הבא Frontier in Wheelchair Engineering

האבולוציה של עיצוב כסאות גלגלים תמיד הייתה מונעת על ידי מטרה בסיסית: לשפר את עצמאות המשתמש, נוחות ואיכות החיים.במשך עשרות שנים, התקדמות ממוקדת ארגונומיה, הסתגלות, וחומרים מבניים קלים יותר כמו אלומיניום וסגסוגת טיטניום.עם זאת, פרדיגמה חדשה מתעוררת מן הצומת של חומרים וטכנולוגיה מסייע.

בניגוד לחומרים קונבנציונליים שיש להם תכונות סטטיות, חומרים חכמים מגיבים דינמיות לגירויים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחץ, שדות חשמליים או מתח מכני.אינטליגנציה מובנה-in מאפשר רכיבים גלגלים להסתגל בזמן אמת לתנועות משתמשים, שינויים בשטח וללבוש דפוסים.התוצאה היא מערכת שעובדת באופן פעיל לשיפור הנוחות, להפחית את התחזוקה, ולהרחיב את החיים התפעוליים של המכשיר.

הבנה של חומרים חכמים: פריים

כדי להעריך את ההשפעה של חומרים חכמים על כסאות גלגלים, חיוני להבין מה הם וכיצד הם פועלים. חומרים חכמים, הידוע גם כחומרים מגיבים או אינטליגנטיים, הם מונדסים כדי להציג שינוי מבוקר באחד או יותר של התכונות שלהם - כגון צורה, קשיחות, לחות, או סטיות - בתגובה לגורם חיצוני.הטריגר יכול להיות תרמי (חום או חום), מכני (חום או חשמל), או מתח כימי נוכחי, או מגנטי), או זרם כימי.

השיעורים הרלוונטיים ביותר של חומרים חכמים עבור יישומים גלגלים כוללים:

  • (FLT:0)Shape-Memory Alloys (SMAseur): FLT 1 מתכת כגון Nitinol (ניקל-טיtanium) שניתן לפורז בטמפרטורה אחת אך לחזור לצורה קודמת מראש כאשר מחומם מעל טמפרטורת מעבר.אפקט זה מונע על ידי שינוי מצב מוצק של מדינה בין מורטט לבין מבני קריסטל אנת.
  • חומרים מפוצצים:0 (Piezoelectric Materials:FLT:1ird Crystals או קרמיקה (למשל, להוביל zirconate titanate, PZT) שיוצר מטען חשמלי בעת לחץ מכני, ובאופן כללי, שינוי צורה כאשר שדה חשמלי מוחל.
  • (FLT:0) , Healing Polymers:BuildFLT) 1 פלסטיקים המשלבים מיקרו-capsulesules או אג"ח כימי בלתי הפיך המאפשר להם לתקן באופן אוטונומי או נזק. כאשר פצח, קפסולות קרע ושחרור סוכן ריפוי כי פולימרים לשחזר שלמות.
  • (FLT:0) פולימרים חשמליים (EAPs): איורים 1:1 פולימרים שמשנים גודל או צורה כאשר הם מופעלים על ידי שדה חשמלי.
  • (FLT:0 Magnetorheological (MR) ואלקטרורחולוגי (ER) פלואידים: MPEGFLT:1 Fluids שמשנים את ההיקף באופן דרמטי בנוכחות שדה מגנטי או חשמלי, המאפשר לחות נשלטת.

היכולת להתאים את התגובה של חומרים אלה פותחה אפשרויות עיצוב שלא ניתן היה להעלות קודם לכן עם מבנים פסיביים.

יתרונות מרכזיים של חומרים חכמים ב-Virir Systems

שילוב של חומרים חכמים בעיצוב גלגלים מספק מגוון של יתרונות אשר ישירות לטפל צרכי משתמשים לאורך זמן.

המונחים: pability under Cyclic Loading

מסגרות גלגלים, רכיבים השעיה ומבנים ישיבה נתונים למיליוני מחזורי מתח חוזרים על תוחלת החיים שלהם.חומרים מסורתיים בסופו של דבר לצבור מיקרו-דמאג שמוביל לסדקים, עייפות וכישלון. חומרים חכמים מציעים כמה מנגנונים להילחם זה.(FLT:0Shape-memory ⁇ sFLT:1 להציג סופרלסטיות - היכולת לעבור עיוותים גדולים (עד 8%) להפחתה מלאה של חומר מתכתי אלומיניום, או ירידה מלאה של אלומיניום, מאפשר סגסוגת ללא סגסוגת אלומיניום.

