Energy Storage Characteristics of Leaf and Bioinspired Saddle Shaped Springs for Ankle–Foot Prostheses

المشي هو عملية تبادل إيقاعي للطاقة. فمع كل خطوة، يخزن جسم الإنسان الطاقة الميكانيكية عند هبوط القدم ثم يطلقها لتدفع الخطوة التالية للأمام. وبالنسبة للأشخاص الذين فقدوا قدماً أو جزءاً من الساق، يجب أن تحاكي الأطراف الاصطناعية هذه العملية الدقيقة. والحل الأكثر شيوعاً اليوم هو قدم اصطناعية مصنوعة من قطعة واحدة منحنية من مادة مركبة، تشبه في شكلها ورقة الشجر غالباً. ينحني هذا "النابض الورقي" تحت وزن الجسم، مخزناً الطاقة مثل نابض ملفوف، ثم يعود لوضعه الأصكن ليساعد مرتديها على الحركة. وبينما تعد هذه الأجهزة خفيفة الوزن وفعالة، إلا أنها تعاني من قصور جوهري: نظرًا لأنها تنحني في اتجاه واحد فقط، فإن الإجهاد يتركز في نطاق ضيق. وهذا الإجهاد الموضعي يمكن أن يؤدي إلى تعب المادة ويحد من كمية الطاقة التي يمكن للجهاز تخزينها وإعادتها بأمان.

لقد استلهم الباحثون في جامعة سنترال فلوريدا وجامعة ميسيسيبي ستيت تصميماً أفضل من الطبيعة؛ حيث وجهوا اهتمامهم إلى "جمبري المانتيس" (روبيان المانتيس)، وهو مفترس بحري معروف بضرباته القوية للغاية. فملحق هذا الجمبري الذي يشبه المطرقة معزز ببنية على شكل سرج، وهي منحنية في اتجاهين في آن واحد. تتيح هذه الهندسة "مزدوجة الانحناء" للصدفة توزيع القوى عبر سطحها بالكامل بدلاً من تركيزها في نقطة واحدة. واستلهاماً من هذه الكفاءة البيولوجية، وضع الفريق هدفاً متمثلاً في معرفة ما إذا كانت قدم اصطناعية مبنية بشكل مشابه لشكل السرج مزدوج الانحناء يمكنها التفوق على النابض الورقي التقليدي أحادي الانحناء. لم يكن هدفهم مجرد صنع قدم تنحني، بل قدم تخزن طاقة أكبر، وتدوم لفترة أطول، وتتحرك بشكل يشبه كاحل الإنسان الحقيقي.

لاختبار هذه الفكرة، أنشأ الفريق نموذجين افتراضيين لأقدام اصطناعية: أحدهما يستخدم تصميم الورقة المنحنية المفردة القياسي، والآخر يستخدم شكل السرج الجديد المستوحى حيوياً. وقد قاموا بضبط المواد والأبعاد لكلا النموذجين بعناية لجعلهما متساويين في الصلابة بالنسبة للمستخدم، مما يضمن مقارنة عادلة. وباستخدام محاكاة حاسوبية قوية، طبقوا نفس القوى التي يبذلها الشخص أثناء المشي، وتحديداً الضغط الذي يحدث عندما تتدحرج القدم للأمام وينحني الكاحل للأعلى. ثم قاموا بقياس مقدار الطاقة التي يمكن لكل تصميم تخزينها وكيفية توزيع الإجهادات الداخلية عبر المادة.

كشفت النتائج عن ميزة واضحة للتصميم مزدوج الانحناء. فعندما انحنى كلا النابضين إلى نفس الزاوية، خزن النابض ذو شكل السرج طاقة أكبر بكثير من النابض الورقي التقليدي. وتحديداً، ضمن نطاق الحركة المستخدم أثناء المشي العادي، احتفظ تصميم السرج بطاقة انفعال تزيد بنسبة تصل إلى 16 بالمائة. والأكثر إثارة للإعجاب كان كفاءة المادة نفسها؛ فقد وجد الباحثون أن نابض السرج ضخ طاقة تزيد بنحو ثلاثة أضعاف في كل وحدة من حجمه مقارنة بالنابض الورقي. وهذا يعني أنه بالنسبة لنفس الكمية من المادة، يمكن للتصميم الجديد القيام بعمل أكبر بكثير، أو على العكس، يمكنه تحقيق نفس الأداء باستخدام مادة أقل، مما يجعل الطرف الاصطناعي أخف وزناً.

وبعيداً عن تخزين الطاقة الخام، سلطت الدراسة الضوء على فرق حاسم في كيفية تعامل الشكلين مع الإجهاد. ففي النابض الورقي التقليدي، يخلق تأثير الانحناء تركيزاً حاداً للإجهاد في منتصف المنحنى، وهي نقطة ضعف من المرجح أن تبدأ منها الشقوق بمرور الوقت. وفي المقابل، قام نابض السرج بتوزيع الإجهاد بشكل أكثر توازناً عبر سطحه بالكامل. ويشير هذا التوزيع المنتظم إلى أن التصميم الجديد سيكون أكثر مقاومة للتآكل والجهد المتكرر الناتج عن المشي اليومي، مما قد يجعله يدوم لفترة أطح ويقدم موثوقية أكبر للمستخدم. كما سمح الانحناء المزدوج للهيكل بأن يصبح أكثر صلابة بشكل طبيعي أثناء انحنائه، وهو سلوك يحاكي بدقة الطريقة التي يصبح بها الكاحل البيولوجي أكثر صلابة عندما يدفع نفسه عن الأرض، مما يوفر تجربة مشي أكثر طبيعية.

وقد تحقق الباحثون من نماذجهم الحاسوبية مقابل اختبارات واقعية للنابض الورقي التقليدي، مؤكدين دقة عمليات المحاكاة التي أجروها. وبينما لم يتم بناء تصميم نابض السرج واختباره على بشر بعد، فإن عمليات المحاكاة توفر دليلاً قوياً على أن هذه الهندسة المستوحاة حيوياً تقدم حلاً ميكانيكياً متفوقاً. ومن خلال الاستفادة من الخصائص الفريدة للسطح مزدوج الانحناء، يمكن لهذا النهج الجديد أن يؤدي إلى الجيل القادم من الأقدام الاصطناعية التي ليست فقط أخف وزناً وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، بل أيضاً أكثر متانة وأقرب إلى الوظيفة الطبيعية لجسم الإنسان.