شریفی‌ها ربات پوشیدنی می‌سازند

شاید نخستین چیزی که بعد از شنیدن نام ربات‌های پوشیدنی به ذهنتان می‌رسد، بیش از هر چیز به سربازانی شبیه باشد که به کمک اسکلت آهنی ـ که به آن مجهز شده‌اند ـ توانمندی‌هایشان چند برابر شده است. اگرچه این ایده نخستین بار در قالب فیلم‌های علمی ـ تخیلی مطرح شده بود، اما پژوهشگران توانسته‌اند با از میان‌برداشتن مرزها راهی برای ورود این ربات‌ها به زندگی روزمره بشر بیابند و همچنان این گروه از محققان در تلاش هستند با رفع مشکلات و موانعی که در این مسیر وجود دارد این ربات‌ها را از آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی به زندگی روزمره انسان‌ها ببرند.

این ربات پوشیدنی

پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف نیز در این حوزه فعالیت‌هایی داشته و در یک طرح تحقیقاتی موفق شده‌اند روشی برای کنترل ربات‌های پوشیدنی ارائه کنند که می‌توان در فرآیند توانبخشی و بازآموزی بیمارانی که محدودیت‌های حرکتی دارند از آن استفاده کرد.

دکتر مهران جاهد، استادیار دانشگاه صنعتی شریف و سرپرست این طرح تحقیقاتی در گفت‌وگو با جام‌جم می‌گوید: هدف اصلی ما در این طرح تحقیقاتی طراحی ربات‌های پوشیدنی بوده است. کاربرد مورد نظر ما از ربات‌های پوشیدنی بیشتر هویت توانبخشی دارد و هدف ما این است که این کاربرد بتواند با ویژگی‌های کاربران هماهنگ باشد. به این ترتیب که کاربر بتواند در یک مرحله از روند توانبخشی با توجه به نیازش به روش مقتضی از یک ربات برای بازآموزی و توانمندکردن مجدد عضلاتی که احتمالا به دلیل سکته ناتوان شده‌اند، بهره گیرد.

جاهد در ادامه درباره روند کاربرد ربات‌های پوشیدنی در حوزه توانبخشی این طور توضیح می‌دهد: سیستم‌های توانبخشی یا ربات‌های پوشیدنی که با هدف توانبخشی از آنها استفاده می‌شود، روند کاملا متفاوتی را در پیش می‌گیرد. یعنی بر خلاف سیستم‌های قدرتی که در یک شرایط و در راستای خاصی قادر به حرکت است، این سیستم توانبخشی باید بتواند در شرایطی که کاربر اراده می‌کند در کنار او قرار گیرد و به این ترتیب نه‌تنها از سیگنال‌های عصبی ـ عضلانی یا الکترومایگرام انسان برای برآوردی از آنچه انسان می‌خواهد انجام دهد بهره می‌گیرد، بلکه مدل سیستم اسکلتی ـ عضلانی و عصبی ـ عضلانی را هم باید مد نظر قرار دهد تا بتواند کنترل خودش را مطابق با آنچه فرد بیمار به عنوان سیستم اسکلتی ـ عضلانی در اختیار دارد بر عهده گیرد. به این ترتیب ما با برآورد نسبتا دقیقی از ماهیت عصبی ـ عضلانی و اسکلتی ـ عضلانی فرد بیمار این مدل را دقیق کرده و بعد این را به کنترل‌کننده رباتی که کاملا با دست تطبیق داده شده اعمال می‌کنیم و از این نظر کاری را که ما انجام داده‌ایم بسیار جدید است.

وی درباره وجه تمایز این طرح در مقایسه با کارهای مشابه قبلی می‌افزاید: اگرچه در پروژه‌های قبلی مشابه این کار در روندهای توانبخشی با استفاده از سیگنال EMG انجام شده است، اما مدل‌های پیچیده عصبی ـ عضلانی و اسکلتی ـ عضلانی دیده نشده است. مدلی که ما استفاده می‌کنیم برای ساعد، بازو یا کتف که به صورت یک جزء واحد به صورت کلی دست مطرح می‌شود سیستمی با هفت درجه آزادی است که می‌تواند بسیار پیچیده باشد به این دلیل که افراد در روندهای توانبخشی با نیازهای مختلف و درجات ناتوانی مختلف در این مجموعه تعریف می‌شوند. نگاه ما از این نظر اهمیت دارد که در بلندمدت امیدوار هستیم این سیستم به صورت ماژول یا به شکل یک دستگاه مستقل در کنار افرادی که لازم است دوره توانبخشی را طی کنند، قرار گیرد و لازم نباشد الزاما فیزیوتراپ یا پزشک این موضوع را مدیریت کند. به عبارت دیگر، بیمار می‌تواند در خلوت خانه خودش ساعت‌های طولانی روند توانبخشی را پیگیری کند و صرفا در جلسات درمانی خاصی این اطلاعات را در اختیار پزشک معالج قرار دهد.

