Συνήθως δεν το σκεφτόμαστε ενώ το κάνουμε, αλλά το περπάτημα είναι ένα περίπλοκο έργο. Ελεγχόμενα από το νευρικό μας σύστημα, τα οστά, οι αρθρώσεις, οι μύες, οι τένοντες, οι σύνδεσμοι και άλλοι συνδετικοί ιστοί (δηλαδή το μυοσκελετικό σύστημα) πρέπει να κινούνται συντονισμένα και να ανταποκρίνονται σε απροσδόκητες αλλαγές ή διαταραχές με διαφορετικές ταχύτητες με εξαιρετικά αποτελεσματικό τρόπο. Η αναπαραγωγή αυτού στις ρομποτικές τεχνολογίες δεν είναι μικρό κατόρθωμα.
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα από το Tohoku University Graduate School of Engineering έχει αναπαράγει το ανθρώπινο περπάτημα μεταβλητής ταχύτητας χρησιμοποιώντας ένα μυοσκελετικό μοντέλο που κατευθύνεται από μια μέθοδο αντανακλαστικού ελέγχου που μιμείται το ανθρώπινο νευρικό σύστημα. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη στη βιομηχανική και τη ρομποτική θέτει ένα νέο σημείο αναφοράς στην κατανόηση της ανθρώπινης κίνησης και ανοίγει το δρόμο για καινοτόμες ρομποτικές τεχνολογίες.
Λεπτομέρειες της μελέτης τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό PLoS Computational Biology στις 19 Ιανουαρίου 2024.
“Η μελέτη μας αντιμετώπισε την περίπλοκη πρόκληση της αναπαραγωγής αποτελεσματικού περπατήματος σε διάφορες ταχύτητες – ακρογωνιαίο λίθο του ανθρώπινου μηχανισμού περπατήματος”, επισημαίνει ο αναπληρωτής καθηγητής Dai Owaki και συν-συγγραφέας της μελέτης μαζί με τον Shunsuke Koseki και τον καθηγητή Mitsuhiro Hayashibe.
«Αυτές οι ιδέες είναι ζωτικής σημασίας για την ώθηση των ορίων για την κατανόηση της ανθρώπινης μετακίνησης, της προσαρμογής και της αποτελεσματικότητας».
Το επίτευγμα οφείλεται σε έναν καινοτόμο αλγόριθμο. Ο αλγόριθμος εξελίχθηκε πέρα από τη συμβατική μέθοδο ελαχίστων τετραγώνων και βοήθησε στην επινόηση ενός μοντέλου νευρωνικού κυκλώματος βελτιστοποιημένου για ενεργειακή απόδοση σε διαφορετικές ταχύτητες περπατήματος.
Η εντατική ανάλυση αυτών των νευρωνικών κυκλωμάτων, ιδιαίτερα εκείνων που ελέγχουν τους μύες στη φάση ταλάντευσης των ποδιών, αποκάλυψε κρίσιμα στοιχεία των στρατηγικών βάδισης εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτές οι αποκαλύψεις ενισχύουν την κατανόησή μας για τους πολύπλοκους μηχανισμούς νευρωνικών δικτύων που στηρίζουν το ανθρώπινο βάδισμα και την αποτελεσματικότητά του.
Ο Owaki τονίζει ότι η γνώση που αποκαλύφθηκε στη μελέτη θα βοηθήσει να τεθούν οι βάσεις για μελλοντικές τεχνολογικές εξελίξεις.
«Η επιτυχής εξομοίωση της βάδισης μεταβλητής ταχύτητας σε ένα μυοσκελετικό μοντέλο, σε συνδυασμό με εξελιγμένα νευρωνικά κυκλώματα, σηματοδοτεί μια καθοριστική πρόοδο στη συγχώνευση της νευροεπιστήμης, της εμβιομηχανικής και της ρομποτικής. Θα φέρει επανάσταση στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη δίποδων ρομπότ υψηλής απόδοσης, προηγμένων προσθετικών άκρων και εξωσκελετών τελευταίας τεχνολογίας».
Οι εξελίξεις αυτές θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις λύσεις κινητικότητας για τα άτομα με αναπηρία και να προωθήσουν τις ρομποτικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή.
Κοιτάζοντας μπροστά, ο Owaki και η ομάδα του ελπίζουν να βελτιώσουν περαιτέρω το πλαίσιο ελέγχου αντανακλαστικών για να αναδημιουργήσουν ένα ευρύτερο φάσμα ανθρώπινων ταχυτήτων και κινήσεων περπατήματος. Σχεδιάζουν επίσης να εφαρμόσουν τις γνώσεις και τους αλγόριθμους από τη μελέτη για να δημιουργήσουν πιο προσαρμοστικά και ενεργειακά αποδοτικά προσθετικά, τροφοδοτούμενες στολές και δίποδα ρομπότ. Αυτό περιλαμβάνει την ενσωμάτωση των αναγνωρισμένων νευρωνικών κυκλωμάτων σε αυτές τις εφαρμογές για την ενίσχυση της λειτουργικότητάς τους και της φυσικότητας της κίνησης.
Δείτε ΕΔΩ τη μελέτη.
(photo: pixabay)
