندازه بیمار قابل تنظیم است، بلکه می‌تواند برنامه ریزی شود تا با توجه به نیازهای درمانی اشخاص نرم تر یا سفت تر باشد.»

نخستین نسخه از ربات توانبخشی HARMONY در سال ۲۰۱۱ ساخته شد. مدل کنونی که با کمک Meka Robotics از San Francisco ساخته شده است، در سه نقطه به بدن بیمار متصل شده و از ۱۴ محرک بهره‌مند است و همچنین داده ها را با فرکانس ۲۰۰۰ هرتز جمع آوری می‌کند.

پیشینه

اسکلت بیرونی توانبخشی HARMONY اولین این نوع اسکلت‌های بیرونی نیست. در سال ۲۰۰۹ ،Jacob Rosen دانشیار مهندسی کامپیوتر در دانشگاه UC Santa Cruz، گروهی را رهبری کرد که ابزاری مشابه را توسعه دادند. اسکلت آنها تعداد موتور کمتری داشت و این موتورها روی دیواری پشت اسکلت بیرونی کار گذاشته شده بودند و نیروها را توسط مجموعه‌ای از سیم‌های فلزی انتقال می‌دادند.

Jacob Rosen؛ دانشیار مهندسی کامپیوتر در حال نمایش آخرین نمونه تولید شده از بازوهای اسکلت خارجی خود

Jacob Rosen می‌گوید: «هنگامی که سکته مغزی قشر حرکتی را تحت تأثیر قرار می‌دهد معمولاً معلولیت در یک نیمه از بدن رخ می‌دهد. توانبخشی‌ها بر اساس توانایی شکل‌پذیری مغز برای بازیابی حرکت استوار است، اما فرآیند یادگیری در درمان فیزیکی نیازمند زمان بسیار زیادی است. »

افزون بر کاربری‌های توانبخشی، این اسکلت بیرونی به عنوان یک بستر آزمون برای واسط انسان و ماشین بکار گرفته شد. یک کاربر بازی‌های رایانه‌ای مبتنی بر وظایف محول شده و موقعیت بخشهای اسکلت خارجی انجام خواهد داد. برای مثال، بیمارانی را در نظر بگیرید که می‌بایست بازوی خود را دراز نمایند و آنها می‌توانند بر روی یک نمایشگر رایانه مشاهده کنند که چگونه بازوی مجازی آنها یک جسم را در فاصله و ارتفاع صحیح لمس می‌کند. افزون بر این اسکلت خارجی همراه با الکترومایوگرافی سطحی غیر‌تهاجمی (EMG) استفاده شد. الکترودهای سطحی قرار گرفته بر روی پوست، فعالیت‌های عصبی را هنگام جابجایی بخش خاصی از اسکلت بیرونی شناسایی کرده و سپس سیگنال‌های عصبی به گروه‌های عضلانی ارتباط داده می‌شدند.

حرکت رو به جلو

نخستین نمونه ساخته شده از ربات اسکلت بیرونی HARMONY

در حال حاضر اسکلت بیرونی HARMONY رسماً کامل شده است، اما پژوهشگران کار توسعه نرم‌افزار را ادامه خواهند داد. برای آزمایش انسانی وسیله توسط ۲۰ تا ۳۰ فرد سالم برنامه‌ریزی شده است که بعد از آن، با مطالعات بالینی بر روی بیماران سکته مغزی و آسیب نخاعی ادامه خواهد یافت. مطالعات بالینی که کارایی اسکلت بیرونی توانبخشی را نشان دهد، موضوعی مشترک بین گروه‌های تحقیقاتی و شرکت‌های تولید‌کننده اسکلت بیرونی در سال ۲۰۱۵ خواهد بود.

منبع: Exoskeleton Report