دست هایی که به کمک می آیند

برداشتن یک لیوان ، کاغذیا بلندکردن یک کتاب جزو اعمال روزانه ای است که ما بدون لحظه ای تامل انجام می دهیم.

کد خبر: ۷۰۹۵۰

اما کافی است که لحظه ای خود را به جای فرد معلولی قرار دهیم که بنا به دلیلی از ناحیه دست قطع عضو شده است. در این صورت خیلی زود به اهمیت این نعمت بزرگ پی خواهیم برد.
داشتن دست مصنوعی که حتی بتواند بخشی از قابلیت های یک دست واقعی را داشته باشد ، رویایی است که به مرور زمان هرچه بیشتر به واقعیت نزدیک می شود.

ساخت دست مصنوعی از دیرباز موضوع تحقیق بسیاری از پژوهشگاه ها در سراسر دنیا بوده است. آنچه در این سیر به عنوان هدف عمده تلقی می شود ، دستیابی به دستی است که تا حد ممکن حرکتی طبیعی داشته باشد و از فرد مددجو فرمان بپذیرد. همچنین افزایش قابلیت های کنترل دست نظیر حذف عوامل نامطلوب خارجی و توانایی یادگیری از اهداف اصلی است . به گفته مهندس ایمان نعمت اللهی ، پژوهشگر دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، از اولین دستهای ساخته شده تا دستهای نوین امروزی ، 2 حرکت عمده به چشم می خورد: یکی شناخت دست طبیعی و چگونگی عملکرد آن و دیگری کنترل حرکت. اولین حرکت به ساخت دستهای تکامل یافته تر منجر شده و حرکت دوم با توجه به فناوری روز به بهبود کنترل پرداخته است اما با وجود پیشرفت های بسیار در زمینه کنترل ، دستهای تولید شده امروزی فاقد کنترل کننده های نوین هستند.

رویا در واقعیت

بیونیک ، کاربرد مهندسی الکترونیک در بیولوژی ، از داستان های تخیلی به زندگی واقعی راه یافته است و به افراد قطع عضوی و دیگر افراد معلول کمک می کند تا زندگی عادی داشته باشند.
در دهه 70 میلادی ، سریال پرطرفدار مرد 6 میلیون دلاری درباره زندگی یک فضانورد به نام استیو آستین بود که از حادثه مرگبار سقوط سفینه اش جان سالم به در برد و بدنش با استفاده از اعضای رباتیکی که او را قوی تر و سریع تر از هر انسانی روی کره زمین کرده بودند دوباره بازسازی شده بود.
زن بیونیکی ، بلافاصله بعد از آن درست شد و حالا در حدود 30سال بعد ، دنباله این داستان ها در زندگی واقعی در حال وقوع است.
ابزار جدید بیونیک توانبخشی را برای افراد قطع عضو و دیگر افرادی که به علت تصادفات مختلف معلول شده اند و یا بخشی از حواس خود را از دست داده اند ، آسان تر می کند.
اما با این که این دستگاه ها قدم بسیار بزرگی در فناوری محسوب می شوند ، هنوز راه بسیار طولانی در پیش است تا استیو آستین بتواند با دست و پاهای بهتر از آنچه که در هنگام تولد داشت از مصدومیت رهایی یابد.

