आभासी शरीरासोबत शिकलेला खुब्याचा एक्सोस्केलेटन

पायांसाठीचे शक्तिचालित एक्सोस्केलेटन पुनर्वसनासाठी आणि निरोगी लोकांना चालण्यास मदत करण्यासाठी, अशा दोन्ही कारणांसाठी विकसित केले जात आहेत. खुब्याची उपकरणे विशेष आकर्षक आहेत: सपाट जमिनीवर चालताना होणाऱ्या धन कार्याचा मोठा वाटा खुब्याचे स्नायू उचलतात, त्यामुळे त्यांना मदत केल्याने कामाचा मोठा भाग करणाऱ्या स्नायूंना आराम मिळू शकतो.

अडचण आहे ती वापरणाऱ्याची. मोटर एखाद्या सांध्यावर जोर लावू लागताच, चाल बदलते आणि स्नायू स्वतःची पुनर्रचना करतात. नेहमीचा उपाय, “ह्यूमन-इन-द-लूप” (human-in-the-loop) अनुकूलन, उपकरण थेट प्रत्येक व्यक्तीवर समायोजित करतो — असे दीर्घ प्रयोग, जे प्रत्येक नव्या वापरकर्त्यासाठी आणि प्रत्येक परिस्थितीसाठी पुन्हा करावे लागतात.

प्रशिक्षणातील साथीदार म्हणून आभासी चालणारा

न्यू जर्सी इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीमधील Yifei Yuan, Xianlian Zhou आणि सहकाऱ्यांनी, केसलर फाउंडेशनसोबत, हे प्रशिक्षण संगणकात नेले. त्यांच्या आभासी मानवाचे संपूर्ण शरीर 304 स्नायू-प्रवर्तकांनी (muscle actuators) चालवले जाते. त्याची उंची, वजन, स्नायूंची ताकद, पावलाची लांबी आणि चालण्याचा वेग यादृच्छिकपणे निवडले जातात, सुमारे 1.55 मी आणि 54 किलो पासून 1.94 मी आणि 97 किलो पर्यंत, त्यामुळे नियंत्रक एका व्यक्तीऐवजी संपूर्ण लोकसंख्येसाठी शिकतो.

दोन शिकणारे एजंट एकच सिम्युलेटेड जग वाटून घेतात: एक शरीर नियंत्रित करतो, दुसरा एक्सोस्केलेटन. आधी शरीर एकटे चालायला शिकते; मग उपकरण बांधले जाते आणि दोघे एकमेकांशी जुळवून घेतात. एक्सोस्केलेटनला फक्त खुब्यांचे कोन आणि वेग दिसतात, 40 मिलिसेकंद उशिराने — इतके माफक, की लहानसा Raspberry Pi 5 संगणक आणि स्वस्त गती-संवेदक ते चालवू शकतात.

योग्य श्रमाला बक्षीस

उपकरणाचे लक्ष्य काय असावे? आधीच्या नियंत्रकांना स्नायूंची सक्रियता किंवा यांत्रिक कार्य कमी केल्याबद्दल बक्षीस मिळत असे — ही श्रमाची पर्यायी मापे. इथे, एक्सोस्केलेटनच्या बक्षिसात खुब्याच्या स्नायूंची चयापचयी शक्ती समाविष्ट आहे, जी स्नायूंच्या ऊर्जावापराच्या शरीरक्रियात्मक मॉडेलने मोजली जाते.

गटाने दोन आवृत्त्या प्रशिक्षित केल्या. एकीत मोटर्सना धन यांत्रिक शक्ती पुरवल्याबद्दलही बक्षीस होते. दुसरीने, ती अतिरिक्त संज्ञा नसताना, सिम्युलेशनमध्ये अधिक चांगली कामगिरी केली: विश्लेषण केलेल्या पायाच्या स्नायूंनी वापरलेली ऊर्जा उपकरणाशिवाय चालण्याच्या तुलनेत 13.8% ने घटली, तर शक्ती-संज्ञा असलेल्या आवृत्तीसाठी 8.8% ने. सर्वात मोठी घट खुब्याच्या स्नायूंमध्ये होती: जवळजवळ 30%.

