دانیل فریس میگوید بهترین اسکلتهای بیرونی آنهایی هستند که فراموششان میکنید. وقتی این مهندس زیستمکانیک یکی از آنها را پوشیده است، فقط کشش جزئی را احساس میکند. اما پس از برداشتن دستگاه، به نظر میرسد که ناگهان در حال بالا رفتن از تپه است.
فریس دهههاست که اسکلتهای بیرونی پوشیدنی و پروتزهای برقی طراحی میکند و مدتهاست فکر میکند که به زودی بخشی از زندگی روزمره خواهند شد. در سال ۲۰۰۹، او پیشبینی کرد[۱] که «تا سال ۲۰۲۴، مردم در خیابانها، مراکز خرید و به سمت خانههایشان با اسکلتهای بیرونی رباتیک راه خواهند رفت».
فریس اعتراف میکند که «عجولانه» عمل کرده است، اما چشمانداز او به واقعیت نزدیکتر میشود.
در زمانی که او پیشبینی خود را کرد، اسکلتهای بیرونی عمدتاً در محیطهای بالینی برای توانبخشی افراد پس از آسیب نخاعی یا سکته مغزی استفاده میشدند. تیلور دیک، زیستمکانیک عصبی-عضلانی در دانشگاه کوئینزلند در بریزبن استرالیا، میگوید: «اسکلتهای بیرونی واقعاً هدفشان این بود: عملکرد از دست رفته است و ما باید این عملکرد را جایگزین کنیم».
امروزه محققان و شرکتها به طور فزایندهای در مورد تقویت صحبت میکنند: افزودن بخشی از نیروی مورد نیاز برای یک حرکت. یک بریس برقی ممکن است بخشی از بار را از زانوی مبتلا به آرتریت بردارد و شورتهای رباتیک میتوانند پیادهروی روزانه افراد مسن را کمتر خستهکننده کنند. سایر دستگاههای اسکلت بیرونی برای طیف وسیعی از کاربران طراحی شدهاند، از جمله بزرگسالان جوانی که امیدوارند دورتر و سریعتر بروند. اکتبر گذشته، نایک نمونه اولیه سیستم «کفشهای نیرومند» به نام Project Amplify را رونمایی کرد که برای ورزشکاران روزمره طراحی شده است و گردشگران در چین میتوانند در هنگام بازدید از بخش تپهای دیوار بزرگ چین، اسکلت بیرونی اجاره کنند.
برای طرفداران اسکلتهای بیرونی، این تقویت نمیتواند به اندازه کافی سریع اتفاق بیفتد. بسیاری از کشورها، از جمله ژاپن، چین و ایتالیا، به سرعت در حال پیر شدن هستند و طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی، تعداد افراد ۶۰ ساله و بالاتر در جهان تا سال ۲۰۵۰ به ۲.۱ میلیارد نفر خواهد رسید.
اما قبل از اینکه اسکلتهای بیرونی به بازار انبوه برسند، محققان باید چندین مشکل فنی را حل کنند. آنها باید هوشمندتر، سبکتر، ارزانتر و راحتتر برای طیف وسیعی از افرادی که ممکن است از آنها استفاده کنند، شوند. همچنین نگرانی دیگری وجود دارد که باید برطرف شود: اگر ماشین راه رفتن یا دویدن را آسانتر کند، آیا مردم بیشتر حرکت میکنند و در نتیجه سالمتر میشوند - یا به آن وابسته میشوند و عضلاتشان تحلیل میرود؟
از جایگزینی تا کمک
برای سازندگان امروزی اسکلت بیرونی، در مورد کمک این دستگاهها، کمتر بیشتر است. دستگاههای قدیمیتر بیشتر به سبک لباس فوققهرمانی آیرون من گرایش داشتند، در حالی که سیستمهای جدیدتر نیروهایی را که پوشنده تولید میکند تخمین میزنند و فقط بخشی از آنچه مورد نیاز است را تأمین میکنند. این رویکرد کنترل پوشنده را حفظ میکند، قدرت مورد نیاز ماشین را کاهش میدهد و میتواند دستگاه را در هنگام خاموش بودن کمتر خستهکننده کند.
در سالهای اخیر، چندین تیم پیشرفتهایی در توسعه دستگاههایی که میتوانند حرکات واقعیتری را پشتیبانی کنند، گزارش کردهاند. چارچوب کنترلی که توسط محققان موسسه فناوری جورجیا ابداع شده است، از یک سیستم هوش مصنوعی برای تخمین حرکت مفصل ران در زمان واقعی برای طیف وسیعی از سرعتهای راه رفتن، شیبها و ارتفاع پلهها استفاده میکند. این سیستم به آزمایشکنندگان امکان داد تا تلاش خود را در حین راه رفتن کاهش دهند. برخی از همین محققان و همکاران دیگر این اصل را به یک سیستم انعطافپذیرتر تعمیم دادند که به کاربران اجازه میدهد به طور غیرقابل پیشبینی بین انواع مختلف حرکت جابهجا شوند.