(FLT:0) ,healf-healing פולימרים ראטמבייט 1) לוקח אחריות צעד נוסף על ידי תיקון פעיל נזק.בעמודי ישיבה, חסימות, ותומכת בגב, חומרים אלה יכולים לשחזר תכונות מכניות לאחר לחץ חוזר או putures, צמצום הצורך להחליף.

גמישות הסתגלות ונוחות דינמיות

רכיבים סטטיים אינם יכולים להכיל את מגוון רחב של משקלי משתמשים, תנוחות ודפוסי תנועה נתקלו מדי יום.חומרים חכמים מציגים את היכולת להסתגל.לדוגמה, אלמנט מסגרת מבוסס SMA יכול להיות מתוכנן להיות נוקשה נמוכה יותר תחת נטייה נורמלית, אבל עלייה קשיחות במהלך תמרונים ברזולוציה גבוהה - ביעילות מתן השעיה משתנה.

בישיבה, חומרים חכמים יכולים להתאים את קווי המתאר של הגוף תחת לחץ תוך שמירה על תמיכה. פולימרים אלקטרואקטיביים בשכבות כריתת שרוולים יכול להפיץ לחץ באופן פעיל כדי למנוע כאבי לחץ, דאגה קריטית עבור משתמשים לטווח ארוך גלגלים.היכולת לכוון באופן דינמי משפרת את הנוחות לטווח קצר ואת תוצאות בריאות לטווח ארוך.

יכולת הפחתת תחזוקה

אחד היתרונות המשכנעים ביותר של חומרים חכמים הוא היכולת שלהם לתקן נזק קטין אוטונומי עבור משתמשים בכיסא גלגלים, ציוד למטה תיקונים יכול להיות אי נוחות משמעותית ומחסום לניידות.FLT:0Self-healing פולימרים FLT:1 יכול למלא סדקים ב upholstery, משעמונים, או אפילו ציפויים ללא התערבות של משתמשים.

מחקר מאוניברסיטת אילינוי הראה פולימרים בעלי משקל עצמי, אשר מחלימים עד 80% מהכוח המקורי לאחר נזק, עם זמני ריפוי שניתן להתאים בין דקות לשעות.

בנייה במשקל אור ללא כוח הקרב

כל ounce של ירידה במשקל חשוב עבור משתמשים בכיסא גלגלים אשר צריך להרים ולעצב את הכיסא שלהם. חומרים חכמים לעתים קרובות להצטיין יחס כוח-משקל. Shape-memory ⁇ s כמו Nitinol יש צפיפות דומה ל titanium אבל עם תכונות פונקציונליות ייחודיות.

בקרת משתמשים מוגברת ו Maneuverability

חומרים חכמים אינם מוגבלים להתאמה פסיבית; הם מאפשרים מערכות בקרה אקטיבית שמשפרות את יכולת התמרון. pazelectric Actuators יכול לספק micro-תיקון לכונן היערכות או מיקום ישיבה נוח.כאשר משולבים עם חיישנים ומיקרו-בקר, חומרים אלה יוצרים מערכת סגורה-loop שמגיבת לקלט למשתמש או לשינויים סביבתיים עם פיגור מינימלי.עבור גלגלים, חומרים חכמים יכולים לשמש בממשקים של שמחה כי הם מתקינים באופן אוטומטי כדי להקלידחות או מהירות כדי להפוך את הפחתת משובים או במהירות.

יישומים ספציפיים מעבר ל- Wheelchair Components

היתרונות התיאורטיים של חומרים חכמים מתורגמים לרכיבים מעשיים.למטה הוא מבט מעמיק על איך כל תת-מערכת מרכזית יכולה להיות מוגברת.

מבנה מסגרת: גאומטריה הסתגלות ושליטה ביברציה

מסגרת הגלגלים היא עמוד השדרה המבני, והגיאומטריה שלה משפיעה ישירות על יציבות, חלוקת משקל, ורכיבה איכות.FLT:0Shape-memory ⁇ sFLT:1 במפרקים מרכזיים יכול לאפשר את המסגרת לשנות את המאפיינים הנוקשות שלה בהתבסס על טמפרטורה או הפעלה חשמלית. לדוגמה, מסגרת יכולה להישאר גמישה עבור חיפוי נמוך על פני משטחים חלקה, אבל באופן זמני כאשר משתמשים נוקשים יותר, מדגימים, או מכווץ, לדוגמה, מתאים את ה-טיפוס גלגלים, או פשט, לדוגמה, פשטות של שליטה על גלגלים.

בנוסף, (FLT:0) כתמים חשמליים מותאמים למסגרת יכולים לקצור אנרגיה רטט ולהפוך אותה לאנרגיה חשמלית עבור חיישנים או מכשירים עזר.זה לא רק לחות רטטים מהדהדים - צמצום עייפות של משתמשים - אלא גם תורם לאוטונומיה אנרגיה עבור אלקטרוניקה.

