فهرست مطالب
مواد برنامه‌پذیری که در پروتزهای دست جایگزین موتور و پیچ و لولا می‌شوند، امکان حرکت طبیعی‌تر و کارآمدتر را برای طیف گسترده‌تری از کاربران فراهم می‌کنند.
به گزارش تکناک، یک مفصل انگشت که از یک قطعه واحد مواد برنامه‌پذیر ساخته شده است، توانایی ساده‌سازی طراحی پروتزهای دست و گیره‌های رباتیک را دارد و می‌تواند تجربه‌ای راحت‌تر، ظاهری طبیعی‌تر و عملکردی پیشرفته‌تر را با هزینه کمتر به کاربران ارائه دهد. این سیستم، که در چارچوب پروژه Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials (CPM) توسعه یافته، بدون نیاز به موتور یا اجزای متصل متعدد، قادر است چهار موقعیت پایدار را حفظ کند؛ تحولی بزرگ در مقایسه با طراحی‌های سنتی پروتز که بر پیچ، لولا و مونتاژ گسترده متکی هستند.
پژوهشگران چندین موسسه Fraunhofer با همکاری یکدیگر روی پروژه ProFi یا Programmable Multistable Finger کار می‌کنند. هدف آنها بازطراحی پروتزهای دست غیرفعال است تا کنترل انگشت‌ها شهودی‌تر شود و در عین حال، دستگاه برای کاربرانی که توان مالی پروتزهای الکترونیکی پیچیده را ندارند، در دسترس باقی بماند.
بازآفرینی پروتزهای مفصلی
پروتزهای دست غیرفعال با انگشتان مفصلی، به دلیل قیمت مناسب و ظاهر طبیعی، معمولا ترجیح داده می‌شوند. با وجود این، انگشتان مکانیکی سنتی نیازمند چندین قطعه متصل هستند که هزینه، وزن و پیچیدگی نگهداری را افزایش می‌دهند. سیستم ProFi با جایگزینی کل این معماری با یک ماده برنامه‌پذیر، به انگشت امکان می‌دهد در یک محور خم شود و هم‌زمان در چند زاویه مشخص قفل بماند.
نمونه اولیه، حرکت را در گام‌های ۳۰ درجه فراهم می‌کند و چهار موقعیت متمایز برای گرفتن، استراحت یا اشاره ارائه می‌دهد. ساختار مفصل با استفاده از شبیه‌سازی با روش اجزای محدود (FEM) بررسی شد تا توزیع فشار هنگام خم شدن مشخص شود و طراحی اصلاح شد تا مفصل توان تحمل استفاده مکرر را داشته باشد و در تمام جهات به جز مسیر خم شدن مورد نظر، سختی خود را حفظ کند. پس از بهینه‌سازی، انگشت به‌صورت یک قطعه واحد با چاپ سه‌بعدی تولید شد، با فناوری‌هایی مانند Fused Deposition Modeling (FDM) و Selective Laser Sintering (SLS)، که مونتاژ را حذف و سفارشی‌سازی را ساده می‌کند؛ ویژگی‌هایی حیاتی برای کاربرانی که به راحتی و ظاهر طبیعی دست اهمیت می‌دهند.
نحوه عملکرد و میزان پایداری پروتزهای دست
برنامه‌ریزی پایداری در یک ماده مستلزم کنترل دقیق رفتار ساختار داخلی آن هنگام اعمال نیرو است. دانشمندان Fraunhofer این هدف را با ادغام سلول‌های دوپایدار در طراحی مفصل محقق کردند. هر سلول از تیرک‌های الاستیک تشکیل شده است که می‌توانند از یک حالت به حالت دیگر تغییر کنند و بدون نیاز به اعمال نیروی مداوم در جای خود باقی بمانند.
پژوهشگران با استفاده از نرم‌افزار ProgMatCode، ابزاری اختصاصی برای مواد برنامه‌پذیر، این رفتار را مدل‌سازی و بهینه‌سازی کردند. هنگامی که این سلول‌ها با هندسه ویژه مفصل ترکیب می‌شوند، انگشتی تولید می‌شود که بدون نیاز به هرگونه الکترونیک یا انرژی خارجی می‌تواند به‌صورت روان بین موقعیت‌های قفل‌شده حرکت کند. همچنین این طراحی غیرفعال چندپایدار ایمنی انگشت را افزایش می‌دهد، به‌ویژه در کاربردهایی مانند گرفتن اشیا در خطوط اتوماسیون صنعتی، جایی که مکانیک ساده و قابل پیش‌بینی می‌تواند از بروز حوادث جلوگیری کند.
تمرکز بر متاموادهای برنامه‌پذیر
این نوآوری بخشی از تلاش گسترده پروژه Programmable Materials CPM است، که هدف آن بازتعریف رفتار مواد است. متاموادهای برنامه‌پذیر به‌گونه‌ای مهندسی شده‌اند که خواص ماکروسکوپی آنها توسط ساختار و نه ترکیبات شیمیایی تعیین می‌شود. برخلاف مواد سنتی، هندسه داخلی این مواد می‌تواند تحت تاثیر محرک‌های خارجی تغییر کند و امکان جابه‌جایی بین حالت‌های عملکردی مختلف را فراهم آورد. این مواد در آینده می‌توانند کل سیستم‌ها را در یک جزء تطبیق‌پذیر جمع کنند، وزن را کاهش و دوام را افزایش دهند و آزادی طراحی پیش‌از‌این ناممکن را ممکن سازند.
انتظار می‌رود که رباتیک، تجهیزات پزشکی و فناوری‌های محیطی بیشترین بهره را از این پیشرفت ببرند. مفصل انگشت جدید، تصویری ملموس از این آینده ارائه می‌دهد. این مکانیزم فشرده و قابل سفارشی‌سازی، جایگزین چندین قطعه مکانیکی می‌شود، حرکت طبیعی را پشتیبانی می‌کند و پروتزهای دست را دسترس‌پذیرتر و کاربرپسندتر می‌سازد.
تیم پژوهشی پیش‌بینی می‌کند که با ادامه تحقیقات، کاربردهای بیشتری در زمینه ارتوزها و ابزارهای گرفتن اشیا شکل گیرد و مواد برنامه‌پذیر را به استفاده روزمره نزدیک‌تر کند. این پیشرفت جهشی امیدوارکننده در عملکرد و طراحی برای کاربران دست‌های پروتزی و ربات‌هایی به حساب می‌آید که به ابزارهای چندمنظوره و ساده نیاز دارند.
