Personalization of Passive Hip Exosuit for Efficient Human Walking
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक पैसिव हिप एक्सोसूट के बैंड की स्थिति को व्यक्तिगत बनाने के लिए ह्यूमन-इन-द-लूप बायेसियन ऑप्टिमाइज़ेशन का उपयोग करने से चलने की चयापचय लागत (मेटाबॉलिक कॉस्ट) में 8.39% की महत्वपूर्ण कमी आती है और सोलियस मांसपेशी की गतिविधि कम होती है, जो बिना सहायता के चलने और निश्चित-स्थिति वाले विन्यासों, दोनों से बेहतर प्रदर्शन करता है।
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चलना इंजीनियरिंग का एक ऐसा चमत्कार है जिसे मानव शरीर सहजता से करता है, फिर भी इसमें आश्चर्यजनक रूप से बहुत अधिक ऊर्जा लगती है। कई लोगों के लिए, विशेष रूप से गतिशीलता संबंधी चुनौतियों या बुजुर्गों के लिए, यह दैनिक ऊर्जा व्यय थकान का कारण बन सकता है और उनकी स्वतंत्रता को सीमित कर सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे पहनने योग्य उपकरण बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो मांसपेशियों के दूसरे सेट के रूप में कार्य करें, जिससे लोगों को कम प्रयास के साथ चलने में मदद मिल सके। ये उपकरण, जिन्हें एक्सोसूट (exosuits) कहा जाता है, नरम, कपड़े-आधारित प्रणालियाँ हैं जो शरीर के चारों ओर लिपटी होती हैं ताकि कोमल सहायता प्रदान की जा सके। जबकि कुछ संस्करण धक्का देने या खींचने के लिए मोटरों और बैटरी का उपयोग करते हैं, एक सरल और अधिक किफायती दृष्टिकोण इलास्टिक बैंड पर निर्भर करता है। ये निष्क्रिय उपकरण शरीर के हिलने-डुलने पर ऊर्जा संचित करते हैं और अगले कदम में मदद करने के लिए इसे छोड़ देते हैं, बिल्कुल एक स्प्रिंग की तरह। इसका लक्ष्य चलने की चयापचय लागत (metabolic cost) को कम करना है, जो इस बात का माप है कि शरीर चलने के लिए कितनी ईंधन शक्ति जलाता है। यदि कोई उपकरण इस लागत को कम कर सकता है, तो इसका अर्थ है कि व्यक्ति अधिक कुशलता से चल रहा है, जिससे अन्य कार्यों के लिए ऊर्जा बच रही है।
वर्षों से, शोधकर्ता इन इलास्टिक बैंडों को व्यक्ति के कदमों की लय (stride) के साथ तालमेल बिठाने के लिए ट्यून करने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। उन्होंने इस आधार पर बैंड को कितना कसना है या उन्हें कब खींचना है, इसमें बदलाव किया, यह मानते हुए कि एक ही मानक तरीका या एक सामान्य स्थान सभी के लिए काम करेगा। हालांकि, मानव शरीर एक समान नहीं होते हैं। लोग अलग-अलग शैलियों से चलते हैं, उनकी मांसपेशियों की ताकत अलग होती है, और उनके जोड़ अनूकहे तरीकों से हिलते हैं। एक स्थान जो एक व्यक्ति की मदद करता है, वह दूसरे के लिए बाधा बन सकता है। यह परिवर्तनशीलता बताती है कि एक वास्तव में प्रभावी उपकरण की कुंजी केवल इस बात में नहीं है कि खिंचाव कितना मजबूत है, बल्कि इसमें भी है कि बैंड शरीर पर ठीक कहाँ स्थित है। भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान खड़गपुर और यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनॉयс शिकागो के शोधकर्ताओं के एक हालिया अध्ययन ने इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक सरल लेकिन गहरा प्रश्न पूछा: यदि वे प्रत्येक व्यक्ति के लिए इलास्टिक बैंड रखने के लिए सही स्थान खोज सकें, तो क्या वे चलना काफी आसान बना सकते हैं?
