Personalization of Passive Hip Exosuit for Efficient Human Walking
تُظهر هذه الدراسة أن استخدام التحسين البايزي القائم على وجود العنصر البشري في الحلقة لتخصيص موضع الحزام في بدلة الورك السلبية يقلل بشكل كبير من تكلفة التمثيل الغذائي للمشي بنسبة 8.39% ومن نشاط العضلة التوأمية الإنسية، متفوقاً بذلك على كل من المشي غير المساعد وتكوينات الموضع الثابت.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تعد المشي عملية هندسية يقوم بها جسم الإنسان دون عناء، ومع ذلك فهي تتطلب قدراً مدهشاً من الطاقة. بالنسبة للكثيرين، وخاصة أولئك الذين يعانون من تحديات في الحركة أو كبار السن، يمكن لهذا الإنفاق اليومي أن يؤدي إلى التعب والحد من الاستقلالية. سعى العلماء منذ فترة طويلة لبناء أجهزة قابلة للارتداء تعمل كطقم ثانٍ من العضلات، لمساعدة الناس على الحركة بجهد أقل. هذه الأجهزة، المعروفة باسم البدلات الخارجية (exosuits)، هي أنظمة ناعمة قائمة على القماش تلتف حول الجسم لتوففر مساعدة لطيفة. وبينما تستخدم بعض النسخ المحركات والبطاريات للدفع أو السحب، فإن النهج الأكثر بساطة وتكلفة يعتمد على الأربطة المرنة. تقوم هذه الأجهزة السلبية بتخزين الطاقة عندما يتحرك الجسم وإطلاقها للمساعدة في الخطوة التالية، تماماً مثل النابض (الزمبرك). والهدف هو تقليل التكلفة الأيضية للمشي، وهي مقياس لكمية الوقود التي يحرقها الجسم للتحرك. إذا استطاع جهاز ما خفض هذه التكلفة، فهذا يعني أن الشخص يمشي بكفاءة أكبر، مما يوفر الطاقة لمهام أخرى.
لسنوات، ركز الباحثون على ضبط هذه الأربطة المرنة لتتناسب مع توقيت خطوة الشخص. لقد قاموا بتعديل مدى شد الأربطة أو متى تسحب، بافتراض أن نهج "مقاس واحد يناسب الجميع" أو الوضع القياسي سيعمل للجميع. ومع ذلك، فإن الأجسام البشرية ليست متطابقة؛ فالناس يمشون بأنماط مختلفة، ولديهم قدرات عضلية متفاوتة، ويحركون مفاصلهم بطرق فريدة. فالوضع الذي يساعد شخصاً ما قد يعيق آخر. يشير هذا التباين إلى أن المفتاح لجعل الجهاز فعالاً حقاً قد لا يكمن فقط في قوة السحب، بل في المكان الذي يستقر فيه الرباط بالضبط على الجسم. وقد وضعت دراسة حديثة أجراها باحثون من المعهد الهندي للتكنولوجيا في كالغاربا وجامعة إلينوي في شيكاغو، اختباراً لهذه الفكرة. فقد طرحوا سؤالاً بسيطاً ولكنه عميق: إذا تمكنوا من إيجاد المكان المثالي لوضع الرباط المرن لكل فرد، فهل يمكنهم جعل المشي أسهل بشكل ملحوظ؟
وللإجابة على ذلك، استعان الفريق بعشرة رجال أصحاء للمشي على جهاز المشي (التريدميل) أثناء ارتداء بدلة خارجية وركية سلبية مصممة خصيصاً. تألف الجهاز من حزام حول الخصر وأكمام حول الفخذين، متصلة برباط مرن يمكن تحريكه إلى نقاط تثبيت مختلفة. صمم الباحثون ستة مواضع محتملة لهذا الرباط: اثنان في مقدمة الورك للمساعدة في ثني الساق للأمام، واثنان في الخلف للمساعدة في مدها، واثنان على الجانب للمساعدة في موازنة الساق للخارج. وبدلاً من اختبار كل موضع بمفرده على كل شخص، وهو أمر قد يستغرق ساعات ويترك المشاركين منهكين، استخدموا طريقة ذكية وتكيفية تسمى "التحسين البايزي في الحلقة البشرية" (human-in-the-loop Bayesian optimization). وبعبارة أبسط، هذه خوارزمية حاسوبية تتعلم أثناء عملها؛ فهي تطلب من المستخدم المشي، وتقيس مقدار الطاقة التي يحرقها، ثم تستخدم هذه البيانات لتخمين الموقع التالي الأفضل للتجربة. إنها عملية تجربة وخطأ ذكية، تضيق نطاق البحث للعثور على المكان المحدد الذي يعمل بشكل أفضل لذلك الشخص تحديداً.
