Sensor-Based Exoskeletal Mirroring System

जब स्ट्रोक या किसी गंभीर चोट के कारण हाथ को नियंत्रित करने वाली नसें क्षतिग्रस्त हो जाती हैं, तो इसका परिणाम अक्सर सूक्ष्म मोटर नियंत्रण (fine motor control) की हानि होता है। हाथ अभी भी हिल सकता है, लेकिन उंगलियां वस्तुओं के चारों ओर आकार लेने की अपनी क्षमता खो देती हैं, जिससे एक कप उठाने जैसा सरल कार्य भी एक असंभव संघर्ष बन जाता है। इस स्थिति के साथ जी रहे लाखों लोगों के लिए, रिकवरी का मानक मार्ग दोहराव वाली थेरेपी है, जहाँ वे अपने प्रभावित हाथ को बार-बार हिलाने का अभ्यास करते हैं। हालाँकि, हाल के वर्षों में एक अलग दृष्टिकोण ने लोकप्रियता हासिल की है: द्विपक्षीय मिररिंग (bilateral mirroring)। यह अवधारणा मस्तिष्क की नकल करने की स्वाभाविक प्रवृत्ति पर निर्भर करती है। यदि कोई व्यक्ति अपने स्वस्थ हाथ को हिलाता है, तो मस्तिष्क अक्सर घायल हाथ को भी समान संकेत भेजता है। स्वस्थ हाथ की सटीक गतिविधियों को कैप्चर करके और घायल हाथ को उनका अनुसरण करने के लिए यांत्रिक रूप से मजबूर करके, चिकित्सक मस्तिष्क को पुन: प्रशिक्षित करने और कार्यक्षमता बहाल करने की आशा करते हैं। चुनौती हमेशा एक ऐसा उपकरण बनाने की रही है जो पहनने के लिए पर्याप्त हल्का हो, एक सख्त हाथ को हिलाने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, और उपयोगकर्ता पर बोझ डाले बिना प्रत्येक उंगली के जोड़ के जटिल, स्वतंत्र मुड़ने की नकल करने के लिए पर्याप्त स्मार्ट हो।

दो हाई स्कूल शोधकर्ताओं, विष्णु अयंगर और लियो सितारमन ने एक प्रोटोटाइप बनाया है जो सेंसिंग (sensing) को मूविंग (moving) से अलग करके इन समस्याओं का समाधान करता है। उनका सिस्टम दो मुख्य भागों से बना है: एक दस्ताना जिसे स्वस्थ हाथ पर पहना जाता है और एक हल्का एक्सोस्केलेटन जिसे घायल हाथ पर पहना जाता है। दस्ताना छोटे सेंसरों से लैस है जो उपयोगकर्ता के हाथ हिलाने पर उंगली के जोड़ों के कोण को मापते हैं। उंगलियों से सीधे जुड़े मोटरों के साथ गति को दोहराने के बजाय, जो हाथ को भारी और असुविधाजनक बना देता, शोधकर्ताओं ने सभी मोटरों को अग्रबाहु (forearm) पर रखा। पतले केबल इन फोरआर्म मोटरों से होकर, कलाई के माध्यम से, उंगलियों तक जाते हैं और उन्हें सही स्थिति में खींचते हैं। यह डिज़ाइन हाथ को भारी मशीनरी से मुक्त रखता है, जिससे दैनिक उपयोग के दौरान अधिक प्राकृतिक अहसास और बेहतर आराम मिलता है।

