هياكل روبوتية خارجية في ميدان الطب والرياضة

تُوظف لتحسين القدرة على حركة المصابين بالشلل والعدائين

هياكل روبوتية خارجية في ميدان الطب والرياضة
TT

هياكل روبوتية خارجية في ميدان الطب والرياضة

هياكل روبوتية خارجية في ميدان الطب والرياضة

هل يصبح الهيكل الروبوتي الخارجي القابل للارتداء أداة شائعة في المستقبل؟ تشير دراسات حديثة عدة استكشفت تأثيرات الهياكل الروبوتية الخارجية إلى أن الأشخاص الذين يسيرون ببطء أو يترددون في ممارسة الجري والمشي قد يتمكنون قريباً من ارتداء هيكلٍ روبوتي خارجي (exoskeleton) خفيف الوزن، مصمم للجزء السفلي من الجسم لزيادة سرعتهم وسهولة حركتهم.

هياكل روبوتية
توضح هذه الدراسات أن الهيكل الروبوتي الخارجي يُجمع عادة باستخدام المحركات والأسلاك والأربطة والنوابض ببراعة عالية لتعزيز قدرته على تحمل حصة وازنة من الجهد في أثناء السير أو الجري؛ أي للسماح للبشر بالتحرك أكثر وأسرع، وربما تمكين هذه الهياكل من حصاد الطاقة من حركتها بكميات تكفي لشحن هاتف محمول.
ولكن أحدث الأبحاث المتعلقة بهذه الهياكل الروبوتية تثير أيضاً أسئلة مستفزة حول هدف الناس من ممارسة الرياضة، أو ما إذا كان تسهيل ممارستها سيؤدي إلى زيادة فوائدها أيضاً.
وشكلت الهياكل الروبوتية الخارجية مادة دسمة وأساسية في الخيال العلمي لسنوات طويلة، وأتاحت صناعة جنود ورجال شرطة ورجال عاديين وشخصيات دافعها الانتقام قادرين على التفوق على خصومهم لناحية التسليح والحركة الجسدية وحتى أمد الحياة. وتميل روبوتات الهياكل الخارجية في هذه القصص إلى الظهور بتصميم مدرع عصري غير قابل للتدمير يغطي كامل الجسم.
ولكن الهياكل الروبوتية الخارجية الحقيقية التي لا تزال قيد التطوير في معظم المختبرات لا تشبه نسخ الأفلام بشيء، إذ تغلف بعض الروبوتات العصرية الجزء الأكبر من الجسم بهدف مساعدة الناس المصابين بالشلل جراء مرضٍ ما أو إصابة في العمود الفقري على الوقوف والسير. ولكن معظم هذه الأجهزة تأتي بتركيبة مختصرة؛ أي بتركيز على الرجلين أو على القسم العلوي من الجسم. وبعضها يضم محركات، وبعضها الآخر ينتج طاقته ذاتياً بواسطة النوابض، بينما يُصنع النوع الذي يُعرف بالبدلة الروبوتية من مواد طرية قابلة للطي تشبه القماش. ولكن الأكيد أن جميع هذه الأنواع مطورة بهدف تأمين الدعم للعضلات والمفاصل.
وتستخدم بعض منشآت إعادة التأهيل الهياكل الروبوتية الخارجية المخصصة للقسم السفلي من الجسم والبدلة الروبوتية لتحسين القدرة على السير لدى المرضى المصابين بجلطات دماغية وكبار السن والشباب المصابين بالشلل وغيرها من الإعاقات.

