معماری

گام های مکانیکی و الکتریکی با پای مصنوعی

پاهای مصنوعی از دیر باز مورد استفاده بشر قرار می گرفتند.در طول زمان با پیشرفت علوم پزشکی و مهندسی، این ابزار کمکی کامل تر شد که این تکامل تا به حال ادامه دارد و هر روز شاهد طرحی جدید و شبیه تر به پای واقعی هستیم، اما چند سالی است که با پیشرفت هایی که در زمینه علوم مهندسی صورت گرفته است، شاهد ساخت نسل جدیدی از این ابزارهستیم که گاه کارایی آن ها، فرا تر از یک پای مصنوعی است.
‌به عنوان نمونه می توان از پای مصنوعی چیتا (‌که برای اسکار پیستوریوس سریع‌ترین دونده جهان – با  دو پای قطع شده – طراحی شده است ) ‌ نام برد که این امکان را به کاربرش می دهد تا بتواند با آن حتی مانند یک دونده  حرفه ای بدود، تا جایی که کار بر آن (‌اسکار پیستوریوس) ‌قصد شرکت در المپیک پکن را داشت که البته طبق قوانین کمیته المپیک، چون افراد مجاز به استفاده از ابزار کمکی نیستند، از این کار منع شد.البته ساخت پاهای پیشرفته به این نقطه هم محدود نشد. آخرین طرحی که از این وسیله ابداع شد(پای کلینز)، پایی است پیشرفته با قسمت های مکانیکی، الکترونیکی و میکروکنترلی که نه تنها وسیله ای بسیار کار امد و هوشمند است بلکه به میزان قابل توجهی سبب کاهش اتلاف انرژی توسط کار بر به نسبت سایر پاهای مصنوعی (موارد مشابه) می شود.

انسان ها به طور معمول انرژی قابل توجهی را صرف راه رفتن می کنند و این میزان در افرادی که از پای مصنوعی استفاده  می کنند ۲۳%بیشتر از افراد سالم است. این امر هم موجب خستگی و هم سبب بروز نا هما هنگی بیشتر در طول راه رفتن برای فرد معلول می شود.
زمانی که فرد پاشنه پایش با زمین برخورد می‌کند، تبادل انرژی آغاز شده و سپس پنجه با زمیـن بـرخـورد می کند، در این لحظه پاشنه از زمین جدا شده و بدن به جلو رانده می شود که در این زمان تبادل انرژی به اوج خود می رسد.  به طـور معمـول  در ایـن مـرحلـه فـردی کـه از پای مصنـوعی استفاده می‌کند، حدودا در طول راه رفتن ۲۳% اتلاف انرژی دارد که حذف این اتلاف انــرژی، بــرای راه رفـتــن نــزدیــک تــر بــه نـرمـال ضروری است.
برای حل این مشکل استیون کلینز از دانشگاه میشیگان پای مصنوعی هوشمندی ساخته  است که به صورت میکروپرسسوری کنترل می شود که از اجزای مکانیکی و الکترونیکی ساخته شده است.این پا می تواند بسیاری از انرژی را  که در سـایـر پـاهـای مصنـوعـی در حیـن گـام بـرداشتن اتـلاف مـی شـود، در مرحله ای از راه رفتن در سیستم مکانیکی خود ذخیره کند و در مرحله ای دیگراز گام برداشتن به سیستم باز گرداند و از این طریق اتلاف انرژی فرد را کاهش دهد.
‌طــبــــق گــــزارش هــــای حــــاصــــل از انــجــــام آزمــایــش‌هـای متعـدد کـه سـازنـدگـان آن انجـام داده‌اند، این پا می تواند اتلاف انرژیی را که در پاهای مصنوعی معمولی در حدود ۲۳% است به ۱۴% کاهش دهد. شاید درک ۲۳% اتلاف انرژی بـرای شـما بی معنی باشد. برای درک بهتر این مـقـدار، بـهـتـر اسـت بـدانـیـد ۲۳%مـصـرف انرژی بیشتر مثل حمل یک وزنه ۱۵ کیلو گرمی  یا ۲۰% سریع تر راه رفتن است.
در رابطه با مشخصات ظاهری این پا می توان گـفت : ‌از نظر ابعاد و شکل ظاهری آن بعد از پوشش، شبیه نمونه های پای مصنوعی متداول اسـت. بـا این تفاوت مهم که قسمت جلویی و عـقبی در این پا از هم جدا هستند و می توانند حرکاتی مستقل داشته باشند.