उनके काम का मुख्य नवाचार यह है कि वे उंगलियों को कैसे नियंत्रित करते हैं। अधिकांश मौजूदा उपकरण एक उंगली को एक एकल इकाई के रूप में मानते हैं, जिससे पूरी उंगली एक साथ मुड़ती है। लेकिन मानव उंगलियां अधिक जटिल होती हैं; उनमें एक जोड़ होता है जहाँ उंगली हथेली से मिलती है और एक मध्य जोड़ होता है जो स्वतंत्र रूप से मुड़ सकता है। एक वास्तविक हाथ की नकल करने के लिए, एक उपकरण को इन दोनों जोड़ों को अलग-अलग नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने एक चतुर केबल प्रणाली का उपयोग करके इसे हासिल किया। प्रत्येक उंगली के लिए, दो अलग-अलग केबल फोरआर्म मोटरों से उंगली तक जाते हैं। एक केबल को खींचकर, सिस्टम उंगली को पोर (knuckle) से मोड़ सकता है। दूसरे को खींचकर, या एक केबल को खींचते हुए दूसरे को छोड़ देकर, सिस्टम मध्य जोड़ को स्वतंत्र रूप से मोड़ सकता है। यह उपकरण को जटिल आकार बनाने की अनुमति देता है, जैसे कि शेल्फ से किताब निकालने के लिए आवश्यक विशिष्ट पकड़, जो करना कठिन है यदि जोड़ों को एक साथ मुड़ने के लिए मजबूर किया जाए।

इस सिस्टम को काम करने योग्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को कई इंजीनियरिंग पहेलियों को हल करना पड़ा। दस्ताने को सूक्ष्म गतिविधियों को कैप्चर करने के लिए पर्याप्त सटीक होना था। उन्होंने उंगली के आगे-पीछे जाने के वास्तविक स्थान के विरुद्ध सेंसर रीडिंग की तुलना करके इसका परीक्षण किया। सेंसर उंगली के कोण को औसकी औसतन केवल एक डिग्री से थोड़े अधिक त्रुटि के साथ ट्रैक करने में सक्षम थे, जो उल्लेखनीय रूप से सटीक है। हालाँकि, डेटा को सुचारू और झटकों (jitter) से मुक्त बनाने के लिए, उन्हें एक डिजिटल फ़िल्टर लागू करना पड़ा जो रीडिंग का औसत निकालता था। इसने स्वस्थ हाथ की गति और उस गति के रिकॉर्ड होने के बीच लगभग 312 मिलीसेकंड का मामूली विलंब (lag) उत्पन्न किया। हालांकि यह विलंब ध्यान देने योग्य है, फिर भी यह इतना कम है कि सिस्टम कई कार्यों के लिए वास्तविक समय (real-time) में कार्य कर सकता है।

सिस्टम के एक्सोस्केलेटन पक्ष को अपने स्वयं के अवरोधों का सामना करना पड़ा। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल केबलों को खींचना एक सख्त, लकवाग्रस्त हाथ को आवश्यक बल के साथ हिलाने के लिए पर्याप्त नहीं था। डिज़ाइन के शुरुआती संस्करणों में उंगलियों को खुली स्थिति में वापस खींचने के लिए रबर बैंड का उपयोग किया गया था, लेकिन ये बैंड मोटरों के विरुद्ध काम करते थे, जिससे ऊर्जा बर्बाद होती थी और गति की शक्ति कम हो जाती थी। अंततः उन्होंने रबर बैंड को दूसरे सेट के केबलों से बदल दिया जो विपरीत दिशा में खींचते थे। इस बदलाव ने डिवाइस द्वारा लगाए जा सकने वाले बल को तीन गुना से अधिक बढ़ा दिया, जिससे यह प्रति उंगली लगभग 1.2 न्यूटन के अधिकतम बल के साथ प्रतिरोध के विरुद्ध धक्का दे सका। इन सुधारों के बावजूद, डिवाइस ने कमांड की गई गतिविधियों से पूरी तरह से मिलान नहीं किया। जब शोधकर्ताओं ने डिवाइस को उंगली को 90 डिग्री तक मोड़ने के लिए कहा, तो यह अक्सर केवल 50 से 59 डिग्री तक ही पहुँच पाता था। यह सीमा डिवाइस की भौतिक संरचना और केबलों के थोड़े खिंचाव के कारण थी, जिसने पूर्ण रेंज ऑफ मोशन प्राप्त करने से रोका।

