بسمه تعالی

رباتهای اسکلت بیرونی؛ راهی موثر در بازیابی توان حرکتی

اسکلتهای اندام بیرونی که از آنها با نامهایی چون exoframe یا exosuit نیز یاد میشود، در حقیقت رباتهایی هستند که به کمک افراد با ناتواناییهای حرکتی آمدهاند. بیماران پاراپلژیک، سالمندان، افراد کمتوان و حتی ورزشکارانی که کاری تکراری و درازمدت انجام میدهند، میتوانند از این رباتها استفاده کنند. نیروی محرکه این ربات از طریق موتورهای الکتریکی، پنوماتیکی ، هیدرولیکی ،اهرمها و یا ترکیبی از این تجهیزات که به آن ملحق شدهاند، تامین میشود. اگزواسکلتهای فعال امروزی بهعنوان سیستمهایی برای افزایش توانایی سیستم اسکلتی طبیعی بدن انسان طراحی شدهاند. بهطور کلی هدف از استفاده از یک اگزوسوئیت حرکت آسانتر اندام بدن از طریق افزایش توان حرکتی و استقامت است.

نیکلاس یگن اولین فردی بود که دستگاهی شبیه به یک اگزواسکلت را در سال 1890 ساخت. این دستگاه از کیسههای هوای فشرده جهت ذخیره انرژی استفاده میکرد. اگرچه در حین عمل، دستگاه حالتی منفعل داشت و برای انجام عمل نیاز به نیروی انسانی بود. اولین اگزواسکلت حقیقی از نظر طراحی مفهومی یک دستگاه قابل حرکت و مطابق با نحوه حرکت انسان، با همکاری جنرال الکتریک و نیروهای مسلح ایالت متحده در دهه 1960 ساخته شد. این دستگاه Hardiman      نام گرفت و بهگونهای بود که جابهجایی یک وزنه 110 کیلوگرمی با آن شبیه به جابهجایی یک وزنه 4.5 کیلوگرمی احساس میشد. بهعبارت دیگر توان فرد را با ضریب 25 تقویت میکرد. با وجود اینکه ایده کلی جالب بهنظر میرسید، هاردیمن محدودیتهای بزرگی داشت. بهدلیل وزن 680 کیلوگرمی آن، عملا امکان استفاده از آن وجود نداشت. یکی دیگر از مشکلات آن این بود که امکان کنترل دستگاه توسط شخص به آن شکل وجود نداشت؛ درحقیقت شخص داخل هاردیمن قرار میگرفت و از داخل آن به دستگاه پاسخ میداد. اگرچه که پوشش فیزیکی چندلایه ممکن است بهتر کار کند، اما نسبت به پوشش تکلایه کندتر عمل خواهد کرد. این نقص را زمانی بهخوبی متوجه میشویم که بدانیم هرگاه هدف افزایش توان فیزیکی باشد، زمان واکنش اهمیت زیادی دارد. درنهایت این پروژه موفقیت آمیز نبود.

شروع ساخت اولین ربات شبهانسان همزمان با شروع ساخت اولین اگزواسکلت فعال دنیا کلید خورد. بهعبارت بهتر میتوان گفت اگزواسکلتهای فعال زمینهساز ساخت رباتهای مدرن انساننمای با کارایی بالا شدند.

اگزواسکلتها در صنعت سه کاربرد اساسی دارند:

1. پزشکی

اصلیترین کاربرد اگزواسکلت در حوزه پزشکی است. در این حوزه افزایش کیفیت زندگی افرادی که، بهعنوان مثال، عملکرد پاهای خود را از دست دادهاند، از طریق بهکارگیری فناوری، مطلوب دانشمندان است.

یکی دیگر از موارد کاربردی میتواند مراقبتهای پزشکی و پرستاری باشد. از آنجایی که با معضل کمبود متخصصان پزشکی و افزایش تعداد افراد نیازمند به مراقبتهای اولیه روبرو هستیم، چندین تیم از مهندسان ژاپنی اگزواسکلتهایی را برای کمک به پرستاران جهت بلندکردن و جابجایی بیماران توسعه دادهاند.