מערכות ים וספינות ים: התפלגות לחץ

(החומרים בלחץ נותרו סיכון בריאותי רציני למשתמשים בכיסא גלגלים, עלויות מערכות הבריאות מיליארדים מדי שנה.חומרים חכמים מציעים פתרונות יעילים.FLT:0Self-healing ג'ל cushionsFLT:1 יכול לשמור על תכונות תמיכה עקביות לאורך זמן, סופגים שיאי לחץ מקומיים ושיקום ממערכות מתקדמות יותר של שימוש במערךי לחץ ריכוזיים של לחץ אמיתי: 2electroactive פולימרו 3.

גלגלים, טירס ו-Suspension: Terrain Fitability

גלגלים וחרקים צמיגים נחשפים ישירות לתנאים המאתגרים ביותר: השפעה, שחיקה, משטחים משתנים.FLT:0 Magnetorheological (MR) לחות נוזלית FLT:1 בהשעיה יכולים להתאים דחיסה וחזור לחיבוק במלי שניות, חלקה את הבלטים וצמצום ההלם לגולשים הקונבנציונאליים, בניגוד לחי הידראולי, למרחץ לא יכול להתאים יותר למולשים אלקטרוניים, ולהפוך אותם לשילוב יעיל יותר.

עבור צמיגים, (FLT:0) עצמו-healing תרכובות גומי (FLT) 1 אשר משלבים סוכני ריפוי זעירים יכול באופן אוטומטי להטמיע punctures קטנים מהריסות, סיבה נפוצה של צמיגי שטוח.חלק מהטיפוסים משתמשים ב-FLT:2shape-memory alloys דיברsFLT 3 שיכולה רק לשמור על מתחים עצמיים לסיבובים גלגלים, אפילו לאחר יעילות מתגלגלת, לאחר מכן.

ממשקי בקרה: Smarter Input

ג'ויג'יטס, כפתורי לוח מגע ויתרונות מאינטגרציה חומרית חכמה (FLT:0Piezoelectric ForceחיישניםFLT:1) יכולים לזהות וריאציות עדינות בקלט המשתמש עם רגישות גבוהה וסחף מינימלי, המאפשר שליטה מדויקת עבור משתמשים עם תפקוד ידיים מוגבל.FLT:2 פולימרים פולימרים חשמליים חשמליים חשמליים FLT 3 בהתחמי יכול לספק רמזים או לאשר משובים חכמים יותר, באמצעות לחץ דם חכם יותר, 000.

אתגרים ושיקולים לאימוץ

למרות ההבטחה שלהם, אימוץ נרחב של חומרים חכמים בכיסא גלגלים מסחרי עומד בפני כמה מכשולים.0.comstFLT:1 הוא מחסום עיקרי. Shape-memory ⁇ , במיוחד Nitinol, יקרים לייצר ומכונה בהשוואה לאלומיניום או פלדה.

(FLT:0)Fatigue andאמינותFLT:1 של חומרים חכמים בתנאים בעולם האמיתי יש גם להיות מאומת היטב.בעוד SMAs מציג חיים מחזוריים מצוינים בסביבות מבוקרות, הביצועים שלהם יכולים להיות מושפע גורמים כגון קיצוניות טמפרטורה, לחות, וקורוזון. מחקרים קליניים ארוכי טווח נדרשים כדי לאשר כי רכיבים חכמים מתואמים אלה לאורך שנים של שימוש יומיומי.

(FLT:0) גידול המורכבות של מורכבות FLT:1 הוא גורם אחר.חומרים חכמים רבים דורשים מערכות בקרה אלקטרוניות, מקורות חשמל וחיישנים, הוספת משקל, עלות ונקודות כשל פוטנציאליות. מעצבים חייבים לאזן את היתרון של פונקציונליות הסתגלות נגד המורכבות המערכת המוגברת. תקנים ובדיקות עבור רכיבים בכיסא גלגלים חכם-חומרי עדיין לא פותחו במלואם, אשר עשויים להאט את אישור רגולטורי ולהשיג את השוק.

לבסוף, יש לשקול מרכיבים של שימור עצמי, על ידי עיצוב, להפחית את הצורך לתיקון קונבנציונלי, אבל אם מרכיב חומר חכם נכשל, זה עשוי להיות קשה או בלתי אפשרי לשרת על ידי טכנאי מקומי, הדורש החלפת כל ההרכבה.

מחקר > Frontiers and Emerging Technologies

התחום מתקדם במהירות, מונע על ידי מחקר בין-תחומי.כמה מגמות מתעוררות מבטיחות להאיץ את אימוץ חומרים חכמים בכיסא גלגלים וסיועי ניידות אחרים.

