تلاش برای مهندسی بدن!
کشف دو مدار کلیدی بازتابی(رفلکسی) در راه رفتن
پیشرفت های رباتیک، کارایی راه رفتن انسان را تقلید می کند
22 ژانویه 2024
خلاصه:محققان با تکرار راه رفتن و حرکت شبیه انسان با سرعت های متغیر، به پیشرفت قابل توجهی در رباتیک دست یافتند. این کار با استفاده از یک مدل اسکلتی عضلانی انجام شد.
این مدل- که با روش کنترل رفلکس شبیه به سیستم عصبی انسان هدایت میشود- درک ما را از حرکت انسان افزایش میدهد و استانداردهای جدیدی را برای فناوری روباتیک، تعیین میکند.
این مطالعه از یک الگوریتم نوآورانه برای بهینه سازی بهره وری انرژی در سرعت های مختلف راه رفتن، استفاده میکند.
این پیشرفت، راه را برای نوآوری های آینده در ربات های دوپا، پروتزها و اسکلت های بیرونی نیرومند، هموار می کند.
را رفتن انسان بر دو پا، دشوار و پیچیده است.وزن و باری که این راه رفتن بر کمر و پا وارد میکند سبب میشود اغلب افراد مسن، دچار کمردرد پادرد باشند. به علاوه پیچیدگی های عصبی این راه رفتن، بار و عملکرد پیچیده ای را بر سیستم عصبی و مغز وارد میکند. پژوهش در این فرآیندهای پیچیده- که زیر بنای توسعه و تکامل مغز انسان امروز است- میتواند به کشفیات بسیاری در عرصه های علوم اعصاب، اورتوپدی، روانشناسی، و حتی بیوفیزیک و بیوشیمی منجر شود.
حقایق کلیدی:
تیم دانشگاه توهوکو با موفقیت مکانیسم های راه رفتن انسان را در یک مدل رباتیک تکرار کرد و این، منعکس کننده ی پیچیدگی سیستم اسکلتی عضلانی و عصبی انسان است.
یک الگوریتم پیشرفته برای بهینه سازی بهره وری انرژی- که برای تکرار راه رفتن طبیعی و با سرعت متغیر انسان ها حیاتی است- توسعه یافته است.
این تحقیق، پتانسیل بسیار زیادی برای پیشرفت در روباتهای دوپا، پروتزها و اسکلتهای بیرونی نیرومند و بهبود راهحلهای تحرک و روباتیک روزمره دارد.
ما معمولاً در حین پیاده روی به آن فکر نمی کنیم، اما پیاده روی یک کار پیچیده است.استخوانها، مفاصل، ماهیچهها، تاندونها، رباطها و سایر بافتهای همبند (یعنی سیستم اسکلتی- عضلانی)- که توسط سیستم عصبی ما کنترل میشود- باید با هماهنگی حرکت کند و به تغییرات یا اختلالات غیرمنتظره با سرعتهای متفاوت به شیوهای بسیار کارآمد پاسخ دهد.تکرار این موضوع در فناوریهای روباتیک، کار کوچکی نیست.
اکنون، یک گروه تحقیقاتی از دانشکده ی مهندسی دانشگاه توهوکو، راه رفتن با سرعت متغیر شبیه انسان را با استفاده از یک مدل اسکلتی عضلانی تکرار کرده است. این مدل با روش کنترل رفلکسِ منعکس کننده ی سیستمِ عصبی انسان هدایت می شود.این پیشرفت در بیومکانیک و رباتیک، معیار جدیدی را در درک حرکت انسان، ایجاد می کند و راه را برای فناوری های نوآورانه ی رباتیک هموار می کند.
تکرار این پیچیدگی ها در فناوریهای روباتیک، کار کوچکی نیست.
جزئیات مطالعه آنها در ژورنالPLoS Computational Biologyدر 19 ژانویه 2024 منتشر شد.
دانشیار دای اواکی و یکی از نویسندگان این مطالعه به همراه شونسوکه کوسکی و پروفسور میتسوهیرو هایاشیبه، خاطرنشان کردند: «مطالعه ما با چالش پیچیده تکرار کارآمد راه رفتن، با سرعتهای مختلف- که سنگ بنای مکانیسم راه رفتن انسان است- مقابله کرده است.
این بینش در پیشبرد مرزها برای درک حرکت، انطباق و کارآیی انسان، بسیار مهم است.
این دستاورد به لطف یک الگوریتم نوآورانه بود.این الگوریتم، فراتر از روش مرسوم حداقل عرصه ها، تکامل یافته و به ابداع یک مدل مدار عصبی بهینهسازی شده برای بهرهوری انرژی در سرعتهای مختلف راه رفتن، کمک میکند.
تجزیه و تحلیل فشرده ی مدارهای عصبی حرکت و راه رفتن، به ویژه مواردی که عضلات را در مرحله ی چرخش پا کنترل می کند، عناصر مهم استراتژی های پرصرفه ی انرژی در راه رفتن را آشکار کرد.این کشفات، درک ما را از مکانیسم های شبکه ی عصبی پیچیده ای- که زیربنای راه رفتن انسان و اثربخشی آن است- افزایش می دهد.