چون به کارگیری یک زمینه تئوری در کار عملی بویژه کاربردهای خاص به افرادی نیاز دارد که در هر دو زمینه آشنایی کافی داشته باشند، ضمن آن که دست مددجو به صورت هوشمند عمل می کند و نظیر حرکات ربات از پیش تعریف شده نیست . از این رو در کار کنترل علاوه بر محدودیت زمانی برای عملکرد بی درنگ ، باید قابلیت یادگیری در سیستم وجود داشته باشد تا در طول زمان ، به کارگیری دست ساده تر باشد. به دلیل محدودیت فضا و وزن در استفاده از موتور، منبع تغذیه ، مدارهای واسطه ، کنترل کننده های میکروپروسسوری و گیرنده های لازم به کارگیری کنترل کننده های قوی و دقیق تاکنون مقدور نبوده است . این در حالی است که گیرنده های بسیار حساس اعصاب دست انسان که وزن ، موقعیت ، فشار ، گرمی ، سردی و... را به مراکز بالاتر گزارش می دهند، به قدری پیچیده اند که با وجود تحقیقات دامنه دار در این زمینه هنوز بسیاری از این گیرنده ها ناشناخته مانده اند. کنترل قسمتهای گوناگون بدن بخشی ویژه از مغز را به خود اختصاص می دهد. میزان وسعت اشغال مغز بستگی مستقیم به پیچیدگی سیستم کنترل دارد ، هر چه سیستم کنترل به کار رفته پیچیده تر باشد وسعت بیشتری را اشغال می کند. مخچه بخشی از مغز است که نقش اصلی آن شرکت در اجرای ماهرانه حرکات ارادی است . بعد از اراده انجام یک حرکت و وقوع آن ، خطای حاصل شده در حین حرکت باعث یادگیری می شود. این کار در قشر مخچه صورت می گیرد، از این رو مخچه ، مختصات جهان خارج و توابع عملکرد اعضای بدن را به جهان داخلی بدن تصویر کرده و در خود حفظ می کند. به این ترتیب به نوعی «وارون سیستم» در قشر مخچه تشکیل می شود که قابل استفاده برای قشر حرکتی مخ و ایجاد حرکات ماهرانه است.

دستی برای جایگزینی

دست رباتیک ، وسیله ای است که با داشتن چندین درجه آزادی با بازویی متشکل از چندین مفصل و مچی مشتمل برچندین انگشت حرکت می کند و در انجام حرکاتش به پس خورهایی از قبیل سنجش مقدار بار، تغییر زاویه ، سرعت و فشار متکی است . این دست فرمان خود را از یک واحد پردازشگر مرکزی دریافت می کند و در حالت ایده آل گاهی قادر خواهد بود حرکاتی پیچیده تر از دست هوشمند انجام دهد. به گفته نعمت اللهی ، رباتها جزیی از یک سیستم کلی هستند که بسته به ساده یا پیچیده بودنشان ، کنترل کننده های گوناگون همراه با کامپیوترهای ویژه در آنها به کار رفته اند، به گونه ای که می توان آنها را به نسلهای گوناگون تقسیم کرد. به عنوان مثال ، رباتهایی که برای رنگ آمیزی قطعات در اتاق رنگ یک کارخانه تعبیه شده اند از نسل اول رباتها هستند. می توان رباتهایی با چشم تلویزیونی و مغز الکترونیکی با قابلیت یادگیری و تصمیم گیری پیچیده را از نسل جدید آنها برشمرد. به طور کلی در دست رباتیک ، الزامی به تقلید از دست سالم انسانی وجود نداشته و فرمان های حرکت آن از یک سیستم الکترونیکی صادر می شود. این فرمان ها محصول ترکیب اطلاعات پس خورها و روشهای کنترلی ذخیره شده در حافظه سیستم است اما دست هوشمند ، دستی است که بتواند عمل دست سالم را در شخص مددجو انجام دهد. دست را می توان یک سیستم مکانیکی شامل جرم ، فنر و اصطکاک دانست که در اثر نیروی حاصل از انقباض عضلات تغییر مکان می دهد. در هر دست ، عضلات متعددی شرکت می کنند ، برای آن که حرکت با نرمش و سرعت لازم انجام شود لازم است فعالیت انقباضی هر عضله به سبک خاصی برنامه ریزی شود و فعالیت دیگر عضلات آن حرکت با هم هماهنگ باشند. ویژگی فنری و اصطکاکی فقط محصول ویژگی مکانیکی آنان نیست بلکه فعالانه به وسیله ایستگاه های حرکتی مانند نخاع کنترل می شوند. نعمت اللهی می افزاید: بنابر این در دست هوشمند، فرمان های حرکت باید از عضو، عصب ، نخاع و یا در عالی ترین حد از مراکز بالای حرکتی مانند مخچه و کورتکس حرکتی اخذ شوند. این فرمان ها پس از پردازش و ترکیب اطلاعات پس خور در سر و موتورهایی که نقش عضله را دارند، ایجاد حرکت می کنند بنابراین وجوه مشترک دست هوشمند بارباتیک در مکانیزم های ایجاد حرکت ، اندازه گیری ویژگی های حرکت و تا حدی برنامه های کنترل است که با واحد پردازشگر مرکزی به کار گرفته می شوند؛ اما در عین حال 2 مساله این دو را از یکدیگر متمایز کرده اند. اولین موضوع این است که اطلاعات پس خور باید از مسیری غیر از مسیر بینایی به مغز برسد تا فعالیت دست ، چشم را مشغول نکند. همچنین چون کاربرد دست سیبرنتیک به وسیله فرد مددجو ، نباید مستلزم کوشش خاص باشد، از این رو لازم است فرمان های حرکت دست سالم بررسی شده و نحوه کاربرد آن در دست سیبرنتیک به صورت خاصی تطبیق داده شود تا این کار به صورت ناخودآگاه انجام پذیرد. البته در ابتدا باید زمانی را برای آموزش مددجو و یادگیری او به منظور استفاده از دست در نظر گرفت.

