The Knowledge Frontier

Tiba na afyaChapisho la awaliJaribioDakika 3 za kusoma

KIUNZI-NJE CHA NYONGA KILICHOJIFUNZA KWENYE MWILI PEPE

Viunzi-nje (exoskeletons) vinavyoendeshwa kwa mota kwa ajili ya miguu vinatengenezwa kwa ajili ya utengamao na pia kusaidia watu wenye afya kutembea. Vifaa vya nyonga vinavutia hasa: misuli ya nyonga hufanya sehemu kubwa ya kazi chanya ya kutembea kwenye ardhi tambarare, kwa hiyo kuisaidia kunaweza kupunguza mzigo wa misuli inayofanya sehemu kubwa ya kazi hiyo.

Ugumu ni mvaaji. Mara tu mota inaposukuma kiungo, mwendo hubadilika na misuli hujipanga upya. Suluhisho la kawaida, uboreshaji wa “binadamu-ndani-ya-mzunguko” (human-in-the-loop), hurekebisha kifaa moja kwa moja kwa kila mtu — majaribio marefu ambayo lazima yarudiwe kwa kila mtumiaji mpya na kila hali.

Mtembeaji pepe kama mwenzi wa mafunzo

Yifei Yuan, Xianlian Zhou na wenzao katika New Jersey Institute of Technology, pamoja na Kessler Foundation, walihamishia mafunzo ndani ya kompyuta. Binadamu wao pepe ana mwili kamili unaoendeshwa na viendeshaji vya misuli 304. Urefu, uzito, nguvu ya misuli, hatua na kasi ya kutembea ya binadamu huyo huchaguliwa kwa nasibu, kuanzia takriban mita 1.55 na kilo 54 hadi mita 1.94 na kilo 97, ili kidhibiti kijifunze kwa ajili ya kundi zima la watu badala ya mtu mmoja.

Mawakala wawili wanaojifunza hushiriki ulimwengu uleule ulioigwa: mmoja hudhibiti mwili, mwingine kiunzi-nje. Kwanza mwili hujifunza kutembea peke yake; kisha kifaa hufungwa na wote wawili huzoeana. Kiunzi-nje huona tu pembe na kasi za nyonga, zikiwa zimechelewa kwa milisekunde 40 — kiasi cha wastani kiasi kwamba kompyuta ndogo ya Raspberry Pi 5 na vihisi vya bei nafuu vya mwendo vinaweza kukiendesha.

Kuzawadia juhudi sahihi

Kifaa kinapaswa kulenga nini? Vidhibiti vya awali vilizawadiwa kwa kupunguza uamshaji wa misuli au kazi ya kimekanika, viwakilishi vya juhudi. Hapa, zawadi ya kiunzi-nje inajumuisha nguvu ya kimetaboliki ya misuli ya nyonga, inayokokotolewa kwa kielelezo cha kifiziolojia cha matumizi ya nishati ya misuli.

Timu ilifunza matoleo mawili. Moja pia lilizawadia mota kwa kutoa nguvu chanya ya kimekanika. Lingine, bila kipengele hicho cha ziada, lilifanya vizuri zaidi katika uigaji: nishati iliyotumiwa na misuli ya mguu iliyochanganuliwa ilishuka kwa 13.8% ikilinganishwa na kutembea bila kifaa, dhidi ya 8.8% kwa toleo lenye kipengele cha nguvu. Kushuka kukubwa zaidi kulikuwa kwenye misuli ya nyonga: karibu 30%.

Watembeaji wanane, bila marekebisho

Toleo bora zaidi lilipakiwa, bila kubadilishwa, kwenye kiunzi-nje halisi cha nyonga chenye uzito wa kilo 5.94. Watu wazima wanane wenye afya, wenye umri wa miaka 18 hadi 44, walitembea kwenye mashine ya kukanyagia kwa mita 1.25 kwa sekunde kwa takriban dakika sita kwa kila hali huku kichanganuzi kinachobebeka kikichukua sampuli za pumzi yao kupima oksijeni waliyotumia na kaboni dioksidi waliyoitoa.

  • Kuvaa tu kifaa kikiwa kimezimwa kuliongeza gharama ya nishati ya kutembea kwa 13.1%.
  • Kidhibiti kikiwa kinafanya kazi, gharama ilishuka kwa 18.3% ikilinganishwa na kifaa kilichozimwa — kwa kila mmoja wa washiriki wanane, kwa 7.2% hadi 27.7%.
  • Ikilinganishwa na kutembea bila kifaa chochote, akiba ya wastani ilikuwa 7.4%, yenye kutofautiana mno kati ya watu wanane kuweza kuwa wazi kitakwimu. Sita kati ya wanane walitembea kwa gharama ndogo kuliko bila kifaa, hadi 24.2%; wawili bado walitumia kidogo zaidi.

Kwa maneno mengine, usaidizi uliondoa takriban wati 0.63 kwa kila kilo ya uzito wa mwili, takriban mara moja na nusu ya 0.41 ambazo kubeba kifaa kuliongeza.

Mzunguko mpana zaidi kwenye nyonga

Wigo wa mwendo wa nyonga wa wavaaji uliongezeka kutoka digrii 44 hadi 60, karibu wote katika kukunja nyonga, huku mdundo wa hatua zao ukibadilika kidogo sana. Msaada ulipangwa vizuri kwa wakati: 98.5% ya nguvu ambayo mota zilitoa ilisukuma upande uleule ambao nyonga ilikuwa ikielekea, ingawa toleo lililotumika halikuwahi kuzawadiwa moja kwa moja kwa hilo. Akiba yake ililingana na ile ya kidhibiti cha awali cha timu, kilichojaribiwa katika kipindi kilekile kwa nguvu-mzunguko (torque) ileile.

Vifaa vyepesi zaidi baadaye

Waandishi wanaelekeza kwenye vifaa. Kifaa chao kina uzito wa takriban mara mbili ya vingine viwili vilivyofunzwa kwa uigaji (kilo 3.2 na 2.9), na kiliendeshwa kwa newtoni-mita 12, chini ya 18 zilizotumika katika mafunzo, ili kibaki cha kustarehesha. Fremu nyepesi zaidi inayokaa vizuri zaidi, makundi makubwa zaidi ya watembeaji, kasi na miteremko mingine, na watu wenye matatizo ya kutembea ndiyo majaribio yanayofuata.