توانبخشی تدریجی

عمر مفید در سال‌های اخیر از 40 سال به 60 تا 65 سال رسیده است. یعنی جامعه انسانی به سمتی پیش رفته که عمر مفید بشر افزایش یافته و این روند بسیار خوب است، اما نیازمند این است که ادوات و ابزارهایی را برای کاهش هزینه‌های رسیدگی این مجموعه در اختیار آنها قرار دهد. این روند فقط مختص کشور ما نیست. در کشورهای پیشرفته مانند ژاپن از20 یا 30 سال پیش متوجه این روند جدید شده‌اند. مجری این طرح تحقیقاتی با اشاره به این موضوع می‌گوید: به این ترتیب نگاه ما در قدم نخست به جامعه‌ای است که به ادوات و مشخصه‌های مستقل و با فناوری بالا نیاز دارد و دوم جامعه‌ای که به تدریج مسن‌تر می‌شود و نیازهای او به مراتب افزایش پیدا می‌کند. سنی که به عنوان محدوده میانسالی مطرح بوده است. در این پروژه در واقع یک قسمت به طور مشخص یک ساختار اندازه‌گیری سیگنال و ثبت حرکات است. ما سیگنال‌های الکترومایگرام را از دست فرد در قسمت ساعد یا در قسمت کتف و بازو برداشت می‌کنیم. این سیگنال‌ها همان سیگنال‌هایی است که برای درک اولیه از الگوی حرکتی فرد از آن استفاده می‌شود. ما هم حرکت‌های فرد را ثبت و بررسی کرده و هم این حرکت‌ها را از طریق دوربین ثبت می‌کنیم به این ترتیب می‌توانیم مشخصه دقیقی از آنچه فرد علاقه‌مند است انجام دهد و آنچه انجام می‌دهد داشته باشیم. بر اساس آن اطلاعات دریافتی و اتفاقی که دوست داریم بیفتد یک ورودی خواهیم داشت که انتظار داریم این حرکت را کاربر انجام دهد. وقتی فرد می‌خواهد این حرکت را انجام دهد با توجه به برداشت سیگنال EMG و ثبت حرکت از طریق دوربین می‌توانیم برآورد کنیم تا چه اندازه در انجام این کار موفق بوده است بنابراین بر این اساس فرد در کلاس توانبخشی خاصی قرار می‌گیرد که می‌تواند توسط اسکلت خارجی یک بخش از باری که قرار است برای انجام کار ایجاد شود توسط اسکلت خارجی تحمل می‌شود و بتدریج از مقدار باری که اسکلت خارجی باید تحمل کند، کاسته شده و فرد سعی می‌کند بیشتر از توانایی عضله خودش کمک بگیرد. این روندی است که ما به دنبال آن بوده‌ایم.

این ربات را باید دوخت

علاوه بر سیستم منحصر به فردی که برای کنترل این ربات طراحی شده است باید در زمینه ساخت ربات هم تحقیقاتی انجام شود. استادیار دانشگاه صنعتی شریف با تائید این موضوع می‌افزاید: آنچه ما در این قسمت هنوز به آن دست نیافته‌ایم ربات است. ساخت ربات در زمینه طراحی اولیه و همچنین مراحل بعدی یعنی ساخت نسل آزمایشگاهی و نیمه‌صنعتی هزینه نسبتا سنگینی دارد. برای این که بتوان به مرحله‌ای رسید که بتوان از ربات به عنوان یک سیستم قابل اعمال برای فعالیت‌های انسانی استفاده کرد راهی طولانی پیش رو است. قسمت دوم یعنی ساخت ربات را در پروژه دیگری تحت تعقیب قرار داده‌ایم که در واقع با محرک‌های الکترومکانیکی یعنی موتور انجام می‌شود. اینجا از کنترل‌کننده‌های تطبیقی با مشخصه هماهنگ‌شدن با بدن و کنترل‌کننده‌های هوشمند استفاد می‌کنیم. رباتی که در حال ساخت آن هستیم بدوی‌تر از آن چیزی است که انتظار داریم و امیدواریم در آینده بتوانیم با صرف بودجه‌ای که تقاضا کرده‌ایم پروژه را به این مسیر هدایت کنیم.