روبوتات العدائين
ولكن لعل العلم الأكثر إرباكاً وإثارة للحيرة اليوم هو ذلك الذي يسعى لتطوير هياكل روبوتية خارجية للشباب والأصحاء. وفي هذا المجال البحثي، يعمل العلماء على تطوير هياكل خارجية لتقليل استهلاك الطاقة خلال الجري والمشي، وتخفيف التعب الناتج عن هذه النشاطات، بالإضافة إلى زيادة فاعليتها ومتعتها الجسدية.
وتبدو النتائج الظاهرة حتى اليوم واعدة في هذا المجال. ففي سلسلة من الأبحاث التي أجريت العام الماضي في مختبر الميكاترونيك الحيوية التابع لجامعة ستانفورد (بتمويل من شركة نايكي)، وجد الباحثون أن طلاباً جامعيين نجحوا في الجري بفاعلية أكبر بـ15 في المائة على آلة الجري عند ارتدائهم لنسخة تجريبية من هيكل روبوتي خارجي مصمم للقسم السفلي من الرجلين.
ويضم هذا الهيكل الروبوتي إطاراً خفيف الوزن مربوطاً حول ساقي وكاحلي العداء يستمد طاقته من محرك، بالإضافة إلى شرائط من ألياف الكربون مدمجة في أربطة الحذاء. وتعمل هذه العناصر مجتمعة على تقليل مقدار القوة التي تحتاج رجلا العدائين إلى إنتاجها للاندفاع إلى الأمام. ويقدر الباحثون المشاركون في الدراسة أن هذه الأجهزة قد تتيح لمرتديها الجري بسرعة أكبر بـ10 في المائة من سرعتهم الطبيعية على الطرقات والمسارات في عالمنا الحقيقي.
وفي دراسة أجراها مختبر ستانفورد، ونشرها في أبريل (نيسان) الفائت، تبين أن جهازاً بتعديلات طفيفة نجح في زيادة سرعة متطوعين شباب في أثناء السير، حتى أن متوسط سرعة المشاركين في الدراسة زاد بنسبة 40 في المائة عندما ارتدوا هيكلاً روبوتياً تجريبياً يعمل بمصدر للطاقة، بينما استهلكوا طاقة أقل بنسبة 2 في المائة.
وفي الأصل، يمكن تشبيه تقنية الهياكل الروبوتية بـ«الدراجات الكهربائية»، ولكن تستخدم للسير وليس للتدويس، بحسب ما شرح ستيفن كولينز، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ستانفورد الباحث الرئيسي في الدراسات الجديدة في هذا المجال. ويمكن لهذه الأجهزة، في حال تقليل الجهد المطلوب للحركة، أن تشجعنا على زيادة حركتنا، وربما الذهاب في مشاويرنا سيراً على الأقدام، والتسكع أو السير مع شركاء أو أصدقاء أسرع منا، والوصول إلى أماكن قد تبدو وعرة أو بعيدة جداً.

توليد الطاقة
ويمكن لهذه الهياكل الروبوتية أن تتيح أيضاً لعضلاتنا تزويد هواتفنا بالطاقة، بحسب نتائج واحدة من أحدث الدراسات في هذا المجال. وفي تلك التجربة التي نشرت في دورية «ساينس» في مايو (أيار) الماضي، ارتدى متطوعون صغار في السن أصحاء من جامعة كوينزفي كينغستون، أونتاريو، هيكلاً روبوتياً يضم حقيبة ظهر تحتوي على مولدٍ صغير متصل بأسلاك موصولة بالكاحلين. وقد سار المتطوعون لمدة عشر دقائق، وفي الوقت نفسه، كان الجهاز يستمد بعضاً من الطاقة الميكانيكية التي ولدتها عضلات الرجلين، وينقلها إلى المولد الذي يحولها بدوره إلى قدرة «ربع واط» من الطاقة (تتطلب معظم الهواتف المحمولة أكثر من واط واحد لشحن بطاريتها). وفي الوقت عينه، قلل الهيكل الروبوتي الجهد الجسدي المطلوب في كل خطوة بنحو 2.5 في المائة. قال مايكل شيبيرتيكي، الباحث الرئيسي في الدراسة الحائز حديثاً على شهادة دكتوراه من جامعة كوينز: «نتخيل جهازنا يعمل مصدر طاقة فعالاً لتزويد أجهزة إلكترونية صغيرة بالطاقة، ما سيجعله أداة ضرورية للنزهات البعيدة عن الكهرباء في الطبيعة، أو خلال مهام إطفاء النيران في الغابات، أو حتى خلال السير في المكتب».
ولم تتوفر أي من الهياكل الروبوتية المطورة لتحسين الجري والمشي خارج المختبرات بعد، على الرغم من أن الباحثين يتوقعون تغير هذا الأمر قريباً. وقال غريغوري ساويكي، الأستاذ الذي يدير مختبر «الفيزيولوجيا البشرية للأجهزة الروبوتية القابلة للارتداء» في جامعة جورجيا تيك، أتلانتا: «أنا واثقٌ أن البدلات الروبوتية المصممة لتحسين الحركة ستكون متوفرة للاستخدام التجاري خلال السنوات العشر المقبلة».
ولكن لم يتضح حتى اليوم ما إذا كانت هذه الهياكل الروبوتية غير الطبية ستتوفر بأسعار مدروسة أو بتصاميم مريحة عصرية بدرجة تتيح لجميع الناس ارتدائها. والأهم، ما زلنا لا ندري ما إذا كانت هذه الأجهزة التي ستعمل على تقليل الجهد المطلوب في الحركة الجسدية ستساهم في تقليل المكاسب الصحية الناتجة عن ممارسة الرياضة أيضاً. ويعد كولينز أن «هذا الأمر مثير للقلق، ولكن نأمل في أن يسعى الناس إلى السير والجري أكثر، وأن تساهم هذه الأجهزة في مراكمة معدلات أكبر من النشاط مع الوقت. إن هدفنا الرئيسي من هذه الأبحاث وغيرها في هذا المجال هو ضمان أن الأشخاص الذين يسعون للوقوف والحركة سيتمكنون من تحقيق مبتغاهم».
* خدمة «نيويورك تايمز»