رابرت گرگ، رباتیکدان دانشگاه میشیگان در آن آربور، رویکرد مشابهی را با زانوها در پیش گرفته است و رهبری پروژهای ۲ میلیون دلاری را برای تطبیق بریسهای ارتوزی موتوری به منظور کاهش نیروهای وارد بر مفصل بر عهده دارد. در یک مطالعه آزمایشی چهار نفره، شرکتکنندگان در حین استفاده از دستگاهها در فعالیتهایی مانند بلند شدن از صندلی، کاهش درد را گزارش کردند.
جدیدترین ماشینها از چیزی استفاده میکنند که محققان آن را کنترل مستقل از وظیفه مینامند. در حالی که سیستمهای قبلی یک الگوی حرکتی از پیش تعیینشده را هماهنگ با یک حرکت بدن پخش میکردند، کنترل مستقل از وظیفه، تلاش انجامشده توسط مفصل پوشنده را در زمان واقعی تخمین میزند و سپس «حس میکند» و بخشی از آن را تأمین میکند.
اسکلتهای بیرونی معمولی از موتورهای کوچک پرسرعت و گیربکسهای بزرگ استفاده میکردند، اما نیروهایی که تولید میکردند میتوانست مفاصل را سفت و خشک کند. محرکهای جدیدتر از موتورهای بزرگتر و کندتر و نسبت دنده کمتر استفاده میکنند که اصطکاک را کاهش میدهد و به پوشنده اجازه میدهد ماشین را آزادانهتر حرکت دهد.
علاوه بر این، حسگرهای پوشیدنی میتوانند حرکت اندام و نیروهای وارد بر پا را ردیابی کنند و سپس با سیستمهای یادگیری ماشین، سطح کمک مورد نیاز را استنتاج کنند. گرگوری ساوکی، زیستمکانیک در موسسه فناوری جورجیا، این هدف را با ساختن «یک مدل بزرگ» که بر روی نمونههای کافی از حرکت انسان آموزش دیده است تا در بین کاربران و وظایف پاسخ دهد، مقایسه میکند.
نتیجه کمتر شبیه آیرون من است و بیشتر شبیه «دوچرخه برقی پوشیدنی» است، ساوکی میگوید.
این تشبیه ممکن است غیرعادی به نظر برسد، اما طراحان خارج از دانشگاه نیز آن را تکرار میکنند. Project Amplify نایک که با شرکت رباتیک Dephy مستقر در باکسبورو، ماساچوست توسعه یافته است، از یک موتور، تسمه محرک و باتری قابل شارژ که در اطراف ساق پا و پا بسته میشود برای کمک به حرکت مچ پا استفاده میکند. این سیستم هنوز در حال آزمایش است، اما نایک میگوید که این شرکت در نهایت قصد دارد آن را به افرادی بفروشد که میخواهند دورتر و با تلاش کمتر راه بروند یا بدوند.
در کنار محرکهای بهتر، مواد نرم نیز اسکلتهای بیرونی را به لباس نزدیکتر میکنند. محققان دانشگاه هایدلبرگ آلمان سیستمی به نام WalkON توسعه دادند که شامل بندهای شانه، پد و نوارهایی روی ران کاربر است که همگی روی لباس قرار میگیرند. این سیستم هزینه متابولیک راه رفتن روی سطح صاف را برای ده شرکتکننده مسن ۱۰٪ کاهش داد. در یک آزمایش جداگانه، بزرگسالان جوان در حین راه رفتن در سربالایی ۱۸٪ انرژی کمتری مصرف کردند.
اسکلت بیرونی WalkON کمی کمتر از ۳ کیلوگرم وزن دارد - بسیار کمتر از واحدهای حجیم نسلهای قبلی این دستگاهها. دیک به یاد میآورد که یک واحد ۲۳ کیلوگرمی را دیده است که برای افرادی که از سکته مغزی بهبود مییابند طراحی شده بود. او میگوید: «خیلی سنگین بود. هیچکس نمیتواند این را بپوشد.»
تجربه ژاپن با رباتها و فناوری کمکی نشان میدهد که چرا این مهم است. توموهیرو شیباتا، رباتیکدان موسسه فناوری کیوشو در کیتاکیوشو، رباتهایی را آزمایش میکند که اغلب در محیطهای بالینی از مردم مراقبت میکنند. او میگوید هزینه همچنان بزرگترین مانع است، اما قابلیت استفاده نیز مهم است. او توضیح میدهد که برخی از سیستمهای اسکلت بیرونی بالینی حدود ۲۰ دقیقه زمان برای پوشیدن نیاز دارند که میتواند وقت جلسات توانبخشی را تلف کند.