आठ चालणारे, कोणतेही समायोजन नाही

अधिक चांगली आवृत्ती, कोणताही बदल न करता, 5.94 किलो वजनाच्या खऱ्या खुब्याच्या एक्सोस्केलेटनवर चढवण्यात आली. 18 ते 44 वयोगटातील आठ निरोगी प्रौढ प्रत्येक परिस्थितीसाठी सुमारे सहा मिनिटे ट्रेडमिलवर 1.25 मीटर प्रति सेकंद वेगाने चालले, तर एका सुवाह्य विश्लेषकाने त्यांनी वापरलेला ऑक्सिजन आणि बाहेर सोडलेला कार्बन डायऑक्साइड मोजण्यासाठी त्यांच्या श्वासाचे नमुने घेतले.

• केवळ उपकरण बंद ठेवून लावल्याने चालण्याचा ऊर्जाखर्च 13.1% ने वाढला.
• नियंत्रक चालू असताना, बंद उपकरणाच्या तुलनेत खर्च 18.3% ने घटला — आठही सहभागींपैकी प्रत्येकामध्ये, 7.2% ते 27.7% ने.
• कोणत्याही उपकरणाशिवाय चालण्याच्या तुलनेत, सरासरी बचत 7.4% होती, जी आठ जणांमध्ये इतकी बदलती होती की सांख्यिकीयदृष्ट्या स्पष्ट ठरली नाही. आठपैकी सहा जण उपकरणाशिवाय चालण्यापेक्षा कमी खर्चात चालले, 24.2% पर्यंत; दोघांनी अजूनही किंचित जास्त ऊर्जा खर्च केली.

दुसऱ्या शब्दांत, सहाय्याने शरीराच्या वस्तुमानाच्या प्रति किलोग्रॅम सुमारे 0.63 वॉट कमी केले, म्हणजे उपकरण वाहून नेल्याने वाढलेल्या 0.41 च्या साधारण दीडपट.

खुब्याचा अधिक रुंद झोका

वापरणाऱ्यांच्या खुब्याची हालचाल-व्याप्ती 44 वरून 60 अंशांपर्यंत वाढली, जवळजवळ संपूर्णपणे वाकवण्याच्या दिशेने, तर त्यांच्या पावलांची लय जवळजवळ बदलली नाही. मदत अचूक वेळेवर होती: मोटर्सनी पुरवलेल्या शक्तीपैकी 98.5% शक्ती खुबा ज्या दिशेने हलत होता त्याच दिशेने ढकलत होती, जरी वापरलेल्या आवृत्तीला त्यासाठी कधीही थेट बक्षीस दिले गेले नव्हते. तिची बचत त्याच सत्रात, त्याच टॉर्कवर तपासलेल्या गटाच्या आधीच्या नियंत्रकाच्या बचतीइतकी होती.

पुढे हलकी यंत्रसामग्री

लेखक यंत्रसामग्रीकडे बोट दाखवतात. सिम्युलेशनमध्ये प्रशिक्षित केलेल्या इतर दोन उपकरणांपेक्षा (3.2 आणि 2.9 किलो) त्यांचे उपकरण सुमारे दुप्पट वजनाचे आहे, आणि ते आरामदायक राहावे म्हणून प्रशिक्षणात वापरलेल्या 18 पेक्षा कमी, 12 न्यूटन-मीटरवर चालवले गेले. अधिक चांगल्या प्रकारे बसणारी हलकी चौकट, चालणाऱ्यांचे मोठे गट, इतर वेग आणि उतार, आणि चालण्यात दोष असलेले लोक — या पुढील चाचण्या आहेत.