వర్చువల్ శరీరంపై నేర్చుకున్న తుంటి ఎక్సోస్కెలిటన్

కాళ్ళ కోసం శక్తితో నడిచే ఎక్సోస్కెలిటన్‌లను పునరావాసం కోసం, ఆరోగ్యవంతులు నడవడానికి సహాయపడటం కోసం కూడా అభివృద్ధి చేస్తున్నారు. తుంటి పరికరాలు ప్రత్యేకంగా ఆకర్షణీయమైనవి: సమతల నేలపై నడకలో ధనాత్మక పనిలో పెద్ద వాటాను తుంటి కండరాలే చేస్తాయి, కాబట్టి వాటికి సహాయపడటం ఆ పనిలో ఎక్కువ భాగం చేసే కండరాలకు ఉపశమనం కలిగించగలదు.

కష్టమంతా ధరించేవారితోనే. ఒక మోటారు ఒక కీలుపై నెట్టడం మొదలుపెట్టిన వెంటనే, నడక తీరు మారుతుంది, కండరాలు తమను తాము పునర్వ్యవస్థీకరించుకుంటాయి. సాధారణ పరిష్కారమైన “మనిషి-లూప్‌లో” (human-in-the-loop) అనుకూలీకరణ, పరికరాన్ని నేరుగా ప్రతి వ్యక్తిపై సర్దుబాటు చేస్తుంది — ప్రతి కొత్త వినియోగదారుకూ, ప్రతి పరిస్థితికీ మళ్ళీ చేయాల్సిన సుదీర్ఘ ప్రయోగాలు.

శిక్షణ భాగస్వామిగా ఒక వర్చువల్ నడిచే వ్యక్తి

న్యూజెర్సీ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీకి చెందిన యీఫెయ్ యువాన్, షియాన్‌లియాన్ ఝౌ, సహచరులు, కెస్లర్ ఫౌండేషన్‌తో కలిసి, శిక్షణను కంప్యూటర్‌లోకి తరలించారు. వారి వర్చువల్ మానవునికి 304 కండర ప్రేరకాలు నడిపించే పూర్తి శరీరం ఉంది. దాని ఎత్తు, బరువు, కండర బలం, అడుగు పొడవు, నడక వేగం యాదృచ్ఛికంగా ఎంపిక చేయబడతాయి — సుమారు 1.55 m, 54 kg నుంచి 1.94 m, 97 kg వరకు — కాబట్టి నియంత్రిక ఒక్క వ్యక్తి కోసం కాకుండా మొత్తం జనాభా కోసం నేర్చుకుంటుంది.

ఒకే అనుకరణ ప్రపంచాన్ని రెండు అభ్యాస ఏజెంట్లు పంచుకుంటాయి: ఒకటి శరీరాన్ని నియంత్రిస్తుంది, మరొకటి ఎక్సోస్కెలిటన్‌ను. మొదట శరీరం ఒంటరిగా నడవడం నేర్చుకుంటుంది; తర్వాత పరికరాన్ని కట్టి, రెండూ ఒకదానికొకటి అనుగుణంగా మారతాయి. ఎక్సోస్కెలిటన్ తుంటి కోణాలు, వేగాలను మాత్రమే చూస్తుంది, అవి కూడా 40 మిల్లీసెకన్లు ఆలస్యంగా — ఒక చిన్న Raspberry Pi 5 కంప్యూటర్, చౌకైన చలన సెన్సార్లు దాన్ని నడపగలిగేంత నిరాడంబరంగా.

సరైన శ్రమకు బహుమతి

పరికరం దేన్ని లక్ష్యంగా చేసుకోవాలి? మునుపటి నియంత్రికలకు కండర క్రియాశీలతను లేదా యాంత్రిక పనిని తగ్గించినందుకు బహుమతి లభించేది — ఇవి శ్రమకు ప్రత్యామ్నాయాలు. ఇక్కడ, ఎక్సోస్కెలిటన్ బహుమతిలో తుంటి కండరాల జీవక్రియా సామర్థ్యం (metabolic power) ఉంటుంది; దాన్ని కండరాల శక్తి వినియోగపు శరీరధర్మ నమూనాతో లెక్కిస్తారు.