शोधकर्ताओं ने सिस्टम का एक पूर्ण इकाई के रूप में भी परीक्षण किया, जिसमें एक हाथ पर दस्ताना और दूसरे पर एक्सोस्केलेटन पहना गया। उन्होंने पाया कि डिवाइस विभिन्न हाथ की मुद्राओं, जैसे कि ढीले खुले हाथ से लेकर तंग मुट्ठी तक, को सफलतापूर्वक मिरर कर सकता है। घायल हाथ की गति सामान्य रूप से स्वस्थ हाथ का अनुसरण करती है, हालांकि यह लगातार एक सेकंड के कुछ हिस्से से पीछे रहती है। जब उन्होंने दोनों हाथों के कोणों के मिलान को मापा, तो कुछ जोड़ों के लिए सहसंबंध (correlation) मजबूत था, लेकिन अन्य के लिए कमजोर था, विशेष रूप से रिंग फिंगर के मध्य जोड़ के लिए। यह सुझाव देता है कि जबकि सिस्टम काम करता है, केबलों के रूटिंग और विभिन्न उपयोगकर्ताओं की अद्वितीय शारीरिक रचना के अनुसार डिवाइस के फिट होने के तरीके में अभी भी सुधार की गुंजाइश है।

डिज़ाइन की सबसे व्यावहारिक विशेषताओं में से एक एक साधारण स्विच है जो उपयोगकर्ता को मिररिंग को रोकने की अनुमति देता है। कई दैनिक गतिविधियों में, जैसे कि बोतल खोलना, एक हाथ को वस्तु को स्थिर रखने के लिए चाहिए होता है जबकि दूसरा ढक्कन घुमाता है। यदि डिवाइस हमेशा मिररिंग करता रहता, तो घायल हाथ घुमाने वाली गति की नकल करने की कोशिश करता, जिससे कार्य असंभव हो जाता। स्विच को बदलकर, उपयोगकर्ता घायल हाथ को एक विशिष्ट स्थिति में लॉक कर सकता है, उसे वहीं रख सकता है, और अपने स्वस्थ हाथ का उपयोग कार्य के दूसरे भाग को करने के लिए कर सकता है। हाथों को अलग करने (decouple) की यह क्षमता डिवाइस को केवल क्लिनिक में थेरेपी के बजाय वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में उपयोगी बनाने के लिए आवश्यक है।

यह प्रोजेक्ट यह प्रदर्शित करता है कि एक पहनने योग्य रोबोट बनाना संभव है जो प्रत्येक उंगली में दो अलग-अलग जोड़ों को मापता है और हिलाता है, जबकि सारा भारी मशीनरी हाथ से दूर रखी जाती है। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि उंगली के जोड़ों का स्वतंत्र नियंत्रण संभव है और सिस्टम पर्याप्त बल उत्पन्न कर सकता है जो उपयोगी हो। हालाँकि, उन्होंने यह भी स्वीकार किया कि वर्तमान प्रोटोटाइप अभी भी पूर्ण नहीं है। स्मूथिंग फ़िल्टर के कारण होने वाला विलंब आदर्श से अधिक है, और डिवाइस अभी तक उंगलियों को उनकी पूर्ण प्राकृतिक रेंज तक नहीं हिला सकता है। भविष्य के संस्करणों को बिना भारी किए विलंब को कम करने और गति की शक्ति बढ़ाने के तरीके खोजने होंगे। फिलहाल, यह कार्य एक महत्वपूर्ण कदम है, जो दिखाता है कि एक कम लागत वाला, आरामदायक उपकरण एक दिन लोगों को उनके हाथों का वह सूक्ष्म नियंत्रण वापस पाने में मदद कर सकता है जो उन्होंने खो दिया है।