इसका उत्तर देने के लिए, टीम ने दस स्वस्थ पुरुषों को एक कस्टम-मेड पैसिव हिप एक्सोसूट पहनकर ट्रेडमिल पर चलने के लिए चुना। इस उपकरण में कमर के चारों ओर एक हार्नेस और जांघों के चारों ओर आस्तीन (sleeves) शामिल थे, जो एक इलास्टिक बैंड द्वारा जुड़े थे जिसे विभिन्न एंकर बिंदुओं पर स्थानांतरित किया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने इस बैंड के लिए छह संभावित स्थितियाँ डिज़ाइन कीं: दो कूल्हे के सामने की ओर पैर को आगे मोड़ने में मदद करने के लिए, दो पीछे की ओर पैर को सीधा करने में मदद करने के लिए, और दो किनारे पर पैर को बाहर की ओर संतुलित करने में मदद करने के लिए। हर व्यक्ति के लिए हर स्थिति का परीक्षण करने के बजाय, जो घंटों ले लेता और विषयों को थका देता, उन्होंने 'ह्यूमन-इन-द-लूप बायेसियन ऑप्टिमाइज़ेशन' नामक एक स्मार्ट, अनुकूलन विधि का उपयोग किया। सरल शब्दों में, यह एक कंप्यूटर एल्गोरिदम है जो चलते-चलते सीखता है। यह उपयोगकर्ता को चलने के लिए कहता है, यह मापता है कि वे कितनी ऊर्जा जला रहे हैं, और फिर इस डेटा का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए करता है कि अगली सबसे अच्छी स्थिति कौन सी होनी चाहिए। यह बुद्धिमान 'ट्रायल एंड एरर' (प्रयास और त्रुटि) की एक प्रक्रिया है, जो विशिष्ट स्थान खोजने के लिए खोज को सीमित करती है जो उस विशिष्ट व्यक्ति के लिए सबसे अच्छा काम करता है।
परिणाम स्पष्ट और महत्वपूर्ण थे। जब शोधकर्ताओं ने प्रत्येक विषय के लिए इष्टतम (optimal) बैंड स्थिति का पता लगाया, तो बिना किसी उपकरण के चलने की तुलना में चलने के लिए आवश्यक ऊर्जा में औसतन 8.39 प्रतिशत की कमी आई। यह सुधार तब और भी प्रभावशाली हो गया जब इसकी तुलना एक निश्चित, मानक स्थिति से की गई जो पिछले अध्ययनों में अक्सर उपयोग की जाती थी, जिसने ऊर्जा के उपयोग को केवल लगभग 4 प्रतिशत कम किया था। अध्ययन ने दिखाया कि "सर्वश्रेष्ठ" स्थान अत्यधिक व्यक्तिगत था। प्रतिभागियों के आधे लोगों के लिए, सबसे प्रभावी स्थिति कूल्हे के पीछे की ओर थी। दूसरों के लिए, सामने या किनारे का हिस्सा सबसे अच्छा काम करता था। कोई एक जादुई स्थान नहीं था जो सभी की मदद करता; आदर्श स्थान पूरी तरह से व्यक्ति के अनूठे चलने के तरीके पर निर्भर था। यह खोज एक्सोसूट को एक निश्चित कॉन्फ़िगरेशन के साथ डिजाइन करने की सामान्य प्रथा को चुनौती देती है।
केवल ऊर्जा बचाने के अलावा, शोधकर्ताओं ने इस बात पर भी नज़र रखी कि मांसपेशियों के भीतर क्या हो रहा है। उन्होंने पाया कि जब बैंड इष्टतम स्थिति में था, तो सोलियस (soleus) मांसपेशी की गतिविधि—जो पिंडली की एक प्रमुख मांसपेशी है जिसका उपयोग जमीन से धक्का देने के लिए किया जाता है—लगभग 7.35 प्रतिशत कम हो गई। यह सुझाव देता है कि इलास्टिक बैंड सफलतापूर्वक भार को साझा कर रहा था, जिससे शरीर की अपनी मांसपेशियों को आगे की गति बनाए रखते हुए थोड़ा आराम करने का अवसर मिला। अध्ययन ने कूल्हों और टखनों की गति में आए बदलावों को भी देखा। जो लोग कूल्हे के पीछे बैंड से सबसे अधिक लाभान्वित हुए, उनके पैर पीछे की ओर अधिक फैले, जबकि जिनका बैंड सामने था, उनके पैर आगे की ओर अधिक मुड़े। गति में ये सूक्ष्म बदलाव संकेत देते हैं कि शरीर स्वाभाविक रूप से सहायता के अनुकूल हो जाता है, और जब उपकरण सही ढंग से रखा जाता है, तो एक नई, अधिक कुशल लय खोज लेता है।
शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि हालांकि ये परिणाम आशाजनक हैं, लेकिन इन्हें एक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में स्वस्थ युवा पुरुषों के साथ देखा गया था। अध्ययन का सुझाव है कि यह दृष्टिकोण वृद्ध वयस्कों या गतिशीलता समस्याओं वाले लोगों के लिए और भी अधिक मूल्यवान हो सकता है, जिनके चलने के पैटर्न और भी अधिक विविध होते हैं। सही सेटिंग को जल्दी से खोजने के लिए एक स्मार्ट एल्गोरिदम का उपयोग करना एक बड़ा लाभ है, क्योंकि यह लंबे, थकाऊ परीक्षण सत्रों की आवश्यकता को समाप्त करता है। यह सिद्ध करके कि सहायता का स्थान उसके खिंचाव की शक्ति जितना ही महत्वपूर्ण है, यह कार्य पहनने योग्य उपकरणों को डिजाइन करने का एक नया मार्ग खोलता है। यह सुझाव देता है कि सहायक तकनीक का भविष्य अधिक शक्तिशाली या जटिल मशीनें बनाने में नहीं, बल्कि उन्हें स्मार्ट और अधिक व्यक्तिगत बनाने में है, जो पहनने वाले की अनूठी शारीरिक संरचना (geometry) के अनुरूप सहायता प्रदान करे।
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