The Rise of Soft Robotic Exoskeletons

إن الهجائن الآلية البرمجية تمثل تحولاً في التكنولوجيا القابلة للارتداء، إذ تبتعد عن الأُطر السوائبة والجامدة نحو الوزن الخفيف، والنظم المرنة التي تعمل في انسجام مع الجسم البشري، وتُصمم أجهزة الجيل القادم لتكثيف القوة البشرية، وتقليص الضغط، وتحسين القدرة على تحملها دون تقييد الحركة الطبيعية، وفي حين أن البسكويت التقليدي يعتمد على الأطر المعدنية والمواد الجامدة في الماضي.

Understanding Soft Robotic Exoskeletons

وأجهزة الإرسال الآلي المتحركة ذات الصبغة الناعمة هي نظم قابلة للزراعة أو المساعدة في الحركة البشرية من خلال استخدام مواد مرنة وخردة، وخلافاً لأسلافها الجامدة، فإن هذه الأجهزة تتوافق مع المخروط الطبيعية للجسد وتستوعب كامل نطاق الحركة البشرية، وهي عادة ما تُبنى من أجهزة التروس السائلية، والمنسوجات المضغوطة، والضغوط الكهربية الأخرى

السمة المميزة لهذه الأجهزة هي امتثالها المتأصلة، حيث تُنقل البسكويتات الصلبة القوة عبر نقاط الاتصال الصلبة التي يمكن أن تخلق تركيزات الضغط وتقييد الحركة، يُظهر الزنابق الناعمون أن القوات توزع على المناطق السطحية الأكبر، ويمكنهم التفاعل بأمان مع الجسم البشري دون خطر حدوث إصابات، وهذا الامتثال أيضاً يُبسط السيطرة، لأن النظام يمكن أن يعمل بأمان في قرب مفاصل بشري دون الحاجة إلى مُواصفاتٍ مثالية.

Core Technologies Driving Development

مواد البرمجيات المتقدمة

وتكمن أسس أي إبادة ناعمة في المواد التي يتم منها ذلك، وقد استطلع الباحثون مجموعة واسعة من البوليمرات المرنة، بما في ذلك مطاطات السيليكون مثل إيكوفليكس وسكينة التنين، وتعدد البوليوريثان المطاطي، وهندسوا المنسوجات ذاتياً بما يكفي من المواصفات الميكانيكية، ويجب أن توازن هذه المواد بين عدة متطلبات متنافسة: فهي بحاجة إلى قوة كافية لاستكشاف قوى تساعد على إحداث

تكنولوجيات التطويع

The actuators that power soft exoskeletons have evolved considerably from early pneumatic prototypes. Pneumatic artificialعضs remain popular due to their high power-to weight compliance, but they require compressors or pressurized gas tanks that can be bulky and heavy output.

نظم الاستشعار من أجل الكشف عن المعلومات

ولكي يقدم جهاز الاستنشاق الناعم مساعدة ذات مغزى، يجب عليه أن يكتشف بدقة ما يعتزمه المرتدي من القيام به والاستجابة له في الوقت المناسب بالقدر المناسب من القوة، وهذا يتطلب نظماً متطورة للاستشعار يمكنها قياس الإشارات الفيزيائية والميكانيكية المتعددة في نفس الوقت، وتشمل طرائق الاستشعار المشتركة ما يلي:

  • Electromyography (EMG) sensors that detect electrical activity inعضلات to predict movement intent before visible motion occurs
  • وحدات القياس غير المباشر التي تتبع توجه الأطراف وتعجل لتحديد مرحلة الجواد وديناميات الحركة
  • force-sensitive resistanceors and ]pressure sensors] embedded in the textile interface to measure ground reaction forces and contact pressures
  • أجهزة استشعار ثابتة تستند إلى مبادئ أسرية أو مقاومة ترصد الزوايا المشتركة وتشوه الأنسجة
  • مترجمون غير مستعملون آليون ] يمكن أن يقيسوا تغيرات سميكة العضلات كمؤشر على كثافة الانكماش