مانند ساوکی، مقایسه شیباتا برای اسکلتهای بیرونی نسل بعد، دوچرخه برقی است. او میگوید اسکلت بیرونی باید به چیزی تبدیل شود که فرد آن را «انگار بخشی از بدن است» کنترل کند، بدون کمک متخصص یا نگهداری زیاد. او میگوید اندازه و وزن میتواند استفاده از آنها را دلسرد کند، همانطور که یک انگ اجتماعی برخی از افراد مسن را از استفاده از عصا یا سمعک منصرف میکند.
استفاده طولانیمدت
حتی اگر ماشینها راحت و ارزان شوند، محققان شواهد کمی در مورد تأثیر استفاده منظم از آنها دارند. نگرانی این است که اگر یک موتور ۲۰٪ از نیروی هر قدم را تأمین کند، کاربر ممکن است عضله را ضعیف کند و در صورت قطع استفاده، وضعیت بدتری داشته باشد. دیک میگوید هنوز هیچ مطالعه طولانیمدتی روی این موضوع متمرکز نشده است. انجام این کار مستلزم گروههای بزرگ، پیگیری طولانی و مدلهایی از نحوه سازگاری عضله، تاندون و استخوان است.
فریس ضعف عضلانی را یک نگرانی بزرگ نمیداند. او میگوید دانشمندان حدود دو دهه است که در این باره بحث میکنند و مطالعاتی که به دنبال ضعف عضلانی ناشی از استفاده مداوم از اسکلت بیرونی بودهاند، تاکنون چنین اثراتی را مشاهده نکردهاند. او استدلال میکند که مردم بعید است معمولاً به طور مداوم از اسکلت بیرونی استفاده کنند.
و دلایلی برای خوشبینی در مورد نحوه استفاده مردم از دستگاههایی که حرکت را آسانتر میکنند وجود دارد، یک محقق میگوید.
دیک میگوید شواهد خوبی وجود دارد که «اگر حرکت را ارزانتر کنید، مردم بیشتر از آن انجام میدهند. آنها در روز قدمهای بیشتری برمیدارند. بیشتر ورزش میکنند.»
تأثیرات اجتماعی گستردهتر حتی کمتر بررسی شده است. ساوکی تصور میکند که اسکلتهای بیرونی در پارکهای تفریحی اجاره داده شوند، در فروشگاههای کمپینگ فروخته شوند، به عنوان تجهیزات ایمنی استفاده شوند و در طول عمر تنظیم شوند. یک دستگاه میتواند در جوانی مقاومت اضافه کند، در میانسالی کمک ملایم ارائه دهد و در سنین بالاتر حمایت بیشتری بدهد.
نمونههایی از اینکه چگونه این اتفاق میتواند بیفتد در چین دیده میشود. شرکتهایی مانند Hypershell در شانگهای دستگاههای سبک وزن نصبشده روی لگن برای کوهپیمایی و پیادهروی میفروشند. پن یو، مدیر ارشد عملیات Hypershell که ۳۰,۰۰۰ دستگاه در سراسر جهان فروخته است، میگوید این شرکت «واقعاً برای هر کسی که میخواهد دورتر برود و کمی بیشتر بیرون بماند جذاب است».
مکانهای توریستی در چین شروع به ارائه اسکلتهای بیرونی از شرکتهای مختلف برای اجاره کردهاند تا به زمینهای دشوار کمک کنند. گرگ میگوید شرکتهای چینی به سرعت در حال ورود به این بازار هستند، در حالی که بسیاری از تلاشهای آمریکایی و اروپایی در آزمایشگاهها، کلینیکها و محیطهای کاری مانند کارخانهها و انبارها باقی ماندهاند.
با رایجتر شدن سیستمهای اسکلت بیرونی، سوالات بیشتری در مورد هزینه و دسترسی مطرح خواهد شد. دستگاهها میتوانند هزاران دلار هزینه داشته باشند. با این حال، تغییرات مراقبتهای بهداشتی ایالات متحده میتواند آنها را برای جمعیتهای خاص مقرون به صرفه کند. برنامه بهداشت عمومی برای سالمندان، به نام مدیکر، برخی از انواع دستگاههای اسکلت بیرونی را به عنوان بریس طبقهبندی کرده است که میتواند توسط افراد مبتلا به آرتریت یا ضعف مرتبط با سن استفاده شود و به کاربر یا پرداخت مشترک اجازه میدهد تا به طور جزئی تحت برنامههای پرداخت پزشکی پرداخت شود.
با توجه به انبوه پیشرفتها در کار اسکلت بیرونی در چند سال گذشته، فریس به اندازه کافی مطمئن است که پیشبینی جدیدی ارائه دهد. او میگوید در عرض پنج سال، دیدن فردی که اسکلت بیرونی در خیابانهای نیویورک پوشیده است دیگر قابل توجه نخواهد بود. اما او همچنین یک نکته احتیاطی اضافه میکند: «شاید من خوشبین باشم.»