బృందం రెండు రూపాంతరాలకు శిక్షణ ఇచ్చింది. ఒకటి ధనాత్మక యాంత్రిక సామర్థ్యాన్ని అందించినందుకు మోటార్లకు కూడా బహుమతి ఇచ్చింది. ఆ అదనపు పదం లేని మరొకటి అనుకరణలో మెరుగ్గా పనిచేసింది: పరికరం లేకుండా నడవడంతో పోలిస్తే, విశ్లేషించిన కాలి కండరాలు వాడిన శక్తి 13.8% తగ్గింది; సామర్థ్య పదం ఉన్న రూపాంతరంలో ఇది 8.8%. అతిపెద్ద తగ్గుదల తుంటి కండరాల వద్ద: దాదాపు 30%.

ఎనిమిది మంది నడిచేవారు, సర్దుబాటు లేదు

మెరుగైన రూపాంతరాన్ని, ఏ మార్పూ లేకుండా, 5.94 kg బరువున్న నిజమైన తుంటి ఎక్సోస్కెలిటన్‌లోకి ఎక్కించారు. 18 నుంచి 44 ఏళ్ళ వయసున్న ఎనిమిది మంది ఆరోగ్యవంతులైన వయోజనులు ఒక్కో పరిస్థితికి సుమారు ఆరు నిమిషాల పాటు సెకనుకు 1.25 మీటర్ల వేగంతో ట్రెడ్‌మిల్‌పై నడిచారు; అదే సమయంలో ఒక పోర్టబుల్ విశ్లేషకం, వారు వాడిన ఆక్సిజన్‌ను, బయటకు వదిలిన కార్బన్ డయాక్సైడ్‌ను కొలవడానికి వారి శ్వాస నమూనాలను సేకరించింది.

• కేవలం పరికరాన్ని ఆపివేసి ధరించడమే నడక శక్తి వ్యయాన్ని 13.1% పెంచింది.
• నియంత్రిక పనిచేస్తున్నప్పుడు, ఆపివేసిన పరికరంతో పోలిస్తే వ్యయం 18.3% తగ్గింది — ఎనిమిది మంది పాల్గొనేవారిలో ప్రతి ఒక్కరిలోనూ, 7.2% నుంచి 27.7% వరకు.
• ఏ పరికరమూ లేకుండా నడవడంతో పోలిస్తే, సగటు ఆదా 7.4% — ఎనిమిది మందిలో గణాంకపరంగా స్పష్టంగా ఉండటానికి మరీ ఎక్కువగా మారుతూ ఉంది. ఎనిమిది మందిలో ఆరుగురు పరికరం లేనప్పటి కంటే తక్కువ వ్యయంతో నడిచారు, 24.2% వరకు; ఇద్దరు ఇంకా కొంచెం ఎక్కువే ఖర్చు చేశారు.

మరో మాటలో, సహాయం శరీర ద్రవ్యరాశిలో కిలోగ్రాముకు సుమారు 0.63 వాట్లను తొలగించింది — పరికరాన్ని మోయడం చేర్చిన 0.41కి దాదాపు ఒకటిన్నర రెట్లు.

తుంటి వద్ద విశాలమైన ఊపు

ధరించినవారి తుంటి చలన పరిధి 44 నుంచి 60 డిగ్రీలకు పెరిగింది, దాదాపు పూర్తిగా ముందుకు వంచడంలోనే; వారి అడుగుల లయ దాదాపు మారలేదు. సహాయం సరైన సమయంలో అందింది: మోటార్లు అందించిన సామర్థ్యంలో 98.5% తుంటి కదులుతున్న దిశలోనే నెట్టింది, అమలు చేసిన రూపాంతరానికి దానికోసం నేరుగా ఎప్పుడూ బహుమతి ఇవ్వకపోయినా. దాని ఆదాలు, అదే సెషన్‌లో అదే టార్క్ వద్ద పరీక్షించిన బృందపు మునుపటి నియంత్రిక ఆదాలకు సమానంగా ఉన్నాయి.

తదుపరి తేలికైన హార్డ్‌వేర్

రచయితలు హార్డ్‌వేర్ వైపు వేలు చూపుతున్నారు. వారి పరికరం అనుకరణలో శిక్షణ పొందిన మరో రెండింటి (3.2, 2.9 kg) కంటే సుమారు రెట్టింపు బరువు ఉంటుంది; సౌకర్యంగా ఉంచడానికి దాన్ని శిక్షణలో వాడిన 18 కంటే తక్కువగా, 12 న్యూటన్-మీటర్ల వద్ద నడిపారు. మెరుగ్గా సరిపోయే తేలికైన చట్రం, నడిచేవారి పెద్ద సమూహాలు, ఇతర వేగాలు, వాలులు, నడక లోపాలున్న వ్యక్తులు — ఇవే తదుపరి పరీక్షలు.