ساخت پای هوشمند با قابلیت شخصی‌سازی



با پیشرفت شگفت‌انگیز فناوری در یکی دو دهه اخیر، زندگی معلولان نیز کیفیت به‌مراتب بالاتری پیدا کرده است و هر روز فناوری‌های نوینی برای کمک به حرکت معلولان و بیماران قطع عضو ایجاد می‌شود.
هوشمندشدن روز به روز پاهای مصنوعی ویژه معلولان یکی از دستاوردهای فرایند پیشرفت فناوری است که هر روز ابعاد تازه‌تری پیدا می‌کند.
جدیدترین دستاورد ابزارهای فناورانه برای کمک به افراد معلول، پاهای هوشمندی هستند که قابلیت تطبیق با سرعت حرکتی و شکل حرکت صاحب خود را دارند.
 بر اساس تحقیقاتی که به‌تازگی صورت گرفته، پای هوشمندی ساخته شده که بر مبنای یک الگوریتم خاص عمل کرده و امکان سفارشی‌سازی گام‌های روباتیک را فراهم می‌کند.
این پای مصنوعی هوشمند با سنجش فشار بر مچ پا و سایر نقاط آن علاوه بر تنظیم سفارشی‌شده فشار در هر نقطه، میزان مصرف انرژی را نیز به‌میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. بر اساس آزمایش‌هایی که روی 11 فرد سالم که به‌صورت آزمایشی به این سیستم مجهز شده‌اند انجام شده، پس از یک ساعت استفاده مشخص شده که میزان مصرف انرژی تا 24 درصد کاهش یافته است.
راشل جکسون، یک عضو تیم تحقیقاتی این پروژه که در بخش مهندسی مکانیک در دانشگاه کارنگی ملون فعال است، در گفت‌وگویی اعلام کرده این میزان کاهش انرژی مصرفی عضو مصنوعی بیش از میزان انتظار و حتی شگفت‌انگیز بوده است.
این نتایج قابل ملاحظه موجب شد جکسون و همکارانش، به رهبری استیون کالینز در روز 22 ژوئن نتیجه تحقیقات خود را در یک مجله علمی منتشر کنند تا همگان از این رخداد بزرگ فناورانه آگاه شوند.
شاید درك 24 درصد اتلاف انرژی بـرایتان بی‌معنی باشد. برای درك بهتر این مـقـدار کاهش انرژی، جالب است بدانید که مـصـرف 24 درصد انرژی بیشتر مانند حمل یك وزنه 15 كیلوگرمی یا 20 درصد سریع‌تر راه‌رفتن است.
این پای تازه طراحی‌شده ظاهری مناسب نیز دارد و ‌از نظر ابعاد و شكل ظاهری، شبیه نمونههای پاهای مصنوعی متداول بوده و بیش از اندازه زمخت و بزرگ نیست. تنها تفاوت قابل لمس شاید آن باشد كه قسمت جلویی و عـقبی در این پا از هم جدا هستند که همین موضوع موجب می‌شود که قسمت جلویی و عقبی بتوانند حرکتی جداگانه و مستقل داشته باشند.
آن‌طور که جکسون در گفت‌وگو با سایت لایوسنس اعلام کرده، استفاده از این پای مصنوعی برای افرادی که دارای اختلالات فیزیکی مانند سکته مغزی شده‌اند، آسیب عصبی دیده یا قطع عضو هستند، ممکن است مزایای قابل ملاحظه‌ای به‌همراه داشته باشد. فرد با استفاده از این پای مصنوعی می‌تواند با قدرتی بیش از یک پای عادی سالم حرکت کرده و حتی بارهای سنگین را جابهجا کند.
در استفاده آزمایشی از این پای مصنوعی کم‌مصرف، پس از اتصال پای مصنوعی کمکی برای نمونهها از آنها خواسته می‌شود روی تردمیل بدوند، سپس با اندازه‌گیری اکسیژن مصرفی و دی‌اکسیدکربن تولیدی افراد، میزان مصرف انرژی توسط هر فرد محاسبه می‌شود.
همین فرایند در شرایط عادی و درحالی‌که افراد از پای مصنوعی استفاده نمی‌کنند نیز سنجیده می‌شود که نتایج حاصل نشان داده مصرف انرژی در زمان استفاده از پای مصنوعی به طرز قابل ملاحظه‌ای کاهش داشته است.