مقالات ذات صلة

شركتان تابعتان لـ«السيادي» السعودي تعززان بناء مستقبل مستدام لصناعة الطيران 

الاقتصاد خلال توقيع مذكرة التفاهم بين شركتي «سرك» و«الطائرات المروحية» (إكس)

شركتان تابعتان لـ«السيادي» السعودي تعززان بناء مستقبل مستدام لصناعة الطيران 

وقّعت شركة «الطائرات المروحية»، والشركة السعودية الاستثمارية لإعادة التدوير (سرك)، يوم الاثنين، مذكرة تفاهم تُسهم في بناء مستقبل مستدام لصناعة الطيران والبيئة.

«الشرق الأوسط» (الرياض)
الاقتصاد رجل يحمل لافتة عليها صورة ترمب بينما يتجمع أنصاره خارج ساحة «كابيتال وان» تحضيراً للاحتفال بتنصيبه (رويترز)

ترمب يعتزم إحياء «تيك توك»... لكنه يريد ملكية أميركية بنسبة 50 %

قال الرئيس الأميركي المنتخب دونالد ترمب إنه سيعيد إحياء الوصول إلى تطبيق «تيك توك» في الولايات المتحدة بأمر تنفيذي، بعد أن يؤدي اليمين الدستورية، يوم الاثنين.

«الشرق الأوسط» (واشنطن)
تكنولوجيا تمتد المنشأة على مساحة 18.500 متر مربع وتتميز بنظام فرز آلي متقدم يضم 120 مركبة موجهة آلياً لمعالجة معالجة 4 آلاف شحنة/ ساعة (أرامكس)

«أرامكس»: نظام روبوتي بميناء جدة و«درون» لتوصيل الطرود

تمتد المنشأة على مساحة 18.500 متر مربع وتتميز بنظام فرز آلي متقدم لمعالجة 4 آلاف شحنة في الساعة.

نسيم رمضان (لندن)
تحليل إخباري يتخوف مراقبون من أن حظر «تيك توك» بالولايات المتحدة قد يدفع دولاً أخرى لاتخاذ خطوات مماثلة (أدوبي)

تحليل إخباري ماذا يعني حظر «تيك توك» لـ170 مليون مستخدم أميركي؟

سيغيّر الحظر الطريقة التي يتفاعل بها ملايين المستخدمين مع المحتوى الرقمي بالولايات المتحدة.