التحكم في التعليمات والتعلم في الآلات

ويجب تجهيز بيانات الاستشعار التي تتدفق من مفاصل غير مكتملة في الوقت الحقيقي عن طريق أجهزة التحكم بالجرعات التي يمكن أن تميز بين الحركات المتعمدة والإشارات الراقية، والتكيف مع مختلف المستخدمين والأنشطة، وتنسيق المحركات المتعددة الحجم في وقت واحد، وتستخدم النظم المبكرة محفزات بسيطة قائمة على العتبة، ولكن التنفيذات الحديثة تحفز تقنيات التعلم الآلات للتعرف على الأنماط في مجاري الحساسية. [FLT]

مقارنة بين الميزات فوق مناطق الاكسوكاليونات

The shift from rigid to soft exoskeletons is driven by fundamental advantages that address many of the limitations that have prevented wide adoption of wearable Robics. Comfort stands out as the most significant differentiator. Rigid exoskeletons create hard attachment points that can cause bruising, chafing, and pressure sores during extended use.

(أ) لا يمكن أن تؤدي الاختلافات في الجسم الكامل الصلب إلى حدوث عمليات نقل غير متوقعة، أو إلى زيادة كبيرة في حجمها، أو إلى حد كبير في حجمها.

Acoustic signature] is also relevant for military and professional applications. Rigid exoskeletons with tuboxes and electric motors generate noticeable noise, while pneumatic and cable-driven systems operate nearly silently. ]Social acceptability should not be underestimated as a factor in adoption.

النطاقات الرئيسية للتطبيقات

التأهيل الطبي والرعاية المساعدة

ويمثل القطاع الطبي في الآونة الأخيرة أكثر مجالات التطبيق نضجاً للزوابق الآلية، وتستخدم هذه الأجهزة في بيئات إعادة التأهيل لمساعدة المرضى الذين يتعافون من السكتة الدماغية، أو الإصابة بالقلب الشوكي، أو الجراحة النظيرة، أو الظروف العصبية، ويمكن أن تقدم البخارية الصغيرة مساعدة محددة الهدف لضعف الأطراف أثناء إعادة التدريب، مما يساعد المرضى على تحقيق أنماط معيشية أكثر اعتدالاً مع الحد من الأعباء البدنية على المعالجين.

التطبيقات الصناعية والمهنية

(أ) تشمل هذه العوامل الآلية التي تُستخدم في عمليات التحويل، و(أ) الإنتاج الصناعي، و(أ) الإنتاج الصناعي، و(أ)

العمليات العسكرية والتكتيكية

:: وقد استثمرت منظمات الدفاع في جميع أنحاء العالم كثيرا في تكنولوجيا البعوض لتعزيز أداء الجنود والحد من العبء المادي لحمل المعدات الثقيلة على مسافات طويلة، وتبدو زيادة الطوابق الجاهزة للتطبيقات العسكرية، لأنها يمكن أن ترتدى تحت الزي الرسمي، وتعمل بهدوء، ولا تتدخل في التحركات الدينامية المطلوبة في السيناريوهات القتالية.

تقديم المساعدة إلى السكان المسنين

فالتوجهات الديمغرافية في الدول المتقدمة النمو تدفع الاهتمام بالهياكل الخفيفة التي يمكن أن تساعد كبار السن على الحفاظ على التنقل والاستقلال ونوعية الحياة، إذ أن الانخفاضات ذات الصلة بالسن في قوة العضلات والتوازن والتحمل يمكن أن تقابلها جزئيا أجهزة مساعدة خفيفة للوزن توفر زيادة متواضعة في القوة أثناء المشي، والتسلق السلكي، والوقوف، وهذه النظم مصممة للاستخدام غير السريري، مما يعني أنها يجب أن تكون قادرة على العمل.

الحدود الحالية وجبهة البحوث

الطاقة وكثافة الطاقة

وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، فإن البسكويتات اللينة تواجه قيوداً دائمة في مجال تخزين الطاقة والطاقة، فالنظم المتحركة تتطلب صهاريج أو مكثفات جوية ثقيلة تبطل بعض مزايا الوزن، فالنظم التي تحركها الكابلات تعمل على نحو أفضل، ولكن فترة تشغيل محدودة، عادة ما تتراوح بين ساعة وأربع ساعات، رهناً بمستوى المساعدة وكثافة النشاط.