سنجش داده‌های آماری اکسیژن مصرفی و دی‌اکسیدکربن پس‌زده شده از طریق به‌کارگیری الگوریتمی پیچیده که توسط تیم تحقیقاتی ساخته شده ممکن می‌شود. این الگوریتم پاسخ‌های شرکت‌کنندگان را با 32 الگوی مختلف آزمایش می‌کند و هر دو دقیقه الگوی قبلی را تغییر می‌دهد و با اندازه‌گیری نتایج حاصله از هر الگو تشخیص می‌دهد چه الگویی برای هر فرد مناسب‌تر است.
در پایان جلسه که حدود یک ساعتی طول می‌کشد، مشخص می‌شود که برای هر فرد معلول یا دچار نقص حرکتی پای مصنوعی باید چه میزان فشار به پاشنه یا سایر نقاط پا وارد کند تا مصرف انرژی بهینه بوده و راه‌رفتن برای بیمار به بهترین و آسان‌ترین شیوه ممکن انجام پذیرد.
 به این ترتیب باید گفت نتایج حاصله برای هر فرد متفاوت بوده و پای مصنوعی هوشمند برای هر فرد بر اساس شرایط بدنی‌اش تنظیم و بهینه‌سازی می‌شود.
این تیم تحقیقاتی قصد دارد در آینده اسکلتی با شش مفصل طراحی کند که بتواند به تمام عضلات پایین‌تنه فرد برای راه‌رفتن کمک کند.
شیوه عملکرد پای مصنوعی جدید
این پای مصنوعی جدید البته به لحاظ مکانیکی نیز عملکردی متفاوت با نسخههای قبلی دارد که ضمن بهبود عملکرد کلی، میزان مصرف انرژی را باز هم کاهش می‌دهد.
در این سیستم جدید زمانی كه پاشنه پا در ابتدای حركت با زمین بــرخــورد مــی‌كـنــد، تـنـهــا قـسـمــت عـقـبــی پـای مصنـوعـی درگیر می‌شود و همین امر موجب فشرده شدن یک فنر در سیستم مکانیکی پا خواهد شد. وجود یک نوع کلاچ مخصوص در این پای مصنوعی حرکت ابزار متصل به‌هم آن را به‌مراتب ساده‌تر از مدل‌های قبلی می‌کند.
وقتی که قسمت جلویی پا با زمین تماس پیدا می‌كند، فنری كه در مرحله قبل فشرده شده بود، به‌صورت خــودكــار آزاد می‌شود و انـرژی ذخیـره‌شـده از مـرحلـه قبـل در ایـن مـرحلـه استفـاده می‌شود. سپس یك فنر كوچك كه در قسمت جلوی پا قرار دارد، قسمت كلاچ را با آزاد كردن قفل آن، به حالت اولیه بر میگرداند كه برای قدم بعدی آماده شود.
اتصال دقیق اجزای مکانیکی این پای مصنوعی موجب می‌شود کوچکترین زمانی در انتقال حرکت میان اجزا صورت نگیرد و راه‌رفتن سریع با پای مصنوعی مقدور شود.
استفاده از قسمت‌های الكترونیكی به‌منظور كنترل هوشمند در کنار استفاده از قسمت‌های مكانیكی شامل فنرها و كلاچ موجب شده تا مصرف انرژی به میزان قابل توجهی کاهش یافته و به کمترین میزان ممکن برسد.
از سوی دیگر، جدا بودن قسمت جلوی پا از قسمت عقبی آن و همچنین استفاده از موتورهای الكتریكی، مصرف انرژی كمتر توسط فرد و در نتیجه خستگی كمتر و راه‌رفتن معمولی‌تر را ممکن می‌کند که در نوع خود تحولی بزرگ را در عملکرد پاهای مصنوعی به‌وجود می‌آورد.
تلفیق سیستم‌های نوین مکانیکی و الکتریکی برای ساخت پای مصنوعی با کمترین میزان مصرف انرژی در میان افراد ناتوان و معلول توانسته توجه‌های زیادی را به خود جلب کند و پیش‌بینی می‌شود بازار مناسبی در انتظار ورود پاهای مصنوعی جدید باشد.