نسيم رمضان (لندن)
عالم الاعمال «هونر» تُطلق هاتف «ماجيك 7 برو» في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا

«هونر» تُطلق هاتف «ماجيك 7 برو» في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا

أعلنت شركة «هونر» العالمية للتكنولوجيا عن إطلاق هاتفها الجديد «هونر ماجيك 7 برو» في أسواق الشرق الأوسط وشمال أفريقيا.


«محاصيل ذكية مناخياً»... استراتيجية علمية لتحقيق أعلى إنتاجية

الدكتور كاو شو وفريقه يفحصون ثمار الطماطم التي خضعت للتعديل الجيني ضمن الإستراتيجية الجديدة (الأكاديمية الصينية للعلوم)
الدكتور كاو شو وفريقه يفحصون ثمار الطماطم التي خضعت للتعديل الجيني ضمن الإستراتيجية الجديدة (الأكاديمية الصينية للعلوم)
TT

«محاصيل ذكية مناخياً»... استراتيجية علمية لتحقيق أعلى إنتاجية

الدكتور كاو شو وفريقه يفحصون ثمار الطماطم التي خضعت للتعديل الجيني ضمن الإستراتيجية الجديدة (الأكاديمية الصينية للعلوم)
الدكتور كاو شو وفريقه يفحصون ثمار الطماطم التي خضعت للتعديل الجيني ضمن الإستراتيجية الجديدة (الأكاديمية الصينية للعلوم)

بحلول عام 2050، من المتوقع أن يرتفع عدد سكان العالم إلى 10 مليارات نسمة، ما يتطلب زيادة في إنتاجية المحاصيل الزراعية بنسبة 60 في المائة، لتلبية احتياجات الغذاء. ومع ذلك، فإن الإنتاج الحالي لا يكفي، ومن المتوقع أن يتفاقم هذا العجز بسبب الضغوط الناتجة عن تغير المناخ.

على سبيل المثال، يؤدي ارتفاع درجات الحرارة بمقدار درجتين مئويتين خلال موسم النمو إلى انخفاض في الإنتاجية يصل إلى 13 في المائة. لذا، يركز العلماء حالياً على تطوير محاصيل «ذكية مناخياً» قادرة على تحقيق إنتاجية أعلى في الظروف الطبيعية، مع الحفاظ على إنتاجية مستقرة تحت ضغوط الحرارة.

وفي خطوة نحو تحسين إنتاج المحاصيل في ظل الظروف المناخية المتغيرة، عمل علماء في الصين على تحسين أدوات التعديل الجيني لتطوير استراتيجية جديدة تعزز خصائص نمو وتطور النباتات.

وطوَّر فريق من معهد علم الوراثة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم استراتيجية تعتمد على تعديل جين، يلعب دوراً حاسماً في تنظيم آلية طبيعية في النباتات، تؤثر بشكل كبير على إنتاجية النبات وحلاوة الثمار وجودة الحبوب. ونُشرت نتائج الدراسة في عدد 15 ديسمبر (كانون الأول) الماضي من دورية «Cell».

«المصدَر والمستقبِل»

تحتاج النباتات إلى المياه والعناصر الغذائية والضوء لتنمو؛ حيث يعتمد كل جزء منها على هذه المكونات الأساسية. فالجذور تتطلب طاقة من عملية التمثيل الضوئي لامتصاص المياه والعناصر الغذائية من التربة، بينما تحتاج الأوراق للمياه والعناصر الغذائية التي تمتصها الجذور لتقوم بعملية التمثيل الضوئي، وتصنيع الغلوكوز الذي يعد المصدر الأساسي للطاقة في النبات.

وتُمتص هذه الموارد وتُنتَج في أماكن مختلفة داخل النبات، ما يتطلب نظاماً معقداً لنقلها بين الأماكن التي تُنتج أو تُستخدم فيها.

ويستخدم العلماء مصطلحَي «المصدَر» (Source) و«المستقبِل» (Sink) لوصف هذه العمليات؛ حيث يكون «المصدر» هو المكان الذي يتم فيه امتصاص أو إنتاج الموارد اللازمة لنمو النباتات، بينما «المستقبِل» هو المكان الذي تُستخدم فيه هذه الموارد. ويحدد التوازن في هذه العملية قدرة النباتات على النمو والإثمار.