كانت النتائج واضحة وهامة. فعندما وجد الباحثون موضع الرباط الأمثل لكل مشارك، انخفضت الطاقة المطلوبة للمشي بنسبة 8.39 بالمئة في المتوسط مقارنة بالمشي بدون أي جهاز على الإطلاق. وكان هذا التحسن أكثر إثارة للإعجاب عند مقارنته بموضع ثابت وقياسي مستخدم غالباً في الدراسات السابقة، والذي قلل استهلاك الطاقة بنحو 4 بالمئة فقط. أظهرت الدراسة أن المكان "الأفضل" كان شخصياً للغاية؛ فبالنسبة لنصف المشاركين، كان الموضع الأكثر فعالية هو خلف الورك، وبالنسبة لآخرين، كان الأمام أو الجانب هو الأفضل. لم يكن هناك مكان سحري واحد يساعد الجميع؛ إذ اعتمد الموقع المثالي تماماً على أسلوب المشي الفريد لكل فرد. يتحدى هذا الاكتشاف الممارسة الشائعة المتمثلة في تصميم البدلات الخارجية بتكوين ثابت لجميع المستخدمين.
وبعيداً عن مجرد توفير الطاقة، بحث الباحثون فيما يحدث داخل العضلات. ووجدوا أنه عندما يكون الرباط في الموضع الأمثل، تنخفض نشاط عضلة "النعالية" (soleus)، وهي عضلة رئيسية في ربلة الساق تُستخدم للدفع عن الأرض، بنسبة 7.35 بالمئة تقريباً. يشير هذا إلى أن الرباط المرن نجح في مشاركة الحمل، مما سمح لعضلات الجسم الخاصة بالراحة قليلاً مع الحفاظ على الحركة للأمام. كما لاحظت الدراسة تغيرات في كيفية حركة الوركين والكاحلين؛ فبالنسبة لأولئك الذين استفادوا أكثر من وجود رباط خلف الورك، امتدت أرجلهم إلى الخلف بشكل أكبر، بينما قام أولئك الذين لديهم رباط أمامي بثني أرجلهم للأمام بشكل أكبر. تشير هذه التحولات الطفيفة في الحركة إلى أن الجسم يتكيف طبيعياً مع المساعدة، ويجد إيقاعاً جديداً أكثر كفاءة عندما يتم وضع الجهاز بشكل صحيح.
ويلاحظ الباحثون بحذر أنه بينما تعد هذه النتائج واعدة، إلا أنها لوحظت في بيئة مختبرية محكومة مع رجال شباب أصحاء. وتشير الدراسة إلى أن هذا النهج قد يكون أكثر قيمة لكبار السن أو الأشخاص الذين يعانون من مشاكل في الحركة، الذين تختلف أنماط مشيهم بشكل أوسع. إن استخدام خوارزمية ذكية لإيجاد الإعداد الصحيح بسرعة يعد ميزة كبرى، لأنه يتجنب الحاجة إلى جلسات اختبار طويلة ومرهقة. ومن خلال إثبات أن موقع المساعدة لا يقل أهمية عن قوة السحب، يفتح هذا العمل مساراً جديداً لتصميم الأجهزة القابلة للارتداء. إنه يشير إلى أن مستقبل التكنولوجيا المساعدة لا يكمن في صنع آلات أقوى أو أكثر تعقيداً، بل في جعلها أذكى وأكثر تخصيصاً، بحيث يتم تفصيل الدعم وفقاً للهندسة الفريدة للشخص الذي يرتديها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.