دال - القابلية للاستمرار والقابلية للاعتماد

المواد الجاهزة والمتوافقة مع بعضها البعض هي في كثير من الأحيان أقل استدامة من البدائل الصلبة، إذ إن تكرار الخلط والتعرض لملوثات العرق والبيئة، والتركيزات العالية الإجهاد في نقاط الحجز يمكن أن تؤدي إلى فشل مبكر في استخدام مكونات البرمجيات المرنة.

الرقابة على الشخصية

الحركة البشرية هي شخصية، وخوارزمية التحكم التي تعمل جيداً لشخص ما قد تشعر بعدم الاعتلال أو التعويق تجاه شخص آخر، وتعطيل معايير التحكم في الكسب الفائت لتتوافق مع أنماط الحركة المفضلة للفرد، وأبعاد الجسم، ومستوى الإعاقة يتطلب إجراءات معايرة تستغرق وقتاً طويلاً لا تزال عملية في معظم التطبيقات.

التكلفة وإمكانية الوصول

ويمكن أن تظل الهزات الحالية غير الميسرة باهظة التكلفة بسبب انخفاض حجم الإنتاج والمواد المتخصصة وتعقيد نظم الاستشعار والمراقبة المتكاملة، وتتراوح أسعار النظم التجارية بين عدة آلاف وعشرات الآلاف من الدولارات، مما يجعلها بعيدة المنال بالنسبة لكثير من المستعملين المحتملين.() ومن شأن التوسع في عمليات التصنيع، والاستعاضة عن المواد الأقل تكلفة حيثما أمكن، ووضع هياكل بسيطة للرقابة تحد من متطلبات الصنع، أن يُسعى إلى تحقيق جميع الاستراتيجيات الرامية إلى خفض التكاليف.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

النظم المتكاملة القائمة على المنسوجات

وهناك اتجاه رئيسي في تنمية البروبلات السائلة هو إدماج القذف والاستشعار والتحكم مباشرة في نسيج النسيج. Smart textiles مع وجود خيوط معززة للسلوك، والألياف المطاطية، ويجري تطوير دوائر مرنة لخلق قنوات متطورة من حيث الوزن الميكانيكي.

المساعدة المتعددة الأبعاد

وعادة ما تساعد هذه الهياكل الأساسية الحالية في مفاصل واحدة، مثل الكاحل أو الورك، ولكن الحركة البشرية تنطوي على عمل منسق عبر مجموعات متعددة من المفاصل والعضلات. Multi-articular exoskeletons التي يمكن أن تساعد في الوقت نفسه على إعادة تدوير مفاصل متعددة بطريقة منسقة، يمكن أن توفر زيادة طبيعية وفعالة في المواضع الأخرى من حيث الجودة.

برمجيات برمجيات للتثقيف

وبالإضافة إلى الجسم الأدنى، يجري تكييف تكنولوجيا الإفراغ اللينة من أجل زيادة اليد والصابع. يمكن أن تقدم القفازات الآلية المساعدة على الأفراد الذين يعانون من ضعف اليد، باستخدام المصابين بالصدمات الدقيقة أو الكابلات المثبتة في هيكل القفازات لزيادة ذبذب الأصابع وتوسيعها، وتطبق هذه الأجهزة على العمال الذين يقومون بأعمال ابتكارية

إن مسار تطوير البروبلاتينات الآلية الناعمة يشير إلى أجهزة أصبحت غير مرئية بشكل متزايد للمرتدين، وتختلط في الملابس العادية ولا تتطلب تدريبا خاصا أو اهتماما خاصا للعمل، ومع تحسن المواد، تصبح الخوارزميات الرقابية أكثر تكيفا، وتزداد مستويات التصنيع، فإن هذه النظم يمكن أن تتغير بصورة أساسية كيف يتفاعل البشر مع العمل البدني، والشيخوخة، والإعاقة، والرؤية المستقبلية التي تُستخدم فيها روبوتات غير قابلة للارتباطراد.