اواکی تأکید می کند، دانش کشف شده در این مطالعه به ایجاد زمینه برای پیشرفت های فناوری آینده، کمک می کند.
تقلید موفقیتآمیز راه رفتن با سرعت متغیر در یک مدل اسکلتی عضلانی- گه همراه با مدارهای عصبی پیچیده است- یک پیشرفت اساسی در ادغام علوم اعصاب، بیومکانیک و رباتیک میباشد.
این تحول در طراحی و توسعه رباتهای دوپا با کارایی بالا، اندامهای مصنوعی پیشرفته و اسکلتهای بیرونی با پیشرفتهترین نیرو، ایجاد خواهد کرد.»
چنین پیشرفت هایی می تواند راه حل های حرکتی برای افراد دارای معلولیت را بهبود بخشد و فناوری های روباتیک مورد استفاده در زندگی روزمره را ارتقا دهد.
با نگاهی به آینده، اواکی و تیمش امیدوارند چارچوب کنترل رفلکس را برای بازآفرینی طیف وسیع تری از سرعت ها و حرکات راه رفتن انسان، اصلاح کنند.
آنها همچنین قصد دارند از بینش ها و الگوریتم های این مطالعه برای ایجاد پروتزهای سازگارتر و کم مصرف تر، لباس های برقی و روبات های دوپا استفاده کنند.این، شامل ادغام مدارهای عصبی شناسایی شده در این برنامه ها برای افزایش عملکرد و طبیعت حرکت آنها است.
تحقیق اصلی:
شناسایی عوامل ضروری برای کنترل راه رفتن، همراه با انرژی کارآمد در طیف گسترده ای از سرعت ها در سیستم های اسکلتی عضلانی مبتنی بر رفلکس توسط دای اواکی و همکاران.زیست شناسی محاسباتی PLOS
خلاصه
انسان ها می توانند طیف گسترده ای از سرعت را در زمان راه رفتن، تولید و حفظ کنند و در عین حال بهره وری انرژی خود را بهینه کنند.درک مکانیسمهای پیچیده ی حاکم بر راه رفتن انسان به کاربردهای مهندسی مانند روباتهای دوپا و دستگاههای کمکی راه رفتن، کمک میکند.
مکانیسمهای کنترلی مبتنی بر رفلکس- که الگوهای حرکتی را در پاسخ به بازخورد حسی ایجاد میکند- برای ایجاد راه رفتن شبیه انسان در مدلهای اسکلتی عضلانی نویدبخش بودهاست.
با این حال، تنظیم دقیق سرعت، یک چالش بزرگ باقی مانده است.این محدودیت، شناسایی مدارهای بازتابی ضروری برای راه رفتن با انرژی کارآمد را دشوار می کند.
برای کشف مکانیسم کنترل رفلکس و درک بهتر مکانیسم کارآمد نگهداری آن، ما سیستم کنترل مبتنی بر رفلکس را ایجاد میکنیم تا سرعتهای کنترل شده ی راه رفتن را بر اساس سرعتهای هدف، فعال کنیم.
ما یک روش جدید را به نام حداقل عرصه های مطابق با عملکرد (performance-weighted least squares (PWLS) برای طراحی یک تعدیلکننده ی پارامتر ایجاد کردیم که بازده راه رفتن را بهینه میکند و در عین حال سرعت هدف را برای سیستم راه رفتن دوپایی مبتنی بر رفلکس، حفظ میکند.
ما با موفقیت راه رفتن از 0.7 تا 1.6 متر بر ثانیه را در یک مدل اسکلتی-عضلانی دو بعدی بر اساس سرعت هدف ورودی در محیط شبیهسازی، ایجاد کردیم.
تجزیه و تحلیل دقیق از تغییر دهنده ی پارامتر در یک سیستم مبتنی بر رفلکس، دو مدار بازتابی کلیدی را نشان داد که تأثیر قابلتوجهی بر کارآیی انرژی دارد.
به علاوه، تأیید شد که این مدارها تحت تأثیر پارامترهای تنظیم، به عنوان مثال، طول پا، تأخیر زمانی حسی، و ضرایب وزن در تابع هزینه- هدف، قرار نمیگیرد.
این یافتهها ابزار قدرتمندی برای کاوش در پایههای عصبی کنترل حرکت، فراهم میکند و در عین حال مکانیسمهای پیچیده ی زیربنایی را در راه رفتن انسان، روشن میکند و پتانسیل قابلتوجهی برای کاربردهای عملی درمهندسی بدن انسان، دارد.
https://neurosciencenews.com/robotic-human-walking-25509/?fbclid=IwAR0aW59od6HsGmt_LDLE5utPxYR41u740oe7YwVtLdmdBooeqG6Dt7lSzFE
آدرس مطب : اصفهان ، خیابان آمادگاه ، روبروی داروخانه سپاهان ، مجتمع اطبا ، طبقه اول
تلفن : 32223328 - 031