Sensor-Based Exoskeletal Mirroring System

عندما تسبب السكتة الدماغية أو الإصابة الشديدة ضرراً للأعصاب التي تتحكم في اليد، تكون النتيجة غالباً فقدان التحكم في المهارات الحركية الدقيقة. قد تظل الذراع قادرة على الحركة، لكن الأصابع تفقد قدرتها على تشكيل نفسها حول الأشياء، مما يحول مهمة بسيطة مثل التقاط كوب إلى صراع مستحيل. بالنسبة لملايين الأشخاص الذين يعيشون مع هذه الحالة، يتضمن المسار القياسي للتعافي العلاج المتكرر، حيث يمارسون تحريك يدهم المصابة مراراً وتكراراً. ومع ذلك، برز نهج مختلف في السنوات الأخيرة: المرآة الثنائية (bilateral mirroring). يعتمد هذا المفهوم على ميل الدماغ الطبيعي لتقليد الحركات؛ فإذا حرك الشخص يده السليمة، غالباً ما ترسل الدماغ إشارات مماثلة إلى اليد المصابة. ومن خلال التقاط الحركات الدقيقة لليد السليمة وإجبار اليد المصابة ميكانيكياً على اتباعها، يأمل المعالجون في إعادة تدريب الدماغ واستعادة الوظيفة. ويتمثل التحدي دائماً في بناء جهاز يكون خفيفاً بما يكفي لارتدائه، وقوياً بما يكفي لتحريك يد متصلبة، وذكياً بما يكفي لمحاكاة الانثناء المستقل والمعقد لكل مفصل من مفاصل الأصابع دون إثقال كاهل المستخدم.

قام باحثان في المرحلة الثانوية، هما فيشنو إينجيار وليو سيتارامان، ببناء نموذج أولي يعالج هذه المشكلات من خلال فصل عملية الاستشعار عن عملية الحركة. يتكون نظامهما من جزأين رئيسيين: قفاز يُرتدى في اليد السليمة، وهيكل خارجي خفيف الوزن يُرتدى في اليد المصابة. القفاز مزود بمستشعرات صغيرة تقيس زاوية مفاصل الأصابع أثناء حركة المستخدم. وبدلاً من محاولة تكرار الحركة باستخدام محركات متصلة مباشرة بالأصابع، مما يجعل اليد ضخمة وغير مريحة، وضع الباحثان جميع المحركات في الساعد. وتمر كابلات رفيعة من محركات الساعد، عبر المعصم، وصولاً إلى الأصابع، لتسحبها إلى الوضعيات الصحيحة. يحافظ هذا التصميم على اليد نفسها خالية من الآلات الثقيلة، مما يسمح بشعور أكثر طبيعية وراحة أفضل أثناء الاستخدام اليومي.

يكمن الابتكار الجوهري في عملهما في كيفية التحكم في الأصابع. تعامل معظم الأجهزة الموجودة الإصبع كوحدة واحدة، حيث تثنيه بالكامل في آن واحد. لكن أصابع الإنسان أكثر تعقيداً؛ فهي تحتوي على مفصل عند التقاء الإصبع براحة اليد ومفصل أوسط يمكنه الانثناء بشكل مستقل. ولمحاكاة اليد الحقيقية حقاً، يحتاج الجهاز إلى التحكم في هذين المفصلين بشكل منفصل. وقد حقق الباحثان ذلك باستخدام نظام كابلات ذكي؛ فلكل إصبع، يسير كبلان منفصلان من محركات الساعد إلى الإصبع. ومن خلال سحب كبل واحد، يمكن للنظام ثني الإصبع عند المفصل (الأنكل)، وبسحب الكبل الآخر، أو بسحب كبل واحد مع تحرير الآخر، يمكن للنظام ثني المفصل الأوسط بشكل مستقل. يسمح هذا للجهاز بإنشاء أشكال معقدة، مثل القبضة المحددة المطلوبة لسحب كتاب من رف، وهو أمر يصعب القيام به إذا أُجبرت المفاصل على التحرك معاً.

لجعل هذا النظام يعمل، كان على الباحثين حل العديد من الألغاز الهندسية. كان يجب أن يكون القفاز دقيقاً بما يكفي لالتقاط الحركات الدقيقة. وقد اختبروه من خلال مقارنة قراءات المستشعرات مع الوضع الفعلي لإصبع يتحرك ذهاباً وإياباً. تمكنت المستشعرات من تتبع زاوية الإصبع بهامش خطأ متوسط قدره درجة واحدة فقط، وهو أمر دقيق للغاية. ومع ذلك، لجعل البيانات سلسة وخالية من الارتجاف، كان عليهم تطبيق مرشح رقمي يقوم بمتوسط القراءات. أدى هذا إلى حدوث تأخير طفيف، أو "لاغ" (lag)، قدره حوالي 312 مللي ثانية بين حركة اليد السليمة وتسجيل تلك الحركة. ورغم أن هذا التأخير ملحوظ، إلا أنه قصير بما يكفي ليظل النظام قادراً على العمل في الوقت الفعلي للعديد من المهام.