در رابطه با عملکرد سیستم مکانیکی این پا
‌زمانی که پاشنه پا در ابتدای حرکت با زمین بــرخــورد مــی کـنــد، تـنـهــا قـسـمــت عـقـبــی پـای مصنـوعـی حرکت می کند واین حرکت سبب فـشــرده شــدن یــک فـنــر در سـیـسـتــم مـکـانیکـی می‌شود، فشار در پاشنه زمانی که به ماکزیمم مقدار می رسد، هم زمان با فشرده شدن فنر، قسمت عقبی پای مصنوعی به وسیله کلاچی که در سیستم مکانیکی تعبیه شده است، قفل می شود.  با این کار انرژی در سیستم ذخیره می شود تا در مرحله بعد گام برداشتن از آن استفاده شود.
‌حال قسمت جلویی پا با زمین تماس پیدا می کند، در این مرحله زمانی که مقدار خاصی از بار را قسمت جلویی پا حس کرد ، فنر که در مرحله قبل فشرده شده، به صورت خــود کــار آزاد شـده و انـرژی ذخیـره شـده از مـرحلـه قبـل را در ایـن مـرحلـه استفـاده می‌کند،سپس یک فنر کوچک که در قسمت جلوی پا قرار دارد، قسمت کلاچ را با آزاد کردن قفل آن، به حالت اولیه بر می گرداند که آماده برای قدم بعدی شود.
برای بهبود عملکرد پای مصنوعی، اجزای مکانیکی طوری طراحی شده اند که از نظر زمانی، وقفه ای در عملکرد سیستم ایجاد نکنند.
تمامی قسمت های مکانیکی، انرژی مورد نیاز خود برای هر مرحله را از حرکات فرد به دست می آورند. تنها انرژی میکروکنترلر و دو موتور، که یکی انرژی ذخیره شده در فنر را آزاد می کند و دیگری مکانیسم فنری را که قفل می شود، Reset می کند، از منبع خارجی تامین می شوند. تغذیه این وسیله به وسیله یک باطری ۸/۰ واتی انجام می شود.
در کل می توان تفاوت این وسیله با نمونه های مرسوم را در این موارد دید:
۱٫استفاده از قسمت های الکترونیکی به منظور کنترل هوشمند به همراه قسمت های مکانیکی شامل فنر ها و کلاچ
۲٫جدا بودن قسمت جلوی پا از قسمت عقبی آن
۳٫ استفاده از موتور های الکتریکی
۴٫صرف انژی کمتر توسط فرد و در نتیجه خستگی کمتر و راه رفتنی شبیه تر به راه رفتن معمولی

نتایج به دست آمده از آزمایش این پای مصنوعی بر روی افراد
این آزمایش بر روی فردی سالم در محدوده سنی ۱۹-۲۸ سال صورت گرفت. برای این کار پای مصنوعی را به پای سالم آن متصل کردند، سپس مچ طبیعی آن را ثابت کردند تا دقیقا مانند فرد معلول شود. برای برقراری تعادل فرد، یک کفش با ارتفاع بیشتر در پای دیگر آن قرار دادند تا ارتفاع دو پای فرد برابر شود. تمامی آزمایش ها بر روی یک ترد میل انجام می شود و برای یکسان بودن شرایط، همگی در یک سرعت انجام شده اند(در حدود ۲۵/۱متر بر ثانیه.)
درمرحله اول  این آزمایش از یک شبیه ساز که شبیه یک پای مصنوعی معمولی است، استفاده می شود. این شبیه ساز وزنی در حدود ۳۷/۱ کیلو گرم دارد و مانند یک کفش سخت عمل کرده و مچ سالم را مانند پای مصنوعی ثابت نگه می دارد.حال شرایط برای بررسی راه رفتن با پای مصنوعی متداول فراهم است.
در مرحله دوم، این آزمایش ها را برای پای کلینز انجام داده و در نهایت آزمایش را برای یک پای سالم انجام دادند. همچنین برای تخمین کار انجام شده، داده های مربوط به جابجایی و نیرو همگی وهمچنین میزان مصرف اکسیژن فرد نیز در مراحل مختلف آزمایش ثبت شد.

نتایج آزمایش به صورت کیفی
استفاده از پاهای مصنوعی رایج، بازده فرد را در راه رفتن کاهش می دهد. برای استفاده کنندگان از پاهای مصنوعی معمولی این عدد در حدود ۲۳% و برای استفاده‌کنندگان پای کلینز ۱۴% تخمین زده شد.همین طورسوخت و ســاز و صــرف انـرژی در افـرادی کـه از پـاهـای مصنوعی رایج استفاده می کنند، بیشتر از استفاده کنندگان از پای کلینز است.
در حین انجام آزمایش ها متعدد مشاهده شد که همچنان مشکل اتصال اندام مصنوعی به بدن فـرد  وجود دارد و هرچند که از اندام پیشرفته استفاده می شود ولی باز در ناحیه اتصال، فرد دست کم تا مدتی که به ابزار عادت کنند احساس ناراحتی می کند.
به طور کلی می توان به این نتیجه رسید که استفاده از ابزاری که توانایی بهینه سازی در ذخیره سازی انرژی خود فرد در یک مرحله و استفاده مجدد از آن را در مرحله دیگر دارند، در تمام اندام های مصنوعی می تواند ایده‌ای مناسب برای به دست آوردن بیشترین بازده باشد.
البته می توان برای درک درست تری از پای مورد نظر، به مفاهیمی چون <پای هوشمند> یا <نیمه اتوماتیک> هم اشاره کرد که می توانند جایگزینی برای ترکیب <پای پیشرفته> باشند

 

پاسخ دهید