A Sensorised Lattice Footplate for a Semi-Active Prosthetic Foot
यह शोध पत्र एक कम लागत वाले, अर्ध-सक्रिय प्रोस्थेटिक फुट प्रोटोटाइप को प्रस्तुत और मान्य करता है जो वास्तविक समय में बल अनुमान और अनुकूलन योग्य हाइड्रोलिक डैम्पिंग नियंत्रण को सक्षम करने के लिए सीधे एक 3D-प्रिंटेड लोड-बेयरिंग लैटिस फुटप्लेट में चुंबकीय प्लांटर सेंसर को सफलतापूर्वक समाहित करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए कि एक कृत्रिम पैर (प्रोस्थेटिक फुट) है जो केवल लकड़ी के एक कठोर ब्लॉक की तरह वहां पड़ा नहीं रहता, बल्कि वास्तव में जमीन को "महसूस" करता है और बिना किसी भारी बैटरी या आपको आगे धकेलने वाले जटिल मोटर के, वास्तविक समय में अपनी कठोरता को खुद ही समायोजित कर लेता है। यह इस शोध पत्र के पीछे का मुख्य विचार है।
यहाँ बताया गया है कि शोधकर्ताओं ने क्या बनाया और क्या खोजा है, सरल उपमाओं का उपयोग करते हुए:
समस्या: "एक ही आकार सबके लिए" वाला पैर
अधिकांश वर्तमान कृत्रिम पैर कठोर स्प्रिंग्स की तरह होते हैं। एक बार बन जाने के बाद, उनकी कठोरता स्थिर रहती है। यदि आप एक सपाट फुटपाथ पर चलते हैं, तो वे ठीक काम करते हैं। लेकिन यदि आप किसी पहाड़ी पर चढ़ते हैं, दौड़ते हैं, या ऊबड़-खाबड़ जमीन पर कदम रखते हैं, तो वे अनुकूलित नहीं हो सकते। वे इलाके के अनुसार अपना "मिजाज" बदलने में सक्षम नहीं हैं।
सक्रिय रोबोटिक पैर मौजूद हैं (जैसे इंजन वाली कार), लेकिन वे भारी, महंगे और जटिल होते हैं। शोधकर्ता कुछ ऐसा चाहते थे जो इनके बीच का हो: एक अर्ध-सक्रिय (semi-active) पैर। इसे एक साइकिल के सस्पेंशन सिस्टम की तरह समझें जिसे आप सवारी करते समय मैन्युअल रूप से ट्यून कर सकते हैं, न कि एक ऐसी कार की तरह जिसमें इंजन हो। यह अपनी स्वयं की शक्ति उत्पन्न नहीं करता है, लेकिन यह झटके को सोखने के तरीके को बदल सकता है।
समाधान: एक "स्मार्ट स्पंज" पैर
टीम ने तीन मुख्य भागों वाला एक प्रोटोटाइप बनाया:
- "स्मार्ट स्पंज" (लैटिस फुटप्लेट):
कार्बन फाइबर के एक ठोस टुकड़े के बजाय, उन्होंने पैर के निचले हिस्से को हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते) या स्पंज की तरह 3D-प्रिंट किया। यह संरचना लचीली है और इसे दबाया जा सकता है।
- जादुई ट्रिक: उन्होंने इस स्पंज के अंदर छोटे चुंबक और सेंसर लगा दिए। जैसे ही आप कदम रखते समय पैर नीचे दबता है, चुंबक सेंसर के सापेक्ष थोड़ा हिलते हैं। कंप्यूटर इन सूक्ष्म चुंबकीय बदलावों को पढ़ता है और गणना करता है कि कितना बल लगाया जा रहा है।
- यह क्यों मायने रखता है: आमतौर पर, आपको बल मापने के लिए एक अलग इनसोल (जैसे प्रेशर मैट) की आवश्यकता होती है। यह डिज़ाइन "महसूस करने" वाले तंत्र को संरचना के अंदर ही समाहित कर देता है, जिससे पैर कॉम्पैक्ट और आत्मनिर्भर बन जाता है।
- "समायोज्य शॉक एब्जॉर्बर" (डैम्पर):
पैर में एक हाइड्रोलिक डैम्पर (जैसे कार में शॉक एब्जॉर्बर होता है) है जो टखने के जोड़ से जुड़ा है।
- एक छोटा मोटर (सर्वो) एक गियर को घुमाता है जो इस शॉक एब्जॉर्बर के "कड़ापन" को बदल देता है।
- यदि पैर महसूस करता है कि आप जोर से लैंड कर रहे हैं, तो यह पैर को बहुत तेजी से ढहने से रोकने के लिए डैम्पर को कस सकता है। यदि आप अपने पैर पर लुढ़क रहे हैं, तो यह सुचारू रूप से चलने देने के लिए ढीला हो सकता है।
- "दिमाग" (कंट्रोल सिस्टम):
एक कंप्यूटर चुंबकीय सेंसर को पढ़ता है, यह पता लगाता है कि वजन कहाँ है (एड़ी बनाम पंजा), और मोटर को डैम्पर को कैसे समायोजित करना है, यह बताता है।
उन्होंने क्या परीक्षण किया (लैब के परिणाम)
शोधकर्ताओं ने इसे अभी किसी व्यक्ति के चलने के लिए टेस्ट नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने पैर को एक मशीन में रखा और तीन तरीकों से इसका परीक्षण किया:
परीक्षण 1: क्या स्पंज काम करता है?