ومع تغير المناخ وارتفاع درجات الحرارة، تتعرض هذه العمليات الحيوية للخطر، ما يؤدي لتدهور إنتاجية وجودة المحاصيل.

يقول الدكتور كاو شو، الباحث الرئيسي للدراسة في المركز الوطني لبحوث جينات النبات، في معهد علم الوراثة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، إن علاقة «المصدَر والمستقبِل» هي نظرية كلاسيكية عمرها قرن من الزمان؛ لكنها ما زالت تحظى باهتمام مستمر في مجال علم الأحياء النباتية، وتعد مجالاً بحثياً مهماً وصعباً.

وأضاف لـ«الشرق الأوسط» أن هذه النظرية تركز على إنتاج وتوزيع المركبات الكربونية -مثل السكروز- التي تلعب دوراً محورياً في حياة النباتات، من أعضاء المصدر (كالأوراق) إلى المستقبِل (مثل الجذور والثمار والبذور) التي تخزن أو تستهلك هذه المركبات لتوفير الغذاء والمواد الأساسية للإنسان. وأشار إلى أن تحسين العلاقة بين «المصدَر والمستقبِل» يمكن أن يسهم في زيادة الإنتاجية بنسبة تتراوح بين 40 و60 في المائة.

تعديل جيني

تستند الاستراتيجية الجديدة على تحسين استجابة النباتات للحرارة، من خلال التحكم في توزيع الكربون على الأجزاء المستقبلة للطاقة في النباتات.

وركز الباحثون في دراستهم على جين يُعرف باسم «CWIN»، المسؤول عن تنظيم العلاقة بين «المصدَر» و«المستقبِل» في النبات. وعند تعرض النبات للإجهاد الحراري، ينخفض نشاط هذا الجين، ما يؤدي إلى فقدان التوازن بين «المصدر» و«المستقبل»، ويقلل توزيع الكربون على الثمار، ما يؤثر سلباً على نمو وجودة وإنتاجية المحاصيل.

ولحل هذه المشكلة، أجرى الفريق تعديلاً للجين، عن طريق إدخال تسلسل جيني خاص يتفاعل مع درجات الحرارة المرتفعة، في أصناف الأرز والطماطم، باستخدام تقنيات التحرير الجيني المتطورة.

وأوضح شو أن هذا التعديل يساعد على تنشيط التعبير عن الجين عند التعرض للحرارة العالية، ما يضمن استقرار تدفق الكربون إلى الثمار، ويعزز الإنتاجية. كما يعزز التعديل توزيع الكربون على الثمار في الظروف الطبيعية، ما يؤدي إلى زيادة الإنتاجية.

وأظهرت الاختبارات المتعددة على الطماطم أن هذه الاستراتيجية زادت المحصول بنسبة تصل إلى 47 في المائة في الظروف العادية، وبنسبة 33 في المائة تحت الإجهاد الحراري. كما حسَّنت جودة الثمار من حيث توحيد الحجم ونسبة الحلاوة.

وطبَّق فريق البحث الأسلوب نفسه على الأرز، ما أدى إلى زيادة الإنتاجية بنسبة 13 في المائة في الظروف العادية، و25 في المائة تحت الإجهاد الحراري، ما ساهم بشكل كبير في تعويض خسائر الإنتاج الناتجة عن الحرارة العالية.

وفق شو، فإن الاستراتيجية الجديدة تعتمد على مجموعة شاملة من تقنيات التحرير الجيني لتحسين المحاصيل وتقييم الإنتاجية، ما يمهد الطريق لتطوير محاصيل ذكية مناخياً تحقق إنتاجية عالية في الظروف الطبيعية، وتقلل من خسائر الإنتاج تحت ظروف الإجهاد المختلفة. وطُبقت هذه الاستراتيجية أيضاً على محاصيل مثل فول الصويا والقمح والذرة.