اگزواسکلتها در زمینه توانبخشی بیماران سکته مغزی یا آسیب نخاعی نیز کاربرد دارند. این اگزواسکلتها را با نام رباتهای توانبخشی گام نیز میشناسند. اگزواسکلت تعداد تراپیست موردنیاز را حتی در درمان بیمارانی با وضعیت وخیم کاهش می دهد؛ بهطوریکه اگر در حالت معمولی نیاز به چندین تراپیست برای درمان یک بیمار باشد، به کمک ربات فقط به یک تراپیست نیاز است. از دیگر مزایای این روش انجام حرکات تمرینی بهصورت یکنواختتر، همراه با تحلیل آسانتر است و میتوان برای هر بیمار روش منحصر به فردی را به کار برد.

اگزواسکلتهای توانبخشی میتوانند به گونهای پیکربندی شوند که به هر مقدار که نیاز بیمار است، او را در انجام حرکات یاری کنند. تراپیستها میتوانند بهصورت الکترونیکی هر زمان که لازم باشد میزان مشارکت بیمار در انجام حرکات را کم یا زیاد کنند. درنتیجه جلسه تمرینی هدفمندتر و دقیقتر پیش خواهد رفت. رباتی به نام اکسو جیتی که دارای این ویژگی است، اولین اگزواسکلتی بود که مورد تایید FDA قرار گرفت.

1. نظامی

در این حوزه کاربرد اگزواسکلتها روند رو به رشدی دارد. بهطور مثال کاهش خستگی و افزایش بهرهوری از جمله کاربردهای نظامی است. همچنین یک سرباز میتواند بارهای سنگین را (kg300-400) در حالیکه راه میرود یا از پلهها بالا میرود با خود حمل کند. علاوه بر حمل بارهای سنگینتر، سربازان میتوانند از سلاح و تجهیزات سنگینتری نیز استفاده کنند؛ افزایش ظرفیت حمل بار درحالی صورت میگیرد که نرخ متابولیک بدن نسبت به حالت معمول کمتر شده یا ثابت میماند.

1 اگزواسکلت ساخته شده توسط DARPA آمریکا

1. غیرنظامی

در این حوزه، از اگزواسکلتها میتوان برای کمک به آتشنشانان و دیگر تیمهای نجات استفاده کرد. این افراد با کمک این ربات میتوانند در محیطهای خطرناک برای نجات جان انسانها وارد عمل شوند.

برخی از شرکتهای طراح توانستهاند از طریق یکسری نوآوریها، خصوصیات جدیدی به رباتشان اضافه کنند؛ از جمله شرکت Rewalk Robotics  که اقدام به ساخت soft exosuit کرد. این نوع ربات به دلیل فناوری بهکار گرفته شده در آن از وزن سبکتری نسبت به موارد مشابه برخوردار است که امکان طی کردن مسافت بیشتری را به فرد میدهد. همچنین به دلیل پیکربندی ویژه، فرد بیشتر از آن که احساس کند یک ربات به او کمک میکند، حس پوشیدن یک لباس را دارد. با ظهور این فناوری اگزوسوئیتها به دو گروه hardsuit و soft exosuit تقسیم میشوند.

2 اگزوسوئیت نرم، توسعه یافته توسط پژوهشگاه ویس هاروارد

در کشور ما نیز در برخی دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی روی ایدههای مختلف در این حوزه پژوهشهایی صورت گرفته است. از جمله میتوان به تیم سازنده ربات اکسوپد اشاره کرد. این ربات توسط جمعی از پژوهشگران دانشکده برق دانشگاه تربیت مدرس و دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی شریف طراحی و ساخته شد. در چندین نمایشگاه و مرکز توانبخشی از این محصول رونمایی شده و تستهای لازم روی آن انجام گرفته است. با این پیشرفت نام ایران در کنار نام کشورهایی چون آمریکا و ژاپن بهعنوان معدود کشورهایی که توانستهاند فناوری اسکلتهای بیرونی را به مرحله تجاریسازی برسانند ثبت گردیده است.

3طرح سرباز آینده ارتش آمریکا