उन्होंने एक विशाल मशीन से 3D-प्रिंटेड लैटिस को दबाया। उन्होंने पाया कि वे हनीकॉम्ब पैटर्न में छेदों के आकार को बदलकर स्पंज की कठोरता को बदल सकते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, उनके सेंसरों ने बल को सटीक रूप से मापा, भले ही वे संरचना के अंदर दबे हुए थे। यह केक के अंदर लगे थर्मामीटर की तरह था जो आपको बता सकता था कि ओवन केक पर कितना दबाव डाल रहा है।परीक्षण 2: क्या यह विभिन्न अवस्थाओं के बीच अंतर कर सकता है?
उन्होंने मैन्युअल रूप से पैर को चार अलग-अलग स्थितियों में पकड़ा:
- हील स्ट्राइक (Heel Strike): केवल एड़ी छू रही है।
- फ्लैट फुट (Flat Foot): पूरा पैर छू रहा है।
- डॉर्सिफ्लेक्शन (Dorsiflexion): पैर ऊपर की ओर मुड़ा हुआ है (पैर के पंजे ऊपर)।
- टो-ऑफ (Toe-Off): केवल पंजे छू रहे हैं।
सेंसरों ने इन चार अवस्थाओं के बीच सफलतापूर्वक अंतर बताया। यह ऐसा था जैसे पैर कह सकता हो, "मुझे पता है कि मैं अभी अपनी एड़ी पर हूँ," या "मुझे पता है कि मैं अपने पंजों पर हूँ।"
- परीक्षण 3: क्या यह असली टखने की तरह चलता है?
उन्होंने एक वॉकिंग साइकिल का अनुकरण किया। पैर ने डैम्पर को समायोजित करके मानव टखने की "लुढ़कने" (डॉर्सिफ्लेक्शन) वाली गति की सफलतापूर्वक नकल की। - कमी: पेपर एक प्रमुख सीमा को स्वीकार करता है। डैम्पर केवल गति का विरोध कर सकता है (जैसे ब्रेक); यह धक्का नहीं दे सकता (जैसे इंजन)। इसलिए, जबकि पैर सुचारू रूप से लुढ़का, यह आपको आगे धकेलने के लिए अंतिम "किक" या "पुश-ऑफ" प्रदान नहीं कर सका। यह एक बेहतरीन शॉक एब्जॉर्बर है, लेकिन यह इंजन नहीं है।
निचोड़
यह पेपर यह सिद्ध करता है कि आप एक कम लागत वाला कृत्रिम पैर बना सकते हैं जहाँ सेंसर भार वहन करने वाली संरचना (3D-प्रिंटेड लैटिस) के अंदर छिपे होते हैं, न कि उसके ऊपर एक अलग परत के रूप में।
- लागत: प्रोटोटाइप बनाने में लगभग $200 का खर्च आया, जबकि व्यावसायिक संस्करण हजारों में होते हैं।
- वजन: इसका वजन लगभग 0.8 किलोग्राम है, जो मानव पैर के वजन के करीब है।
- निर्णय: यह एक रिसर्च प्लेटफॉर्म के रूप में काम करता है यह परीक्षण करने के लिए कि कैसे एक पैर "महसूस" कर सकता है और अपने डैम्पिंग को समायोजित कर सकता है। हालांकि, यह अभी भी मानव के चलने के लिए तैयार नहीं है, क्योंकि इसका ट्रेडमिल पर परीक्षण नहीं किया गया है, और इसमें अभी भी आगे धकेलने के लिए सक्रिय शक्ति उत्पन्न करने की क्षमता की कमी है।
इसे एक "स्मार्ट" पैर के प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट के रूप में देखें जो जमीन को महसूस कर सकता है और अपने स्वयं के शॉक एब्जॉर्प्शन को समायोजित कर सकता है, जो भविष्य में सस्ते, अधिक अनुकूलनीय प्रोस्थेटिक्स के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।
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