دست های لرزان

به طور کلی بازوهای رباتیک در حالتی طراحی و ساخته می شوند که مقدار صلب بودن (سختی) به حداکثر و در نتیجه لرزشهای آن به حداقل ممکن برسد و امکان موقعیت یابی دقیق با کنترل کننده های ساده را داشته باشند. این صلب بودن به وسیله استفاده از مواد با جرم سنگین قابل به دست آمدن است که این خود موجب محدودیت در حرکت سریع بازو شده و در نتیجه اندازه محرکها و اتلاف انرژی افزایش می یابد. بعکس یک بازوی سبک برای ساختن و راه اندازی بسیار ارزان است . اینرسی کاهش یافته باعث می شود کاربری مطمئن تر و پاسخ سریع تر باشد. در عوض کاهش وزن باعث می شود بازو بسیار قابل انعطاف و کنترل دقیق آن مشکل شود. نعمت اللهی در ادامه می گوید: در تلاش برای کاهش پیچیدگی ، کارهای زیادی بر روی بازوهای قابل انعطاف به منظور کاهش خطا و لرزش انجام شده است . برای یافتن روشی جدید در حل مشکلات کنترل بازوهای قابل انعطاف ، کنترل هوشمند مورد نظر قرار گرفته است. در این راه فهم دقیق مکانیزم سیستم عصبی انسان و ساختار آن تاثیر بسیاری در طراحی شبکه های عصبی مصنوعی داشته است . مشخص است که شبکه های عصبی مصنوعی با الگوبرداری از سیستم عصبی انسان ، راه حل مناسب تری برای کنترل بازوهای قابل انعطاف ایجاد می کنند. به همین منظور، با استفاده از روش شبکه های عصبی توانستیم نرم افزار کنترل بهینه دست مصنوعی قابل انعطاف را طراحی کنیم. با کمک شبیه سازی انجام شده 2 ویژگی ارتعاش نوک بازو و سرعت عمل آن بهبود یافت . به گونه ای که ارتعاش به یک چهارم و سرعت عمل در زمان فرمان تا حرکت از 3 تا 4 دهم ثانیه به 19 صدم ثانیه کاهش یافته است . این در حالی است که مدت زمان لازم میان اراده تا دریافت پالس در ماهیچه مربوط در دست تاخیری در حدود 0.2 ثانیه دارد و به این ترتیب توانسته ایم این زمان را حتی به کمتر از میزان طبیعی آن برسانیم.