ابتكار روبوتي يحاكي مشية الإنسان

ملخص: حقق الباحثون تقدمًا كبيرًا في مجال الروبوتات من خلال تكرار المشي المتغير السرعة الشبيه بالإنسان باستخدام نموذج عضلي هيكلي. هذا النموذج، الذي يسترشد بنظام التحكم المنعكس المماثل للجهاز العصبي البشري، يعمل على تطوير فهمنا لحركة الإنسان ويضع معايير جديدة للتكنولوجيا الروبوتية.

استخدمت هذه الدراسة منهجية مبتكرة لتحسين كفاءة الطاقة عند سرعات المشي المختلفة. يمهد هذا الإنجاز الطريق للابتكارات المستقبلية في الروبوتات ذات القدمين والأطراف الصناعية والهياكل الخارجية التي تعمل بالطاقة.

مفتاح الحقائق:

1. نجح فريق من جامعة توهوكو في تكرار أنماط المشي البشرية في نموذج آلي، لمحاكاة تعقيد الجهاز العضلي الهيكلي والجهاز العصبي البشري.
2. وقد تم تطوير خوارزمية متقدمة لتحسين كفاءة استخدام الطاقة، وهو أمر مهم لتقليد مشية البشر الطبيعية ذات السرعة المتغيرة.
3. يتمتع هذا البحث بإمكانيات هائلة للتقدم في مجال الروبوتات ذات القدمين، والأطراف الصناعية والهياكل الخارجية التي تعمل بالطاقة، وحلول التنقل، والروبوتات اليومية.

مصدر: جامعة توهوكو

نحن عادة لا نفكر في الأمر أثناء القيام بذلك، ولكن المشي مهمة معقدة. يجب أن تتحرك العظام والمفاصل والعضلات والأوتار والأربطة والأنسجة الضامة الأخرى (أي الجهاز العضلي الهيكلي)، التي يتحكم فيها نظامنا العصبي، بالتنسيق والاستجابة بطريقة فعالة للغاية للتغيرات أو الاضطرابات غير المتوقعة بسرعات متفاوتة. إن تكرار ذلك في التقنيات الروبوتية ليس بالأمر الهين.

الآن، قام فريق بحثي في ​​كلية الدراسات العليا للهندسة بجامعة توهوكو بتكرار المشي المتغير السرعة الشبيه بالإنسان باستخدام نموذج عضلي هيكلي مدفوع بنظام تحكم منعكس يحاكي الجهاز العصبي البشري. تضع هذه التطورات في الميكانيكا الحيوية والروبوتات معيارًا جديدًا لفهم الحركة البشرية وتمهيد الطريق لتقنيات الروبوتات المبتكرة.

وقد نشرت تفاصيل دراستهم في المجلة PLoS علم الأحياء الحسابي في 19 يناير 2024.

“لقد تناولت دراستنا التحدي المعقد المتمثل في تكرار المشي الفعال بسرعات مختلفة – وهو حجر الزاوية في آلية المشي البشري”، يشير المؤلف المشارك في الدراسة مع البروفيسور المشارك داي أواكي وشونسوكي كوسيكي والبروفيسور ميتسوهيرو هاياشيبي.

“هذه الرؤية حاسمة في دفع حدود فهم الحركة البشرية والتكيف والأداء.”

بفضل طريقة مبتكرة للإنجاز. تطورت الخوارزمية إلى ما هو أبعد من طريقة المربعات الصغرى التقليدية ومكنت من إنشاء نموذج دائرة عصبية محسّنة لكفاءة الطاقة في نطاق واسع من سرعات المشي.

وكشف التحليل المكثف لهذه الدوائر العصبية، وخاصة التحكم في العضلات أثناء مرحلة تأرجح الساق، عن مكونات مهمة لاستراتيجيات المشي الموفرة للطاقة. تعمل هذه الاكتشافات على تعزيز فهمنا لآليات الشبكة العصبية المعقدة التي تدعم مشية الإنسان وأدائه.

ويؤكد أواكي أن المعرفة التي كشفت عنها الدراسة ستساعد في إرساء الأساس للتقدم التكنولوجي في المستقبل.