Multi-Functional Composites

חוקרים מפתחים תרכובות היברידיות המשלבות סיבים מבניים (כגון סיבים פחמן) עם אלמנטים חומריים חכמים משובצים.לדוגמה, מסגרת כיסא גלגלים של סיבי פחמן יכול לשלב סיבים אדזואלקטריים כדי לפקח על זנים בזמן אמת, בעוד חוטי סגסוגת בצורת-זיכרון לשנות באופן סלקטיבי את המאפיינים של המסגרת של לחות.

עיצובים ביומטיים וביו השראה

הטבע מספק השראה למבנים אדפטיים.עיצובים היררכיים המבוססים על העצם, עץ או צמח ניתן לשכפל באמצעות ייצור תוספים וחומרים חכמים.לדוגמה, כיסא גלגלים עם מבנה פנימי דמוי עצלן, העשוי מפולימר מרגיע עצמי יכול להציע יחס בעל עוצמה גבוהה למשקל, תוך הפצת לחץ אפילו, בדומה לאופן שבו ספוגים מפיץ עומסים.

אנרגיה קצירת אנרגיה וכוח Autonomy

הפיתוח של חומרים חכמים אנרגיה מנקה יכול להפחית או לחסל את הצורך סוללות במערכות חיישן ובקרה. אריחים Piezoelectric בארות הגלגל, גנרטורים תרמואלקטריים כי קציר חום גוף, או גנרטורים תרמומניסטיים המבוססים על SMA שממירים חום פסולת לתוך תנועה הם כולם נחקרים. כיסא גלגלים מופעל על ידי עצמי המשתמש חומרים חכמים כדי להתאים למשתמש וליצור אנרגיה משלו הוא מטרה ארוכת טווח.

שליטה חומרית של AI-Driven

שילוב חומרים חכמים עם אלגוריתמי למידת מכונה מאפשר הסתגלות חיזוי.בקר AI יכול ללמוד דפוסי התנועה האופייניים של המשתמש, העדפות שטח וסף נוחות, ולאחר מכן לשלוט במטעים חומרים חכמים כדי להתאים מראש נוקשות, קווי ישיבה, או היערכות גלגלים.זה מותאם אישית, לולאה בקרה ticipatory יכול לשפר באופן דרמטי את הנוחות והיעילות של המשתמש.

יישום אמיתי ותעשייה מאמץ

כמה חברות וקבוצות מחקר החלו להביא רכיבים של כסאות גלגלים חכמים לשוק או לשלבים מתקדמים של אבטיפוס (FLT:0) PermobilFLT:1, יצרנית גלגלים מובילה, חקרה את השימוש של מ"מ נוזליים במערכות השעיה שלה כדי לשפר את איכות הנסיעה על פני השטח המגוון.FLT:2 Sun Medical AirFLT 3 ניסויים עם מסגרת קלה המבוססת על SMA המאפשרת התאמה והתאמה ללא פגע.

בתחום האקדמי, ה-FLT:0 Human Engineering Research Laboratories (HERL)FIRLT:1 באוניברסיטת פיטסבורג ביצעה עבודה נרחבת על רכיבי כיסא גלגלים, כולל מקומות ישיבה הסתגלות ומסגרות גיאומטריה משתנה.המחקר שלהם הראה כי SMA Actuation יכול להפחית את המאמץ הפיזי הנדרש להנעה על ידי אנתרופולוגיה דינמית.

דוגמה בולטת לשוק הצרכנים היא ה-FLT:0iBOTOVA 2.0FLT:1, מכשיר ניידות אישי המשתמש במערכת איזון מתוחכמת ועייפה אדפטיבית – בעוד שלא רק מבוססת חומר חכם, הגישה שלו להתאמה דינמית מצביעה על שילוב של חומרים מגיבים בגרסאות עתידיות.

מסקנה: עתיד אחראי יותר עבור ניידות

היישום של חומרים חכמים עיצוב כסאות גלגלים מייצג שינוי מהותי מטכנולוגיה גמישה פעיל.על ידי שילוב חומרים הגיוני, תגובה ואפילו מרפא, מהנדסים יכולים ליצור כסאות גלגלים שאינם רק חזקים וקלים יותר, אבל זה להסתגל באופן פעיל למשתמש ולסביבה.

בעוד אתגרים של עלות, מורכבות ואימות נשארים, המסלול של חומרים מדע וייצור תוספת הוא בהתמדה להוריד את המחסומים האלה.כפי שהטכנולוגיה מתבגרת, ההבחנה בין כיסא גלגלים למערכת ניידות אישית טשטשת.כיסאות הגלגלים של העתיד יהיו אינטליגנטיים, מתאימים, ועמידים - מסוגלים להתפתח עם המשתמש.