واجه جانب الهيكل الخارفي في النظام عقبات خاصة به. وجد الباحثون أن مجرد سحب الكابلات لم يكن كافياً لتحريك يد مشلولة ومتصلبة بالقوة اللازمة. استخدمت النسخ الأولى من التصميم أربطة مطاطية للمساعدة في سحب الأصابع للعودة إلى وضع الفتح، لكن هذه الأربطة كانت تقاوم المحركات، مما يهدر الطاقة ويقلل من قوة الحركة. انتهى بهم المطاف باستبدال الأربطة المطاطية بمجموعة ثانية من الكابلات التي تسحب في الاتجاه المعاكس. أدى هذا التغيير إلى زيادة قوة الجهاز التي يمكنه بذلها بأكثر من ثلاثة أضعاف، مما سمح له بالضغط ضد المقاومة بقوة قصوى تبلغ حوالي 1.2 نيوتن لكل إصبع. ورغم هذه التحسينات، لم يطابق الجهاز الحركات المطلوبة تماماً. فعندما طلب الباحثون من الجهاز ثني إصبع بزاوية 90 درجة، كان يصل غالباً إلى حوالي 50 إلى 59 درجة فقط. كان هذا القصور ناتجاً عن البنية الفيزيائية للجهاز والتمدد الطفيف في الكابلات، مما منع تحقيق كامل نطاق الحركة.

اختبر الباحثون أيضاً النظام كوحدة كاملة، عبر ارتداء القفاز في يد واحدة والهيكل الخارجي في الأخرى. ووجدوا أن الجهاز يمكنه بنجاح محاكاة مجموعة متنوعة من وضعيات اليد، من اليد المفتوحة المسترخية إلى القبضة الضيقة. تبعت حركة اليد المصابة اليد السليمة بشكل عام، وإن كانت تتأخر عنها باستمرار بجزء من الثانية. وعندما قاسوا مدى تطابق زوايا اليدين، كان الارتباط قوياً لبعض المفاصل ولكنه كان أضعف لغيرها، لا سيما المفصل الأوسط لإصبع البنصر. يشير هذا إلى أنه بينما يعمل النظام، لا تزال هناك مساحة للتحسين في كيفية توجيه الكابلات وكيفية ملاءمة الجهاز للتشريح الفريد لمختلف المستخدمين.

من الميزات العملية للغاية في التصميم وجود مفتاح بسيط يسمح للمستخدم بإيقاف عملية المحاكة مؤقتاً. في العديد من الأنشطة اليومية، مثل فتح زجاجة، تحتاج إحدى اليدين إلى تثبيت الشيء بثبات بينما تقوم اليد الأخرى بلف الغطاء. إذا كان الجهاز يقوم بالمحاكاة دائماً، فستحاول اليد المصابة تقليد حركة اللف، مما يجعل المهمة مستحيلة. ومن خلال قلب المفتاح، يمكن للمستخدم "قفل" اليد المصابة في وضع معين، وتثبيتها هناك، واستخدام يده السليمة لأداء الجزء الآخر من المهمة. إن القدرة على فصل اليدين هذه ضرورية لجعل الجهاز مفيداً في سيناريوهات العالم الحقيقي، وليس فقط في عيادة العلاج.

يُظهر المشروع أنه من الممكن بناء روبوت قابل للارتداء يقيس ويحرك مفصلين مختلفين في كل إصبع مع إبقاء جميع الآلات الثقيلة بعيداً عن اليد نفسها. أثبت الباحثون أن التحكم المستقل في مفاصل الأصابع أمر ممكن، وأن النظام قادر على توليد قوة كافية لتكون مفيدة. ومع ذلك، فقد أقروا أيضاً بأن النموذج الأولي الحالي ليس مثالياً بعد. التأخير الناتج عن مرشح التنعيم أطول مما ينبغي، ولا يستطيع الجهاز بعد تحريك الأصابع عبر كامل نطاق حركتها الطبيعية. في المستقبل، ستحتاج النسخ القادمة إلى إيجال طرق لتقليل هذا التأخير وزيادة قوة الحركة دون إضافة ضخامة. وفي الوقت الحالي، يقف هذا العمل كخطوة مهمة للأمام، موضحاً أن جهازاً منخفض التكلفة ومريحاً يمكن أن يساعد يوماً ما الناس على استعادة التحكم الدقيق في أيديهم الذي فقدوه.