در قسمت دوم مواردی که باید انجام شود تا حد زیادی انجام شده است البته بر حسب این که کاربر این ربات پوشیدنی چه کسی است، باید این آزمایش‌ها دوباره برای هر فرد به طور جداگانه انجام شود و یک روند آموزش کوتاه‌مدت برای فرد لازم است. یعنی برای هر فرد رباتی که در اختیارش قرار می‌گیرد برای توانبخشی از ویژگی‌های اختصاصی متناسب با شرایط فرد برخوردار بوده و درست مثل این است که این ربات پوشیدنی برای هر فرد خیاطی می‌شود.

وی در پاسخ به این که آیا برای دیگر قسمت‌های بدن هم می‌توان از روند مشابهی بهره گرفت این طور توضیح می‌دهد: ما برای راه‌رفتن هم این روند را آغاز کرده‌ایم. برای این کار هم لازم است سیگنال‌هایEMG ثبت شود و همچنین الگوی راه‌رفتن صحیح به عنوان وجه عادی و درست راه‌رفتن مد نظر قرار گیرد. آزمایش‌های لازم به طور مصنوعی و به نوعی انجام شده؛ یعنی با برآوردی که از پیشنهاد پزشکان ارتوپد داشته‌ایم روندهایی را برای الگوهای غلط راه‌رفتن انتخاب کرده و سیگنال‌هایEMG و تصاویری را که همزمان از طریق دوربین‌ها ثبت شده مورد مقایسه قرار داده‌ایم. این هم قدم دومی است که به دنبال آن هستیم. اکنون در هر دو قسمت باید نگاه ما به سمت ساخت ربات پوشیدنی باشد تا بتوانیم در هر دو پروژه قدم مناسبی به سمت جلو برداریم. البته در قسمت ربات‌های پوشیدنی که به راه‌رفتن کمک می‌کنند عقب‌تر هستیم.

از اسکلت خارجی تا ربات‌های پوشیدنی

ربات پوشیدنی ساختاری است که در جهان آکادمیک به عنوان اسکلت خارجی شناخته می‌شود، اما اسکلت خارجی ساختاری است که در جانوران وظیفه محافظت و پشتیبانی از ساختار حرکتی بدن را به عهده دارد و در انسان چیزی به نام اسکلت خارجی وجود ندارد و در حقیقت انسان‌ها اسکلت داخلی دارند. به این ترتیب وقتی اسکلت خارجی برای انسان مطرح می‌شود عملا منظورمان ربات‌های پوشیدنی است. در این ساختاری که مد نظرماست تمرکز اصلی ما روی ربات‌هایی است که بتوانند در روند توانبخشی کمک کنند. اگر بخواهیم به تقسیم‌بندی اسکلت‌های خارجی که در دهه اخیر برای انسان‌ها در نظر گرفته شده و درباره آنها پژوهش‌هایی در سطح دنیا انجام شده نگاهی داشته باشیم می‌توانیم اسکلت‌های خارجی را در دو دسته تقسیم‌بندی کنیم که در یک گروه ربات‌های پوشیدنی قرار می‌گیرد که می‌تواند در حوزه توانبخشی کاربرد داشته باشد.

گروه دیگر ربات‌های پوشیدنی است که به هم‌افزایی خیلی جدی میان اسکلت خارجی و عملکرد سیستم عصبی ـ عضلانی و اسکلتی ـ عضلانی نیاز ندارد.پس در واقع دو ساختار اسکلتی ـ عضلانی بدن و اسکلت خارجی به عنوان دو مجموعه مجزا از هم کار می‌کنند. اسکلت خارجی با توجه به مجموعه حسگرهایی که روی آن تعبیه شده می‌تواند حرکت‌های اسکلت داخلی بدن و سیستم عضلانی ـ اسکلتی بدن را تشخیص داده و با آن هماهنگ شود. این ساختار بیشتر برای ازدیاد قدرت و استقامت برای انسان‌هایی که کارهای سنگین انجام می‌دهند به کار می‌آید و از 14 سال پیش پروژه‌هایی در این زمینه تعریف شده است. برای مثال در دانشگاه برکلی در کالیفرنیا پروژه‌ای به نام Bleex تعریف شده است. نگاه اصلی این پروژه به افزایش قدرت و استقامت برای انسان‌هایی مانند آتش‌نشان‌ها یا نیروهای امدادرسانی در شرایط بحران که در شرایط کاری سخت قرار دارند معطوف می‌شود. این دستگاه‌ها استحکام مکانیکی بالایی داشته، وزن کمی دارد و معمولا عمر مفید آنها بالاست.

فرانک فراهانی جم / گروه دانش