“يمثل النموذج الأولي الناجح للمشي متغير السرعة في نموذج العضلات والعظام، جنبًا إلى جنب مع الدوائر العصبية المتطورة، تقدمًا كبيرًا في الجمع بين علم الأعصاب والميكانيكا الحيوية والروبوتات. وسيُحدث ثورة في تصميم وتطوير الروبوتات ذات الأداء العالي والأطراف الاصطناعية المتقدمة، والهياكل الخارجية المتطورة التي تعمل بالطاقة.

يمكن لمثل هذه التطورات أن تحسن حلول التنقل للأشخاص ذوي الإعاقة والتقنيات الروبوتية المتقدمة المستخدمة في الحياة اليومية.

وبالنظر إلى المستقبل، يأمل أواكي وفريقه في تحسين إطار التحكم في المنعكس التجديدي لمجموعة واسعة من سرعات وحركات المشي البشرية. إنهم يخططون لاستخدام رؤى الدراسة وأساليبها لتطوير أطراف صناعية أكثر تكيفًا وكفاءة في استخدام الطاقة، وملابس للجري، وروبوتات ذات قدمين. وتشمل هذه التطبيقات دمج الدوائر العصبية المحددة لتحسين وظيفتها وطبيعية حركتها.

حول أخبار أبحاث الروبوتات هذه

مؤلف: العلاقات العامة
مصدر: جامعة توهوكو
اتصال: العلاقات العامة – جامعة توهوكو
صورة: يُنسب الفيلم إلى Neuronews

البحث الأصلي: الوصول المفتوح.
“تحديد العوامل الأساسية للتحكم في المشي بكفاءة في استخدام الطاقة على نطاق واسع من السرعات في الأنظمة العضلية الهيكلية القائمة على الانعكاس“داي أواكي وآخرون. PLOS علم الأحياء الحسابي

ملخص

تحديد العوامل الأساسية للتحكم في المشي بكفاءة في استخدام الطاقة على نطاق واسع من السرعات في الأنظمة العضلية الهيكلية القائمة على الانعكاس

يمكن للبشر تطوير مجموعة واسعة من سرعات المشي والحفاظ عليها مع تحسين كفاءتهم في استخدام الطاقة. إن فهم الآليات المعقدة التي تحكم مشية الإنسان يمكن أن يساهم في التطبيقات الهندسية مثل الروبوتات ذات القدمين الموفرة للطاقة والأجهزة المساعدة على المشي. أظهرت آليات التحكم القائمة على الانعكاس والتي تولد أنماطًا حركية استجابةً للتغذية المرتدة الحسية نتائج واعدة في إنتاج مشية تشبه الإنسان في النماذج العضلية الهيكلية.

ومع ذلك، يظل التحكم الدقيق في السرعة تحديًا كبيرًا. هذا القيد يجعل من الصعب تحديد الدوائر المنعكسة الأساسية للمشي الموفر للطاقة. من أجل استكشاف آلية التحكم المنعكس والحصول على فهم أفضل لآلية الصيانة الموفرة للطاقة، قمنا بتوسيع نظام التحكم القائم على المنعكس لتمكين التحكم في سرعة المشي بناءً على السرعة المستهدفة.

لقد قمنا بتطوير طريقة جديدة للمربعات الصغرى (PWLS) مرجحة الأداء لتصميم مُعدِّل حدودي يعمل على تحسين أداء المشية مع الحفاظ على السرعة المستهدفة لنظام المشي ذو القدمين القائم على الانعكاس.

لقد نجحنا في إنشاء مشيات تتراوح من 0.7 إلى 1.6 م/ث في نموذج عضلي هيكلي ثنائي الأبعاد يعتمد على السرعة المستهدفة للإدخال في بيئة محاكاة. كشف تحليلنا التفصيلي للمشكل البارامترى في النظام القائم على الانعكاس عن دائرتين انعكاسيتين رئيسيتين تؤثران بشكل كبير على كفاءة الطاقة.

علاوة على ذلك، تم التأكد من عدم تأثر هذه النتيجة من خلال تحديد المعلمات في دالة التكلفة الموضوعية، أي طول الساق والتأخير الزمني الحسي ومعاملات الوزن.

توفر هذه النتائج أداة قوية لدراسة القواعد العصبية للتحكم في الحركة، في حين أن الآليات المعقدة الكامنة وراء المشي البشري لديها إمكانات كبيرة للتطبيقات الهندسية العملية.